本申請(qǐng)涉及橋梁工程，具體為一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、疲勞裂紋修復(fù)后橋梁結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估缺乏有效手段，修復(fù)后結(jié)構(gòu)的性能受載荷歷史、裂紋修復(fù)質(zhì)量以及應(yīng)力分布特性的影響，現(xiàn)有方法對(duì)修復(fù)區(qū)域性能的動(dòng)態(tài)變化缺乏精準(zhǔn)描述，難以量化修復(fù)效果。

2、傳統(tǒng)的裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算多依賴于單一的斷裂力學(xué)公式，雖然具有一定的理論基礎(chǔ)，但忽略了裂紋擴(kuò)展過程中時(shí)間序列特征的復(fù)雜性，無法動(dòng)態(tài)適應(yīng)橋梁運(yùn)行狀態(tài)的變化。

3、綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后的壽命預(yù)測領(lǐng)域主要面臨以下問題：缺乏對(duì)修復(fù)區(qū)域動(dòng)態(tài)性能的精準(zhǔn)評(píng)估，裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測精度不足，壽命預(yù)測模型的可靠性較低。這些問題的存在不僅制約了橋梁修復(fù)后安全狀態(tài)的科學(xué)評(píng)估，也對(duì)橋梁的后續(xù)維護(hù)和安全運(yùn)行構(gòu)成了潛在威脅。因此，亟須一種科學(xué)、系統(tǒng)、精準(zhǔn)的疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，以全面提升橋梁結(jié)構(gòu)的安全管理水平。

4、鑒于此，本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測系統(tǒng)及方法，具體技術(shù)方案如下：一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，包括：

2、采集修復(fù)疲勞裂紋后的橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中的載荷數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)；

3、基于有限元分析方法，結(jié)合疲勞裂紋修復(fù)區(qū)域的應(yīng)力分布特性，提取動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)；

4、對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)融合和預(yù)處理，構(gòu)建用于訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)集；

5、結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法和斷裂力學(xué)理論，構(gòu)建裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型與剩余壽命預(yù)測模型；

6、根據(jù)橋梁運(yùn)行狀態(tài)和修復(fù)區(qū)域的性能退化規(guī)律，預(yù)測修復(fù)后結(jié)構(gòu)的剩余壽命，并進(jìn)行多級(jí)預(yù)警。

7、優(yōu)選的，在修復(fù)疲勞裂紋后的橋梁結(jié)構(gòu)上布置應(yīng)變傳感器和載荷傳感器，實(shí)時(shí)采集橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)；

8、對(duì)采集到的載荷數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪和異常值剔除；將預(yù)處理后的載荷數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)構(gòu)建成時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

9、優(yōu)選的，根據(jù)采集到的載荷數(shù)據(jù)，設(shè)置有限元模型的載荷工況；載荷的時(shí)間歷程與采集到的載荷時(shí)間序列相同，載荷的加載頻率與采樣頻率一致；設(shè)置多個(gè)載荷工況，分別對(duì)應(yīng)不同的載荷水平和加載方式；

10、對(duì)于每個(gè)載荷工況，進(jìn)行有限元靜力分析，得到疲勞裂紋修復(fù)區(qū)域的應(yīng)力分布云圖；

11、基于疲勞裂紋修復(fù)區(qū)域的應(yīng)力分布特性，提取動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)；所述動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)包括：應(yīng)力幅值、應(yīng)力比、應(yīng)力梯度以及應(yīng)力三軸度。

12、優(yōu)選的，將采集到的載荷時(shí)間序列數(shù)據(jù)和應(yīng)變時(shí)間序列數(shù)據(jù)與提取的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行多維度融合，構(gòu)建融合數(shù)據(jù)集；

13、對(duì)融合數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)歸一化、數(shù)據(jù)增強(qiáng)和數(shù)據(jù)劃分；

14、基于預(yù)處理后的融合數(shù)據(jù)集，構(gòu)建用于訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集，將訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、驗(yàn)證數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集。

