老旧厂房屋面檩条连接节点剩余寿命的概率密度预测方法与流程

本发明涉及建筑结构监测，尤其涉及一种老旧厂房屋面檩条连接节点剩余寿命的概率密度预测方法。

背景技术：

1、老旧厂房屋面檩条作为屋面系统核心承重构件，主要分为实腹式焊接檩条与轻钢桁架式螺栓连接檩条两类，其连接节点为结构受力与抗疲劳薄弱关键部位，长期服役于腐蚀、交变荷载耦合工况下，易产生腐蚀劣化与疲劳损伤累积。目前，行业针对檩条节点剩余寿命预测的常规技术手段，普遍采用独立的腐蚀损伤计算模型或疲劳损伤计算模型开展损伤评估，少量技术方案采用两类损伤的简单线性叠加方式近似模拟耦合损伤效应；疲劳寿命预测层面，均依赖固定参数的二维s-n经验曲线完成寿命求解，仅适配单一固定腐蚀与荷载工况；模型参数多采用规范默认值或室内试验先验定值，不具备现场数据动态修正能力；寿命预测多依托传统机器学习、神经网络模型实现数据拟合输出，仅能得到确定性寿命结果；同时现有预测方法未区分两类主流檩条的节点结构、连接形式与受力损伤差异，统一采用固定的损伤临界阈值完成构件失效判定与寿命评估；

2、具体的，传统单一损伤或线性叠加模型无法刻画腐蚀、疲劳、应力集中三者的非线性互促耦合机理，不能真实还原节点复杂损伤演化过程，损伤计算精度差；传统二维s-n曲线为静态固定工况模型，无法适配老旧厂房檩条全周期时变腐蚀退化与动态交变荷载工况，长期寿命预测误差大；模型核心参数固定不变，完全依赖经验与理论取值，无法结合现场实测工况修正，导致预测结果存在显著主观不确定性；神经网络类智能预测为纯数据黑箱模型，无物理损伤机理约束，无法建立损伤物理量与寿命概率的关联关系，预测结果可解释性差、可信度低；且采用统一损伤判定标准，无法适配焊接实腹式、螺栓桁架式檩条的差异化失效机理，场景适配性差、失效判定准确率低，难以满足老旧厂房规模化、精准化的结构运维评估需求，因此，本发明提出一种老旧厂房屋面檩条连接节点剩余寿命的概率密度预测方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种老旧厂房屋面檩条连接节点剩余寿命的概率密度预测方法，该老旧厂房屋面檩条连接节点剩余寿命的概率密度预测方法构建腐蚀-疲劳-应力集中三重耦合损伤演化模型，通过引入腐蚀加速系数与疲劳加速系数，定量表征腐蚀与疲劳损伤间的双向耦合放大效应；结合随损伤状态动态更新的时变局部应力集中系数，实现几何应力集中、材料腐蚀劣化、疲劳累积损伤的多场耦合计算，精准刻画檩条节点非线性、互促式真实损伤演化过程，为寿命预测提供可靠物理建模基础。

2、为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种老旧厂房屋面檩条连接节点剩余寿命的概率密度预测方法，包括以下步骤：

3、s1：构建腐蚀-疲劳-应力集中三重耦合损伤演化模型，引入腐蚀、疲劳加速耦合参数，嵌入时变局部应力集中系数，定量刻画檩条连接节点耦合损伤演化规律；

4、s2：以腐蚀时间、应力幅、应力比为自变量，拟合试验数据构建三维时变腐蚀疲劳s-n曲面模型，获取多工况下材料腐蚀疲劳寿命曲面；

5、s3：以多源检测信息为似然函数，构建动态贝叶斯参数更新机制，迭代校准模型随机参数；

6、s4：基于birnbaum-saunders分布建立剩余寿命概率密度输出框架，通过累积损伤量动态拟合分布参数，实现寿命概率密度输出与风险评估；

7、s5：针对实腹式、轻钢桁架式檩条设置差异化损伤临界值判定规则，完成节点剩余寿命精准预测。

8、进一步改进在于：所述s1中，三重耦合损伤演化模型的耦合损伤速率计算公式为：

9、；

10、对损伤速率时域积分得到节点总累积损伤量：

11、；

12、其中，为节点总耦合损伤速率，单位为1/s；d(t)为t时刻檩条连接节点总累积损伤量，无量纲，用于表征节点综合损伤劣化程度；为定积分运算符号，用于对损伤速率进行时域累积计算；t为目标服役时长，单位为s；为积分哑变量，代表任意瞬时服役时间，单位为s；为瞬时时间微元增量；为任意瞬时时刻的节点瞬时耦合损伤速率，单位为1/s；为腐蚀加速系数，无量纲，用于表征疲劳裂纹对局部腐蚀速率的放大倍数；为疲劳加速系数，无量纲，用于表征腐蚀损伤对疲劳裂纹扩展速率的加速倍数；为纯腐蚀损伤速率，单位为1/s；为纯疲劳损伤速率，单位为1/s；为t时刻时变局部应力集中系数，无量纲，随节点腐蚀深度、裂纹长度实时动态更新。

