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专利号: 2023103073056
申请人: 长安大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种落石撞击桥梁失效概率分析方法,其特征在于,所述方法包括:根据桥址确定危险边坡和潜在的落石源,获取边坡基本参数和落石初始参数;

采用正交试验设计方法对所述落石初始参数进行工况设计,获得落石初始参数数据集;对所述落石初始参数数据集进行轨迹模拟,获得落石最终撞击桥墩的撞击参数;其中,所述落石最终撞击桥墩的撞击参数包括撞击速度、撞击高度、撞击角度和落石转速;

建立满足预设条件的落石撞击参数高维联合概率分布模型;

建立满足预设要求的落石撞击桥梁后墩柱剩余承载能力模型;

基于所述落石初始参数进行随机抽样,获得随机的落石初始参数;

基于所述满足预设条件的落石撞击参数高维联合概率分布模型,将所述随机的落石初始参数作为输入参数,对所述落石最终撞击桥墩的撞击参数进行多目标预测输出,获得第一预测输出结果;

基于所述满足预设要求的落石撞击桥梁后墩柱剩余承载能力模型,将所述第一预测输出结果中的撞击速度、撞击高度、撞击角度、落石转速和落石质量作为输入参数,对撞击后墩柱剩余承载能力进行单目标预测输出,获得第二预测输出结果;

计算墩柱结构自身的抗压承载能力,并利用所述第二预测输出结果中的墩柱剩余承载能力,计算撞击后墩柱的损伤指标;将所述撞击后墩柱的损伤指标依取值范围由小到大依次分为低损伤、中等损伤、高损伤和倒塌;获取落石撞击桥墩后发生倒塌的概率;

根据所述第一预测输出结果,统计可能撞击到桥墩的落石数量,并计算落石撞击桥墩的概率;

基于所述随机的落石初始参数,将可能撞击到桥墩的落石依质量轻重依序分为多个等级,并计算落石在对应等级的概率;

获取桥梁处可能发生落石崩塌的概率;

计算桥梁受落石撞击后的失效概率。

2.根据权利要求1所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法,其特征在于,所述根据桥址确定危险边坡和潜在的落石源,获取边坡基本参数和落石初始参数,包括:勘察边坡实际情况,根据边坡地质特征获得边坡基本参数信息,包括边坡岩层组成及分布信息、坡度范围Ф、边坡高度h、各段岩层的法向恢复系数Rn、切向恢复系数Rv和摩擦角θ;

通过实际调查统计,获得落石初始参数信息,包括初始水平速度vx﹑初始竖向速度vy﹑初始转动速度w﹑落石质量M。

3.根据权利要求2所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法,其特征在于,所述采用正交试验设计方法对所述落石初始参数进行工况设计,获得落石初始参数数据集;对所述落石初始参数数据集进行轨迹模拟,获得落石最终撞击桥墩的撞击参数,包括:依据所述边坡基本参数信息建立实际边坡模型;

采用正交试验设计方法对所述落石初始参数进行工况设计,获得多组落石工况,组成所述落石初始参数数据集;

基于所述实际边坡模型对所述落石初始参数数据集进行轨迹模拟,获得所述落石最终撞击桥墩的撞击参数。

4.根据权利要求1所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法,其特征在于,所述建立满足预设条件的落石撞击参数高维联合概率分布模型,包括:将所述落石初始参数数据集作为输入参数,将所述落石最终撞击桥墩的撞击参数作为输出参数,构建落石运动轨迹数据集;将所述落石运动轨迹数据集随机分为第一训练集和第一测试集;

确定随机森林超参数,使用随机森林机器学习方法并利用所述第一训练集对所述落石最终撞击桥墩的撞击参数进行多目标输出学习,获得初始的落石撞击参数高维联合概率分布模型;