15、優(yōu)選的，基于長短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)lstm模型構(gòu)建裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型，設(shè)計(jì)lstm模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述lstm模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、lstm層、全連接層和輸出層；所述輸入層用于輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；所述lstm層由多個(gè)lstm單元組成，每個(gè)lstm單元包含輸入門、遺忘門、輸出門和記憶單元，用于學(xué)習(xí)和記憶時(shí)間序列數(shù)據(jù)的特征；所述全連接層用于提取lstm層輸出的特征，并將特征映射到裂紋擴(kuò)展速率的預(yù)測值；所述輸出層采用線性激活函數(shù)，輸出預(yù)測的裂紋擴(kuò)展速率值；

16、利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對(duì)lstm模型進(jìn)行訓(xùn)練，優(yōu)化模型的參數(shù)；采用均方誤差作為損失函數(shù)；在lstm模型訓(xùn)練過程中，利用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證；將滿足性能要求的lstm模型作為裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型。

17、優(yōu)選的，引入線彈性斷裂力學(xué)理論，將裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍建立關(guān)系；采用paris公式描述裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系，并計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍；

18、基于paris公式和應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的計(jì)算公式，構(gòu)建剩余壽命預(yù)測模型；利用lstm模型預(yù)測得到的裂紋擴(kuò)展速率，將預(yù)測的裂紋擴(kuò)展速率代入paris公式，通過積分，得到裂紋擴(kuò)展的累積循環(huán)次數(shù)，得到修復(fù)后結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測值。

19、優(yōu)選的，根據(jù)剩余壽命預(yù)測值，對(duì)修復(fù)后結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行多級(jí)預(yù)警；設(shè)置預(yù)警閾值和報(bào)警閾值，當(dāng)剩余壽命預(yù)測值低于預(yù)警閾值時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)；當(dāng)剩余壽命預(yù)測值低于報(bào)警閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

20、一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測系統(tǒng)，其用于實(shí)現(xiàn)所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，包括：數(shù)據(jù)采集模塊、特征提取模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、剩余壽命預(yù)測模塊以及多級(jí)預(yù)警模塊；

21、所述數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集修復(fù)疲勞裂紋后的橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中的載荷數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)；

22、所述特征提取模塊，基于有限元分析方法，結(jié)合疲勞裂紋修復(fù)區(qū)域的應(yīng)力分布特性，提取動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)；

23、所述數(shù)據(jù)融合模塊，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)融合和預(yù)處理，構(gòu)建用于訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)集；

24、所述剩余壽命預(yù)測模塊，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法和斷裂力學(xué)理論，構(gòu)建裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型與剩余壽命預(yù)測模型；

25、所述多級(jí)預(yù)警模塊，根據(jù)橋梁運(yùn)行狀態(tài)和修復(fù)區(qū)域的性能退化規(guī)律，預(yù)測修復(fù)后結(jié)構(gòu)的剩余壽命，并進(jìn)行多級(jí)預(yù)警。

26、一種電子設(shè)備，包括：處理器和存儲(chǔ)器，其中，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有可供處理器調(diào)用的計(jì)算機(jī)程序；所述處理器通過調(diào)用所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序，執(zhí)行所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法。

27、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，儲(chǔ)存有指令，當(dāng)所述指令在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法。

28、本申請(qǐng)的有益效果：本申請(qǐng)采集載荷和應(yīng)力數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映橋梁運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，確保模型輸入的可靠性和精確性。

29、本申請(qǐng)通過有限元分析提取動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)，可準(zhǔn)確表征修復(fù)區(qū)域的應(yīng)力分布特性，為裂紋擴(kuò)展預(yù)測提供關(guān)鍵的物理特性描述。

30、本申請(qǐng)通過數(shù)據(jù)融合和預(yù)處理提高了數(shù)據(jù)的一致性和有效性，構(gòu)建高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集，為深度學(xué)習(xí)算法提供優(yōu)質(zhì)的訓(xùn)練樣本，提升模型精度。

31、本申請(qǐng)利用深度學(xué)習(xí)挖掘時(shí)間序列特征，結(jié)合斷裂力學(xué)理論構(gòu)建模型，可動(dòng)態(tài)預(yù)測裂紋擴(kuò)展行為，顯著提高剩余壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性。

32、本申請(qǐng)通過性能退化規(guī)律預(yù)測剩余壽命，并結(jié)合多級(jí)預(yù)警機(jī)制，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患，為橋梁養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)指導(dǎo)，提升運(yùn)行安全性。

