稳定均值约束下桥梁移动荷载L1正则化识别

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桥梁是交通网络中一类重要的基础设施,保障桥梁的安全运营具有重要社会和经济意义。在实际运营中,桥梁会面临多种潜在威胁,如环境侵蚀、材料老化和重载作用等。其中,车辆移动荷载是桥梁承受的主要活荷载,其对桥梁结构的安全运营具有重要作用。移动荷载识别是拾取桥上荷载的一种重要手段,对桥梁的健康评估具有重要意义。目前,移动荷载识别已经备受关注,许多方法如稀疏正则化识别法已得以应用。但是,既有研究对传感器可能存在的标定误差影响尚缺乏充分的研讨。基于此,本文考虑了传感器标定误差的影响,并结合L1正则化方法,对桥梁移动荷载识别进行了相关的研究,具体研究内容如下:(1)本文首先介绍了移动荷载识别这一工程反问题的研究背景和意义,系统地介绍了国内外移动荷载识别的研究现状。同时,详细介绍了L1正则化方法中存在的问题,确定了本文的主要研究内容。(2)详细介绍了L1正则化方法的原理以及移动荷载识别的理论基础,利用荷载字典展开未知移动荷载及用模态空间描述结构初始条件。基于L1正则化方法建立了简支梁移动荷载识别方程,并进行数值模拟。结果表明:L1正则化方法可以用来进行移动荷载识别,且识别效果优于Tikhonov方法;但是,对于测点存在标定误差的仿真工况,采用L1正则化方法识别出来的移动荷载曲线均出现较明显的波浪线,识别效果较差。(3)针对传感器标定误差导致的荷载识别效果不佳的问题,本文提出了一种基于稳定均值约束下的桥梁移动荷载稀疏正则化识别方法。首先,对标定误差导致的移动荷载和结构响应之间关系的不准确性进行了定性的分析;然后,定量描述了移动荷载趋势线,进而通过添加均值稳定约束对识别方程进行了优化,克服了荷载识别曲线波动较大问题。再者,利用改进算法对简支梁模型进行了数值仿真。结果表明:改进算法在相同工况下具有较强的荷载识别能力,验证了该方法的优越性能。(4)为了验证所提方法的可行性和有效性,在实验室搭设了亚力克板的简支梁模型,运用仪器设备分别采集了各工况下简支梁的前四阶频率、车辆移动速度和弯矩响应图,并将采集数据导入到改进算法中进行移动荷载识别。试验结果表明:本文所提基于稳定均值约束下的桥梁移动荷载L1正则化识别方法能够准确识别出试验梁上的移动荷载,具有较好的现实意义。
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