[精品]安全监测模型综述.doc

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1、安全监控模型综述蒋敏卫06204080011利用数学模型进行建筑物安全监控的思路建筑物安全监控的一般思路是：将被观测到的因变量的值同数学模型在相同外界环境下计算的理论值相比较。通常实测值同理论值之间存在差杲，如果差异是在预测的统计允差范围内，则认为建筑物性态正常。否则，认为建筑物的性态不正常，此吋应进一步研究结构的安全状况。在确认结构物属安全的条件下，则应对数学模型进行修正。2安全监控的基本性态模型从建筑物安全监控的一般思路可知，进行建筑物安全监控除了加强观测外，还必须建立能反应建筑物性态的数学模型，即建立建筑物实测效应量同环境量之间的数学关系式。经过数十年的研究，至今建筑物的性态模

2、型大体有三类基本模型：靠历史测值的经验关系建立的统计模型，靠物理力学关系建立的确定性模型和同吋依靠二者的混合模型。2・1统计模型按其木质来说，这是一种后验模型。它需要有在某一合适观测期内按吋序排列的效应量和环境观测的系列数据，用回归方程建立它们之间的札I互关系，即统计模型。该模型用來解释建筑物的过去性态或预测将要发牛的变化。对于混凝土大坝，它的观测量（如位移、应力等）的变化值（当前观测值与初始值之差）由水位、温度和吋效三因子综合牛成。故统计模型的基本构成形式为:y（t）=yH（t）+yT（t）+y【（t）+yo+e上式屮：y（t）为某点观测量在时刻t的统计估计值；yH（t）、yT（t

3、）、y（（t）依次为水位、温度、时效分量；yo为常数项；c为误差。各因子分量的构造形式以物理机制为基础。水位分量一般用幕多项式表达为：#1如（t）=aQ+XailH』t）-HJI上式屮：缶为统计系数；Ho为基准水位；丹为日平均水位；n为最高方次。温度分量表达式取为：myr（0=SbjTj（t）住I上式屮：bj为统计系数；Tj为特征时段的平均气温；H1为特征时段数。吋效分量表达式一般为：寸（t）=Co+0+c2In0上式小：C（）、C］、C2为统计系数。2.2确定性模型用结构分析的方法确定效应量和环境量之间的关系，称为确定性模型（先验模型）。建筑物的结构分析一•般采用强度理论或有限元法

4、來完成。当模型建立后,还必须根据建筑物的实际混凝土和地基岩石弹性模量及温度膨胀系数进行调整。仍以大坝位移为例，其确定性模型的建立过程如下：同样，大坝变形主要受水压、温度以及吋效的影响，因而大坝任一点变形8可表示成:6=fH(t)+fr(t)+fo(t)上式中:fT(t),fo(t)分别表示位移的水压、温度和时效分量。下面简述建立这三个分量表达式的原理。2.2.1水压位移分量fH(t)利用试验或设计所确定的坝体弹性模量Ec和坝基变形模量Er,用有限元计算不同水深Hi(i=l,2,,,n,n为水深组数)作用下，大坝位移测点处的位移§Hi(i=l，2,,,n),对于拱坝,Hi与§Hi的关系

5、可用下列多项式表示:式屮：H为上下游水位差；幼为待定系数，用最优化方法求得。2.2.2温度位移分量fT(t)(1)等效温度的计算平均温度T和温度梯度B的计算公式如下:12叭-6AJ3式屮：B为温度计层处的坝体厚度，A(、M(按下式计算：A(=0・5刀(7冷］+T)(x^-x),1=0n~1M

6、二0.25刀(

7、+TJ(x+xt)(x-xJ.n根据各坝段各层温度计的实测值及其坐标，可求得T、B值。(2)温度位移分量计算用等效温度直接计算温度位移，每次均需调用有限元程序计算，历时长，难以达到实时监控的需求。为此，可采用单位等效温度首先计算单位温度作用下的位移(即载常数)，然后，求

8、出任意吋刻的位移值。计算温度作用吋，往往遇到单位温度作用跨越有限元的多个网格，及单位温度不一定在有限元网格的棱边和结点上等问题。为此可以用形函数法计算，即单位等效温度在有限元网结点上引起的温度值等于该点的形函数值。因处理温度计实测值时，采用等效温度(平均温度和温度梯度)，因此，可以认为坝体内部有限元网格结点上的温度分布是线性的。这样，分析温度位移时，在满足精度的前提下，采用载常数方法进行分析计算，可求出任一吋刻相对于初始时刻的温度位移§T，即mm5t=fv(t)=力加砧+aPj式屮：§丁为计算点的变温位移；bli,b2i分别为第i层单位等效温度的平均温度、温度梯度在计算点处产牛的载常

9、数；ATi,ABi分别为监测时刻第i层等效温度的平均值、梯度与初始时刻的平均值、梯度的差值。2.2.3时效位移分量f®根据试验资料，坝基花岗岩和坝体混凝土受力变形的吋间效应，应采用不同的粘弹性本构模型分别进行模拟。(1)基岩的粘弹性本构模型根据试验结果分析，坝基花岗岩的粘弹性本构模型可采用伯格斯模型，如图lo图1伯格斯模型示意图伯格斯模型是由凯尔文模型和马克斯威尔模型串联而成，其总应变是凯尔文模型的应变和马克斯威尔模型的应变Z和。在三维应力状态下，凯尔文模