摘要
由于结构、材料不确定等因素,桥梁结构往往具有随机性,因此,基于桥梁结构的响应识别得到的桥梁所受移动荷载也是不确定的,但相关研究还较少。为此,本文研究桥梁结构为空间随机场的情况下,有效识别移动荷载的统计矩。提出的识别方法基于桥梁结构随机场的Karhunen⁃Loeve(KL)展开、未知输入的卡尔曼滤波与改进的两点估计法的结合。桥梁结构参数为空间相关的随机场,通过KL展开将随机场转化为多随机变量的组合。在多随机变量下的不确定传播中,利用改进的两点估计法,将识别移动荷载统计矩问题转化为若干个确定性识别移动荷载识别的逆问题。采用未知输入的卡尔曼滤波进行确定性识别移动荷载,可有效估计识别移动荷载的统计矩。通过数值模拟算例验证了提出的估计方法的有效性。
移动荷载信息无论是在桥梁设计还是桥梁性能评估中都起着重要的作
在实际工程中,由于加工、制造及环境的影响,桥梁结构往往具有随机性,因此考虑结构随机性的识别方法更为适用。目前,随机性的考虑主要是将结构参数视作随机变量,如桥梁结构的质量线密度和阻尼系数为服从具体概率分布的随机变量。结构参数为随机变量的不确定性传播问题中,Liu
实际工程中桥梁结构参数体现的随机性往往为具有空间相关性的随机场,随机场在其场域内的每个位置均为随机变量,即包含无限个随机变量,因此,基于桥梁结构参数为随机变量进行移动荷载的识别具有局限性。结构参数为随机场的不确定性问题中,Wu和La
在不确定性传播的方法中,点估计方法 (Point Estimation Method, PEM
本文针对相关研究现状,尤其是随机结构情况下识别逆问题涉及不确定性传播和逆问题计算的双环过程,计算效率低的问题,研究桥梁结构参数为空间随机场情况下识别移动荷载统计矩的有效方法。提出的方法基于桥梁结构参数随机场的KL展开、KF⁃UI识别和I2PEM的结合。通过KL展开可以将桥梁结构参数的随机场转化为多个随机变量的组合。为了避免耗时的双环过程,不确定性传播采用I2PEM,可以将不确定性逆问题转化为若干个确定性逆问题。对移动荷载识别的逆问题,采用作者最近提出的基于数据融合的KF⁃UI方
实际工程中桥梁结构参数体现的随机性往往为具有空间相关性的随机场分布,随机场在其场域内的每个位置均为随机变量,即包含无限个随机变量。通过KL展开,可将随机场转化为若干个随机变量的组合。
假设是一个随机场,其中约束在场域内,是随机事件的空间。随机场在场域内的均值部分表示为,随机部分表示为。该随机场的协方差函数可以用谱分解表示为
(1) |
式中 和分别表示场域内的两个位置;和分别表示协方差函数的特征值和特征函数,Ghanem和Spano
(2) |
协方差函数是对称的、正定的、有界的,其特征函数是正交的,并且所有的特征函数形成了用来表示协方差函数的完备集合,特征函数可以根据下式进行归一化
(3) |
式中 是克罗内克函数,满足:
(4) |
随机场可以写
(5) |
式中 是KL展开截断项的项数,由所截取的特征值之和占所有特征值总和的比例来确
(6) |
式中 表示对取期望。
本文研究的桥梁模型为Bernoulli⁃Euler简支梁,移动荷载在结构上以匀速运动,Bernoulli⁃Euler简支梁的模型如

