本发明涉及一种桥梁抗弯刚度分布识别方法，具体为基于多转角影响线信息对存在刚度退化的中小跨径桥梁抗弯刚度进行识别的方法和装置，属桥梁检测领域。
背景技术：
1、桥梁结构在服役期间，由于环境腐蚀和材料老化等多种因素，不可避免的出现刚度退化和结构承载能力降低的问题，严重时将引起安全隐患。桥梁抗弯刚度包含了桥梁几何和物理参数信息，可直观反映桥梁的健康状态。因此，有效、准确的识别桥梁抗弯刚度分布对桥梁安全运维至关重要，成为近年热门的研究方向。
2、传统的桥梁抗弯刚度退化识别方法主要基于桥梁动力测试或静力测试。桥梁动力测试由于其便捷性的优势受到学者们的青睐，同时动态响应也存在对环境变化敏感的不足。与动态响应相比，桥梁的静态响应表现出较高的信噪比，然而桥梁的静载试验需要多辆加载车长时间加载，存在经济性和时效性上的不足。近期，学者们提出一种基于移动车辆过桥的新型加载方式，并采用影响线来评估桥梁抗弯刚度的退化。其中挠度影响线是最广泛采用的影响线，其对刚度退化敏感，并有较多成熟的提取方法，可从移动荷载试验中获得。
3、在挠度测试中，接触式测量具有较高的精度，这同时需要在测量点附近存在工作平面来固定传感器。而桥梁的最大挠度通常发生在跨中位置，难以提供合适的工作空间进行挠度测试，这影响了挠度测试在桥梁评估中的应用。与挠度响应类似，桥梁转角响应是结构变形的另一种形式，同样反映了抗弯刚度的退化。近年来，许多学者采用桥梁转角影响线来识别桥梁抗弯刚度。需要指出的是，支座附近的转角通常大于其他截面，这使其成为识别桥梁抗弯刚度的理想参数。此外，支座附近的截面位于桥墩上方，为测量提供了合适的工作平台。与桥梁跨中挠度相比，支座截面的转角响应在测量的便捷性上具有显著优势。
技术实现思路
1、针对既有桥梁刚度识别方法的不足，本发明提出一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法和装置。
2、本发明引入多种刚度分布函数模拟抗弯刚度分布，并以多转角影响线为目标来估计函数中的参数，实现桥梁抗弯刚度分布识别。
3、本发明的第一个方面涉及一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法，包括以下步骤：
4、a.开展桥梁移动荷载试验，提取桥梁支座截面的转角影响线；
5、a1.开展桥梁移动荷载试验，测试桥梁转角响应。可采用一辆已知轴重、轴距和轴数的试验车辆，根据实际情况控制车辆均匀慢速行驶过梁。对整个试验过程，以合理采样频率采集桥梁支座处的转角响应；
6、a2.从桥梁移动荷载响应中提取桥梁转角影响线，作为识别桥梁抗弯刚度的基础数据。专利(专利号：201510212858.9)提出基于影响线的损伤检测方法时，其影响线提取环节采用“多段基函数拟合法”，用于准确描述提取桥梁的影响线信息。
7、b.建立桥梁抗弯刚度与多转角影响线的关系；
8、b1.求解一般梁的计算模型。一般梁的边界条件可简化为具有旋转刚度的约束弹簧。对于连续梁，约束弹簧可认为是其他跨对简化梁段的约束，弹簧刚度可通过在梁端施加单位力偶的方式计算：
9、
10、式中，kij是各跨的旋转刚度；θi是第i个支座截面的转角。约束弹簧的刚度可由端部转角计算：
11、
12、式中，k是约束弹簧的刚度；θ1是第1个支座截面的转角。
13、b2.根据桥梁抗弯刚度，推导一般桥梁结构的转角影响线。根据单位荷载定理，结构位移可通过实际荷载下的弯矩m(x,x)、虚拟荷载下的桥梁弯矩和抗弯刚度ei(x)来计算。转角影响线可表示为：
14、
15、式中，m(x,x)为单位力作用在x位置，横梁x截面处的弯矩，可表示为：
16、
17、式中，lb为跨长；m1和m2为弹簧约束弯矩，可根据力法计算：
18、
19、数值运算中，转角影响线与桥梁抗弯刚度的关系可采用矩阵形式表示：
20、
21、式中，ri是i测点的转角影响线向量；m是荷载弯矩矩阵；是虚拟力的弯矩矩阵；e是与桥梁抗弯刚度相关的向量；ni是i测点的抗弯刚度与转角影响线的变换矩阵。
22、c.选择合适的分布函数模拟桥梁抗弯刚度分布；
23、c1.引入分布函数模拟桥梁抗弯刚度，建立分布函数参数与桥梁转角影响线的关系。桥梁抗弯刚度相关的向量e可采用分布函数描述：
24、
25、式中，φ为分布函数；y为分布函数中拟待估计的参数。
26、c2.选择合适的抗弯刚度分布函数。根据桥梁类型以及损伤形式，可采用以下函数进行模拟。
27、最常用的是均刚度和均匀折减形式，可表示为：
28、
29、式中，ak为折减的抗弯刚度；bk为损伤中心位置；ld为损伤区域；d为无损的抗弯刚度。