13、进一步改进在于：所述时变局部应力集中系数的更新方式为：基于节点实时腐蚀减薄厚度、疲劳裂纹扩展长度，结合节点几何尺寸参数，每完成一次检测数据更新，同步迭代计算一次应力集中系数，实现损伤演化与应力集中状态的实时耦合更新。

14、进一步改进在于：所述s2中，三维时变腐蚀疲劳s-n曲面拟合公式为：

15、；

16、其中，为多工况下材料疲劳破坏循环次数，单位为次；t为腐蚀服役时间，单位为a；为节点受力应力幅，单位为mpa；为应力比，无量纲；a、b、c、d、e均为试验拟合得到的无量纲曲面常数，由加速腐蚀疲劳试验数据最小二乘法拟合确定。

17、进一步改进在于：所述加速腐蚀疲劳试验的工况设置覆盖老旧厂房常规服役工况，腐蚀时间取值范围为0-20a，应力幅取值范围为50-200mpa，应力比取值范围为0.1-0.9，通过全工况正交试验完成曲面参数拟合。

18、进一步改进在于：所述s3中，动态贝叶斯参数更新的后验概率计算公式为：

19、 ；

20、其中，为模型随机参数的后验概率分布；为模型核心随机参数向量，包含腐蚀速率、裂纹扩展速率、应力集中修正参数；x 为多源检测数据的向量，包含涂层老化等级、最大点蚀深度、裂纹长度检测值；为似然函数，表征检测数据与模型参数的匹配概率；为模型参数的先验概率分布。

21、进一步改进在于：所述多源检测数据均为老旧厂房常规无损检测指标，检测精度满足钢结构现场检测技术标准要求，似然函数采用高斯核函数构建，实现多维度检测数据的融合校准。

22、进一步改进在于：所述s4中，birnbaum-saunders剩余寿命概率密度公式为：

23、；

24、其中，tr为节点剩余寿命，单位为a；f(tr)为剩余寿命对应的概率密度值； 为b-s分布尺度参数，由累积损伤量d(t)通过物理约束映射函数拟合得到； 为b-s分布形状参数，由累积损伤量d(t)梯度变化率动态拟合得到。

25、进一步改进在于：所述s5中，差异化损伤临界判定公式包括两类，轻钢桁架式檩条判定公式：

26、，

27、实腹式檩条判定公式：

28、；

29、其中，为螺栓腐蚀剩余截面率，无量纲；为螺栓剩余截面率临界阈值；为节点板疲劳裂纹长度，单位为mm；为裂纹长度临界阈值；为焊缝腐蚀深度，单位为mm；为焊缝腐蚀深度临界阈值；为热影响区疲劳损伤累积值，无量纲；为疲劳损伤临界阈值。

30、进一步改进在于：所述s5中，差异化的临界阈值均依据行业标准结合老旧厂房服役环境修正得到，适配高温、高湿、腐蚀工业服役场景。

31、本发明的有益效果为：

32、1、本发明构建腐蚀-疲劳-应力集中三重耦合损伤演化模型，通过引入腐蚀加速系数与疲劳加速系数，定量表征腐蚀与疲劳损伤间的双向耦合放大效应；结合随损伤状态动态更新的时变局部应力集中系数，实现几何应力集中、材料腐蚀劣化、疲劳累积损伤的多场耦合计算，精准刻画檩条节点非线性、互促式真实损伤演化过程，为寿命预测提供可靠物理建模基础。

33、2、本发明搭建三维时变腐蚀疲劳s-n曲面模型，以腐蚀时间、应力幅、应力比为三维自变量，通过全工况加速试验拟合得到连续可插值的疲劳寿命曲面，可适配老旧厂房檩条全服役周期内腐蚀持续劣化、荷载动态波动的复杂工况，能够精准计算不同腐蚀程度、不同荷载组合下的疲劳寿命，显著提升长期服役构件损伤累积与寿命预测精度，填补了多工况时变腐蚀疲劳寿命动态预测的技术空白。

34、3、本发明引入多源检测数据驱动的动态贝叶斯参数更新机制，依托涂层老化等级、点蚀深度、裂纹长度等现场无损检测数据构建似然函数，实现模型腐蚀速率、裂纹扩展速率、应力集中修正参数由先验分布向后验分布的迭代校准，使模型参数持续贴合现场真实服役工况，有效消除人为经验偏差，大幅降低剩余寿命预测的主观不确定性，提升模型工程适配性与稳定性。

35、4、本发明建立基于birnbaum-saunders分布的剩余寿命概率密度输出与风险评估框架，以疲劳裂纹扩展为主导失效机制，通过物理约束映射函数，将耦合损伤模型输出的实时累积损伤量动态拟合得到b-s分布参数，实现从物理损伤量到剩余寿命概率密度的可解释性输出，可生成完整寿命概率分布曲线，精准量化失效概率，实现物理机理与统计概率的深度融合，预测结果可信度高、工程指导性强。

36、5、本发明针对两类主流檩条建立差异化损伤临界判定逻辑，根据轻钢桁架式螺栓节点、实腹式焊接节点的不同结构与失效机理，分别设置专属双控损伤判定指标，并结合工业复杂服役环境修正临界阈值，精准匹配两类檩条节点的损伤失效规律，场景适配覆盖率高，显著提升老旧厂房檩条节点损伤判定与寿命预测的工程实用性、精准性。