图1 移动荷载下的Bernoulli-Euler简支梁
Fig.1 A simply supported Bernoulli-Euler beam under moving loads
在实际工程中,梁模型的结构参数往往是不确定的,在识别计算中,将会引起结构参数不确定到未知移动荷载不确定的传递。采用点估计法,可以较有效地估计由于结构参数不确定导致的未知移动荷载不确定性的统计矩。车玉龙
(7) |
式中 为需要通过逆问题识别的作用在桥梁的未知移动荷载;表示维随机变量,;是观测的桥梁结构响应矢量,表示观测方程。实际工况下,通过测量的结构响应的许多样本,统计得到响应的均值作为上述逆问题中观测的响应,进行未知移动荷载的识别。
从观测方程出发,可以得到识别荷载的逆问题表达式:
(8) |
式中 表示基于结构响应和随机变量对未知移动荷载进行识别的逆问题函数。
令和分别表示随机变量的均值和标准差,表示随机变量的第阶中心矩,;。
(9) |
式中 为随机变量的概率密度函数。
令为和的比,即:
(10) |
式中 ,。
值得注意的是,若随机变量服从高斯分布,第阶中心矩满足
(11) |
结合
随机变量在点估计法中第个选点可以表述为:,;,其中为随机变量在点估计法中的第个选点的系数。令和分别对应于和的两个待定的集中概率。此时,每个随机变量都可以建立如下四个方程:
(12) |
同时,两个集中概率和满足:
(13) |
联立
(14) |
多随机变量下的第阶矩即为:
(15) |
上述2PE
新增的两个同一概率的估计点为:
(16) |
式中 随机变量新增的第个位置为,为随机变量新增的第个标准位置;和分别对应于和的两个新增权重系数。
每个随机变量新增一个均值估计点,即重复进行次同样的识别运算(),故对待估值的计算只需增加一个权重系数的均值点。结合
(17) |
上式即为I2PEM的公式,又称为集合方案。原有的两点用到了随机变量的前三阶中心矩,新增三点用到了随机变量的前两阶中心矩,可以看出集合方案无需随机变量的高阶中心矩,即可增加估计点数。
基于桥梁部分响应的识别方法中,采用文献[
(18) |
式中 ,和分别代表结构的位移、速度和加速度;和分别为简支梁结构的刚度矩阵和质量矩阵;为结构的阻尼矩阵,研究中采用瑞利阻尼;为未知的两个移动荷载,是对应于未知移动的定位矩阵。
通过设置状态向量,系统的状态方程可以表示为:
(19) |
式中 ,。
考虑系统模型误差,其均值为,方差为,离散
(20) |
式中 ,。
系统的观测方程可以表示为:
(21) |
式中 代表观测量,即观测结构应变响应和加速度响应;和分别表示应变和加速度的位置观测矩阵;是观测误差,其均值为,方差为;表示结构位移和应变之间的转换矩阵。
结构状态的时间预测和观测更新如下所示:
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估计误差的协方差矩阵为:
(24) |
(25) |
通过最小化的迹来估计卡尔曼增益矩阵:
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将其代入
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根据
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然后,将观测误差定义为:
(30) |
其中,。
基于最小二乘法估计未知移动荷载:
(31) |
相应地,未知力的估计误差协方差由下式给出:
(32) |
交叉项的协方差为:
(33) |
上述KF⁃UI利用桥梁部分观测的应变响应和加速度响应,可实现对未知移动荷载的识别。
结合上一节的I2PEM,随机变量的第个位置为,;,每个位置的移动荷载识别如下:
(34) |
同理,随机变量新增的第个位置为,;,每个位置的移动荷载识别如下:
(35) |
移动荷载在随机变量均值处的识别如下:
(36) |
多随机变量下移动荷载第阶矩为:
(37) |
综合1.1节至1.3节描述,桥梁结构参数为随机场的移动荷载统计矩的识别步骤如下:
(1 )对服从随机场的桥梁结构参数进行KL展开,将随机场转化为若干随机变量的组合;
(2) 每个随机变量的,;利用
(3) 基于桥梁结构的部分响应,采用KF⁃UI对两个位置,两个新增位置,随机变量均值位置进行移动荷载识别计算,根据
(4) 采用蒙特卡洛方法,在桥梁结构参数随机的情况下利用结构部分响应进行识别,模拟得到真实值。
本节采用的Bernoulli⁃Euler简支梁如
(38) |
式中 为弹性模量和质量线密度的标准差;为空间相关长度,本算例中取为结构单元的长度。

