[发明专利]一种软基水闸闸基脱空区域识别方法

摘要

一种软基水闸闸基脱空区域识别方法,包括根据实际水闸工程资料和数据，利用有限元软件建立水闸有限元模型；将脱空区域用脱空参数描述，作为修正参数，闸基脱空参数反演结果将用于指示结构实际脱空情况；建立闸基脱空参数与结构模态参数之间的响应面模型;基于结构模态参数进行水闸闸基脱空区域反演识别。本发明可识别正常工作状态下的水闸闸基脱空情况，避免了钻孔取芯等有损检测方法对水闸结构的破坏，具有较高的经济效益以及实用价值。本发明利用结构边界状态辨识算法，可直接基于水闸结构模态参数识别水闸底板地基的脱空区域，解决了闸基脱空难以评估的问题，具有较高的工程应用价值。

主权项

1.一种软基水闸闸基脱空区域识别方法,其特征在于:A.根据实际水闸工程资料和数据，利用有限元软件建立水闸有限元模型；B.将脱空区域用脱空参数描述，作为修正参数，闸基脱空参数反演结果将用于指示结构实际脱空情况；为描述水闸底板地基脱空情况，建立水闸闸基脱空情况示意模型，凹槽形结构表示简化水闸结构，长条矩形表示地基，长条形地基部分空缺区域即为水闸闸基脱空区域；为了便于数值模拟，将脱空区域用n个独立的脱空参数di(i＝1,2...n)描述；脱空参数di的取值范围控制在水闸底板长度的一半以下，防止脱空区域过大导致水闸整体发生倾覆；水闸基底脱空区域多为一个连续的联通区域，因此，采用分段折线来描述脱空区域与非脱空区域的分界线；区域1为底板地基脱空区域，区域2为底板地基非脱空区域；沿垂直水流方向，即x轴方向，将底板地基等分了n段；在每个分段点xi处，设脱空区域深度为di(i＝0,1,2,…,n)；于是，基底脱空区域与非脱空区域的分界线用分段线性插值函数来表示，即有其中，L垂直水流方向的底板长度；C.建立闸基脱空参数与结构模态参数之间的响应面模型；为建立闸基底板脱空参数和结构模态参数间的显式关系，响应面方程作为实际结构的代理模型被用于脱空状态反演；具体的响应面方程建立过程如下：(1)自变量筛选：以脱空参数作为基本输入变量，采用拉丁超立方抽样方法，确定输入变量样本集；(2)因变量筛选：选取各阶频率及节点振型值做为输出变量，针对各自变量样本点，利用有限元方法得到相应的结构模态参数，从而生成因变量集；(3)响应面拟合：选择适当的函数形式，根据自变量集及相应的因变量集，利用回归分析计算响应面方程中的系数；经过对比不同类型多项式响应面的拟合效果，选择三次且不带三次交叉项的响应面方程来描述水闸结构模态参数与脱空参数之间的关系：式中：yrs表示响应面输出参数，即水闸结构的固有频率或节点振型值；di表示响应面输入参数，即水闸闸基脱空参数；β为响应面方程待定系数，由非线性回归分析得到最优估计值；(4)响应面精度校验：利用校验样本集上计算结果的相对误差评价已建立的响应面精度；为保证响应面方程的精度，首先在建立响应面模型时，需要利用复相关系数指标评价方程在样本点集上的拟合效果；其次再生成校验样本集，比较响应面方法与有限元方法在校验集上的计算结果，利用结果的相对误差构建响应面精度指标：e＝(yrs‑y)/y  (3)式中：yrs表示响应面方程的计算值；y表示有限元软件的计算值；D.基于结构模态参数进行水闸闸基脱空区域反演识别水闸闸基脱空状态不同，意味结构的边界条件不同，结构模态参数也会发生相应的变化；因此，通过不断调整闸基脱空参数，使得计算模型模态参数与实际结构模态参数的差异减小；这是一个典型的优化问题，利用水闸的模态参数建立脱空参数反演优化问题的目标函数：式中：f_i^*表示结构频率(有限元计算或现场实测)；f_i表示响应面模型计算频率；i表示固有频率阶数；表示结构测点j的第i阶振型计算值或实测值；φ_i(x_j)表示由响应面方程计算得到的测点j的第i阶振型值；N表示测点总数目；m表示所用的模态阶数。