33、本申請(qǐng)的方法通過結(jié)合有限元分析、深度學(xué)習(xí)算法和斷裂力學(xué)理論，全面提升了修復(fù)后橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)估和壽命預(yù)測的精度，能夠?qū)崟r(shí)預(yù)警潛在風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化橋梁維護(hù)管理策略，確保橋梁運(yùn)行的安全性與可靠性。

技術(shù)特征：

1.一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，其特征在于，在修復(fù)疲勞裂紋后的橋梁結(jié)構(gòu)上布置應(yīng)變傳感器和載荷傳感器，實(shí)時(shí)采集橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，其特征在于，根據(jù)采集到的載荷數(shù)據(jù)，設(shè)置有限元模型的載荷工況；載荷的時(shí)間歷程與采集到的載荷時(shí)間序列相同，載荷的加載頻率與采樣頻率一致；設(shè)置多個(gè)載荷工況，分別對(duì)應(yīng)不同的載荷水平和加載方式；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，其特征在于，將采集到的載荷時(shí)間序列數(shù)據(jù)和應(yīng)變時(shí)間序列數(shù)據(jù)與提取的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行多維度融合，構(gòu)建融合數(shù)據(jù)集；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，其特征在于，基于長短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)lstm模型構(gòu)建裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型，設(shè)計(jì)lstm模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述lstm模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括輸入層、lstm層、全連接層和輸出層；所述輸入層用于輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；所述lstm層由多個(gè)lstm單元組成，每個(gè)lstm單元包含輸入門、遺忘門、輸出門和記憶單元，用于學(xué)習(xí)和記憶時(shí)間序列數(shù)據(jù)的特征；所述全連接層用于提取lstm層輸出的特征，并將特征映射到裂紋擴(kuò)展速率的預(yù)測值；所述輸出層采用線性激活函數(shù)，輸出預(yù)測的裂紋擴(kuò)展速率值；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，其特征在于，引入線彈性斷裂力學(xué)理論，將裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍建立關(guān)系；采用paris公式描述裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系，并計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，其特征在于，根據(jù)剩余壽命預(yù)測值，對(duì)修復(fù)后結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行多級(jí)預(yù)警；設(shè)置預(yù)警閾值和報(bào)警閾值，當(dāng)剩余壽命預(yù)測值低于預(yù)警閾值時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)；當(dāng)剩余壽命預(yù)測值低于報(bào)警閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

8.一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測系統(tǒng)，其用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法，其特征在于，包括：數(shù)據(jù)采集模塊、特征提取模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、剩余壽命預(yù)測模塊以及多級(jí)預(yù)警模塊；

9.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括：處理器和存儲(chǔ)器，其中，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有可供處理器調(diào)用的計(jì)算機(jī)程序；所述處理器通過調(diào)用所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序，執(zhí)行權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于：儲(chǔ)存有指令，當(dāng)所述指令在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，使得計(jì)算機(jī)執(zhí)行如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測方法。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種鋼結(jié)構(gòu)橋梁疲勞裂紋修復(fù)后壽命預(yù)測系統(tǒng)及方法；方法包括：采集修復(fù)疲勞裂紋后的橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中的載荷數(shù)據(jù)和應(yīng)力數(shù)據(jù)；結(jié)合疲勞裂紋修復(fù)區(qū)域的應(yīng)力分布特性，提取動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)；對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征參數(shù)進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)融合和預(yù)處理，構(gòu)建用于訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)集；結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法和斷裂力學(xué)理論，構(gòu)建裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型與剩余壽命預(yù)測模型；根據(jù)橋梁運(yùn)行狀態(tài)和修復(fù)區(qū)域的性能退化規(guī)律，預(yù)測修復(fù)后結(jié)構(gòu)的剩余壽命，并進(jìn)行多級(jí)預(yù)警。本申請(qǐng)?zhí)峁┑姆椒軌驅(qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)性能評(píng)估和壽命預(yù)測并潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，確保橋梁運(yùn)行的安全性與可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：王賢強(qiáng),戚家南,陸軍,王景全,唐愷,柳江濤,楊羿,周倩,孟令濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇交科集團(tuán)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8