利用所述第一测试集对所述初始的落石撞击参数高维联合概率分布模型进行验证,获取满足预设条件的落石撞击参数高维联合概率分布模型。

5.根据权利要求4所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法,其特征在于,所述利用所述第一测试集对所述初始的落石撞击参数高维联合概率分布模型进行验证,获取满足预设条件的落石撞击参数高维联合概率分布模型,包括:利用第一测试集对初始的落石撞击参数高维联合概率分布模型进行准确率验证,若准确率达到阈值则作为最终的落石撞击参数高维联合概率分布模型,若准确率没有达到则优化随机森林超参数,直至准确率达到阈值;其中,阈值取值95%‑99%。

6.根据权利要求1所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法,其特征在于,所述建立满足预设要求的落石撞击桥梁后墩柱剩余承载能力模型,包括:建立桥梁有限元模型;建立落石有限元模型;

以所述落石最终撞击桥墩的撞击参数和所述落石质量为变量,采用Box‑Behnken方法进行落石撞击工况设计,获得落石撞击参数数据集;

基于所述落石撞击参数数据集,利用有限元软件LS‑DYNA计算得到最终撞击后相应的墩柱剩余承载能力;

将所述落石撞击参数数据集作为输入参数,将所述相应的墩柱剩余承载能力作为输出参数,构建落石撞击墩柱后剩余承载能力数据集,将所述落石撞击墩柱后剩余承载能力数据集随机分为第二训练集和第二测试集;

确定XGBoost超参数,使用XGBoost机器学习方法并利用所述第二训练集对所述相应的墩柱剩余承载能力进行单目标输出学习,获得初始的落石撞击桥梁后墩柱剩余承载能力模型;

利用所述第二测试集对所述初始的落石撞击桥梁后墩柱剩余承载能力模型进行准确率验证,获取达到准确率要求的落石撞击桥梁后墩柱剩余承载能力模型。

7.根据权利要求1所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法,其特征在于,所述计算墩柱结构自身的抗压承载能力,并利用所述第二预测输出结果中的墩柱剩余承载能力,计算撞击后墩柱的损伤指标;将所述撞击后墩柱的损伤指标依取值范围由小到大依次分为低损伤、中等损伤、高损伤和倒塌;获取落石撞击桥墩后发生倒塌的概率,包括:计算墩柱结构自身的抗压承载能力ηz,

ηz=0.9(fcdAcor+f′sdA′sd+kfsdAso),其中,fcd为混凝土抗压强度;fsd为箍筋的抗拉强度;f’sd为纵筋抗压强度;Acor为墩柱核心截面面积;A′sd为全部纵筋截面面积;Aso为箍筋换算截面面积;k为箍筋影响系数,混凝土强度等级C50及以下时,取k=2,C50‑C80时,取k=2‑1.7;

计算撞击后墩柱的损伤指标Sg,

g

其中,g表示撞击到桥墩的落石的排序, 表示落石撞击到桥墩的数量,η表示每一次落石撞击桥墩工况下,第二预测输出结果中对应的墩柱剩余承载能力;

获取落石撞击桥墩后发生倒塌的概率P(S│O,H,M),

其中, 表示撞击后墩柱的损伤指标中被分为倒塌的次数。

8.根据权利要求7所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法,其特征在于,所述计算桥梁受落石撞击后的失效概率,包括:根据桥梁处可能发生落石崩塌的概率P(O);

根据落石质量在第i个等级的概率P(Mi|O,H),

其中,β表示可能撞击到桥墩的落石依质量轻重分成的等级数量, 表示可能撞击到桥墩的落石中落石质量在第i个等级的数量;

根据落石撞击桥墩的概率P(H│O),

其中,γ表示所述落石初始参数进行随机抽样时的抽样次数;

根据落石撞击桥墩后发生倒塌的概率P(S│O,H,M);

获得桥梁受落石撞击后的失效概率R。

9.一种电子设备,其特征在于,所述电子设备包括:

存储器,用于存储计算机可执行指令;

处理器,用于执行所述存储器中存储的计算机可执行指令时,实现权利要求1至8任一项所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法。

10.一种计算机可读存储介质,存储有计算机可执行指令,其特征在于,所述计算机可执行指令被处理器执行时,实现权利要求1至8任一项所述的落石撞击桥梁失效概率分析方法。