图2 移动荷载下的Bernoulli-Euler简支梁
Fig. 2 A simply supported Bernoulli-Euler beam under moving loads
以形成简支梁模型的刚度矩阵为例,弹性模量为随机场时,对其进行KL展开:
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式中 和分别表示随机场的均值部分和随机部分;是KL展开截断项,算例中确定为20;和分别表示协方差函数的特征值和特征函数。
梁单元刚度矩阵如下:
(40) |
(41) |
式中 和分别表示单元刚度矩阵的均值部分和随机部分;为对应的形函数。
(42) |
则单元刚度矩阵为:
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同理可得到单元质量矩阵如下
(44) |
分别对单元刚度矩阵和单元质量矩阵进行组装,可得到整体刚度矩阵和整体质量矩阵。阻尼矩阵采用瑞利阻尼。
移动荷载由车辆重量和简谐荷载叠加而成,其时程表达式为:
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式中 表示前轮移动荷载;表示后轮移动荷载。两个移动荷载的速度为,前后轮距。
未知移动荷载统计矩识别值与准确值的相对误差表示为:
(46) |
式中 表示2⁃范数;为移动荷载的统计矩;下标“identified”和“exact”分别表示识别值和真实值。采用蒙特卡洛方法,在结构参数随机的情况下利用结构部分响应模拟识别10000次得到真实值。
采样持续时间为0.8 s,传感器采样频率为1000 Hz。移动荷载后轮位于简支梁左端时采样开始,移动荷载前轮行驶至简支梁末端时采样结束。加速度传感器部署在结构第2,4,5,6,7,9,10节点,应变传感器部署在结构第2,5,6,10节点。且获取的传感器信号都受到2% RMS噪声。
在多重随机场(弹性模量、质量线密度)下,利用KF⁃UI和I2PEM,可得到未知移动荷载的前三阶矩如图

图3 前轮移动荷载一阶矩识别图
Fig.3 The 1st moment of identified front moving load

图4 前轮移动荷载二阶矩识别图
Fig.4 The 2nd moment of identified front moving load

图5 前轮移动荷载三阶矩识别图
Fig.5 The 3rd moment of identified front moving load

图6 后轮移动荷载一阶矩识别图
Fig.6 The 1st moment of identifed rear moving load

图7 后轮移动荷载二阶矩识别图
Fig.7 The 2nd moment of identified rear moving load

图8 后轮移动荷载三阶矩识别图
Fig.8 The 3rd moment of identified rear moving load
图
一阶矩 | 二阶矩 | 三阶矩 | |
---|---|---|---|
前轮移动荷载 | 0.415 | 0.903 | 1.471 |
后轮移动荷载 | 0.295 | 0.567 | 0.825 |
本文考虑了桥梁结构随机性识别的移动荷载统计矩有效估计。随机结构的逆问题研究通常涉及带有不确定性传播和逆问题计算的双环过程,提出的方法基于桥梁结构参数随机场的KL展开与KF⁃UI识别和I2PEM的结合,首先通过KL展开将服从空间分布的随机场(弹性模量和质量线密度)转化为若干个随机变量的组合。然后基于I2PEM对每个不确定随机变量的近似位置进行选择,将不确定性逆问题转化为多个确定性逆问题。最后基于桥梁结构的部分响应对每个随机变量选择的位置进行确定性的移动荷载识别,估计移动荷载的统计矩。利用移动荷载在梁桥模型下的数值模拟,验证了桥梁结构参数为随机场情况下识别的移动荷载统计矩的估计方法的有效性。
本文考虑桥梁结构的弹性模量和质量线密度为服从高斯分布的随机场,实际工程下桥梁结构参数服从其他类型分布时,如非高斯分布,可用混沌多项式展开,类似地进行移动荷载识别的统计矩的有效估计。本文中采用点估计方法进行桥梁移动荷载统计矩的估计,由于点估计方法在随机变量均值处采用泰勒展开,当随机变量的变异系数较大时,统计矩估计精度会受到影响。这需要进一步研究加以改进。另外,本文假定车辆重量为确定,也需研究拓展到考虑车辆荷载为随机变量的实际情况。
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