30、对于单一裂缝引起的刚度退化，分布函数可表示为：
31、
32、式中，ak表示曲线的峰值，与损伤程度相对应；bk峰值中心的位置；ck控制损伤的影响范围。
33、对于更复杂的形式，可以引入参数r：
34、
35、式中，ak表示曲线的峰值，与损伤程度相对应；b表示峰值中心的位置，代表损伤位置；ck控制损伤的影响范围；rk控制峰值两侧曲线的斜率。
36、对于变截面梁，在分布函数中加入了形函数，以3跨桥为例，分布函数可表示为：
37、
38、式中，α1,α2,α3控制截面变化的参数；l1,l2,l3,l4是桥跨相关的参数。
39、在损伤未知的情况下，φ3可以更全面地描述桥梁的抗弯刚度，适用于大多数类型的损伤。若前期调研确定的损伤类型符合φ1或φ2函数，采用参数较少的φ1或φ2函数可以简化计算。对变截面梁，则采用φ4函数。
40、d.引入优化算法，以实测多转角影响线为目标，估计分布函数的参数；
41、d1.建立最小二乘优化问题，其旨在找到最佳参数，使预测转角影响线与实测的转角影响线吻合。以实测多转角影响线为目标值，预测影响线为刚度分布函数相关的向量，表示为最小二乘优化问题：
42、
43、rpi＝nie(y)(12b)
44、式中，为2范数；rai和rpi分别为预测转角影响线和实测转角影响线。
45、d2.采用lm优化算法实现模型参数估计，实测多影响线与预测多影响线之间的残差为：
46、
47、式中，δ(y)是残差。当参数产生δy的增量步长，残差可以表示为
48、
49、式中，δy是增量步长；j是e(y)的jacobian矩阵，用于获取函数的梯度。要获得增量步长δy，令δ(y+δy)对δy的导数为0。增量步可解为：
50、
51、式中，i为单位矩阵，λ为控制系数。
52、当连续两次迭代的残差低于预定阈值时，迭代停止。终止标准定义为：
53、δj-δj-1≤ε (16)
54、d3.将模型参数代入分布函数，获取桥梁抗弯刚度分布曲线。桥梁抗弯刚度的识别过程如图2所示。在迭代过程中，ni随抗弯刚度的变化而变化，每次迭代都应根据y更新。
55、本发明的第二个方面涉及一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现本发明的一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法。
56、本发明的第三个方面涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现本发明的一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法。
57、与现有的方法相比，本方法有以下几个优点：
58、(1)本方法以桥梁转角影响线为参数，对桥梁抗弯刚度进行识别。桥梁支座处的转角响应相比其它截面较大，对桥梁刚度退化敏感。同时，其位于桥墩上方，存在合适的工作平台，相比挠度测试具有便捷性优势。
59、(2)本方法针对各种类型的桥梁和抗弯刚度分布，提供了不同的分布函数，以符合其刚度分布特征。该方法可适用于大多数的中小跨径简直梁和连续梁的刚度识别，具有广泛的适应性。
60、(3)本方法采用优化算法，以多转角影响线为目标对刚度参数进行估计。该方法结合多个测量点的数据，相比单测点的方式，在桥梁抗弯刚度分布识别上具有高精度优势。
1.一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法，其特征在于，步骤a具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法，其特征在于，步骤b具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法，其特征在于，步骤c具体包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法，其特征在于，步骤d具体包括：
6.一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别装置，其特征在于，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求1-5中任一项所述的一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现权利要求1-5中任一项所述的一种基于多转角影响线的桥梁抗弯刚度识别方法。
