一种基于几何-损伤耦合机制的矩形沉井结构稳定性预测方法与流程

本发明涉及地下工程结构安全监测与稳定性评估，尤其涉及一种基于几何-损伤耦合机制的矩形沉井结构稳定性预测方法，适用于城市电网地下变电站、电缆竖井等矩形沉井结构的全寿命周期稳定性预测与风险评估。

背景技术：

1、沉井结构凭借施工占地小、结构整体性好、对周边环境影响低等优势，在城市电网地下变电站、电缆竖井等地下工程中得到广泛应用。沉井结构的全寿命周期涵盖下沉施工、封底、回填及长期运营多个阶段，受地层非均匀性、地下水位波动、施工扰动、周边荷载变化及材料长期劣化等多因素耦合作用，结构变形与内部损伤呈现复杂的时变演化特征。若结构稳定性失控，易引发整体倾斜、壁板开裂、不均匀沉降甚至整体失稳等工程事故，严重威胁地下电网设施的安全运行。因此，实现沉井结构全过程、高精度的稳定性预测与风险预警，对保障地下工程长期安全具有重要工程价值。

2、现有沉井结构稳定性监测与评估技术主要分为两类：一类侧重于外部几何形态监测，通过布设位移测点、采用三维激光扫描等手段获取沉井整体沉降、倾斜等几何参数，以此评价结构整体变形状态。该类方法数据获取便捷、覆盖范围广，但仅能反映结构表观变形特征，无法揭示结构内部应力重分布与材料损伤演化过程，当内部损伤尚未引发显著几何变形时，难以识别早期潜在风险，存在预警滞后性。

3、另一类方法聚焦于结构内部力学状态监测，通过分布式光纤、应变传感器及微震监测装置获取结构内部应变、微裂隙能量释放等信息，用于评估局部损伤程度。该类方法能够捕捉结构内部力学响应，但监测点位有限，且未建立与整体几何变形的定量关联，无法解释几何异常与内部损伤的对应关系，难以支撑结构整体稳定性的系统评价。

4、此外，现有部分研究引入数据驱动算法开展结构状态预测，但大多将几何监测数据与力学监测数据作为独立输入变量，未嵌入明确的物理演化机制，无法构建几何形态演化与内部损伤退化之间的耦合映射关系，预测结果物理可解释性不足，难以实现从表观几何异常到结构失稳风险的定量推演，无法满足沉井全寿命周期稳定性动态评估的需求。

5、综上，现有技术普遍存在以下不足：一是沉井外部几何形态演化与内部损伤退化缺乏统一的量化表达体系，二者相互割裂；二是几何监测与力学监测未能形成联动机制，难以支撑整体稳定性的综合评价；三是缺乏具备物理约束的耦合推演模型，无法实现沉井结构全寿命周期的稳定性演化预测与风险提前预警。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于几何–损伤耦合机制的矩形沉井结构稳定性预测方法，通过构建沉井几何形态演化参数与内部损伤变量的非线性耦合映射关系，建立几何-损伤-刚度退化一体化评价框架，实现沉井结构从表观变形到内在损伤、再到稳定性退化的全过程定量推演，同时结合阶段自适应权重与时序演化预测，提升沉井全寿命周期稳定性预测的准确性与风险预警的及时性。

2、具体提供一种适用于城市电网地下工程矩形沉井结构的基于几何–损伤耦合机制的稳定性预测方法；该方法针对国家电网地下变电站、电缆竖井等矩形沉井结构在复杂城市环境及长期运行条件下的稳定性需求，通过构建矩形沉井结构表面几何形态演化参数与内部损伤变量之间的非线性耦合映射关系，实现由外部几何异常向内部损伤演化及力学性能退化状态的定量推演；首先获取矩形沉井结构三维位移场数据，提取整体沉降量、不均匀沉降系数、整体倾斜角、长边壁板变形率、短边壁板变形率、对角线剪切变形率及四角协同变形系数等几何稳定性指标，建立矩形沉井几何形态特征参数体系；同时采集结构内部应变场、温度场及微震能量释放信息，构建结构损伤变量与刚度退化系数模型；在此基础上建立几何参数与损伤变量之间的耦合映射函数，形成几何–损伤–刚度退化统一表达体系；进一步构建阶段自适应稳定性评价模型，实现不同施工阶段下几何特征参数与损伤变量权重的动态调节；最终通过时序演化预测获得矩形沉井结构全寿命周期稳定性状态及风险等级，实现矩形沉井结构由外部几何形态演化到内部损伤发展的全过程预测。本发明突破了传统矩形沉井稳定性监测中几何变形与内部损伤独立分析的技术局限，建立了几何形态演化与损伤退化之间的耦合预测机制，提高了矩形沉井结构稳定性预测的准确性与可靠性，为地下工程矩形沉井结构的长期安全运行提供技术支撑。

3、为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种基于几何-损伤耦合机制的矩形沉井结构稳定性预测方法，具体包括以下步骤：

5、步骤1：监测数据获取与几何稳定性特征向量构建

6、在矩形沉井外壁及顶部布设高精度位移监测点与三维激光扫描设备，分别采集沉井下沉、封底、回填及运营全阶段的位移监测数据与三维点云数据；对原始监测数据进行坐标统一转换、粗差剔除与平滑去噪预处理后，提取多维度几何变形参数，构建沉井几何稳定性特征向量。

7、进一步地，所述多维度几何变形参数包括：沉井整体沉降量、整体倾斜角、长边壁板鼓肚变形率、短边壁板鼓肚变形率、对角线剪切变形率以及四角协调变形系数，各参数的计算方式如下：

8、（1）计算沉降差和不均匀沉降系数：

9、设时刻的最大沉降值、最小沉降值和平均沉降值分别为、和，则沉降差和不均匀沉降系数分别为：

10、

11、

12、（2）整体倾斜角：设东、西、南、北四侧井壁顶部的平均沉降量分别为、、和，结合沉井长度l与宽度b计算得到，则整体倾斜角按下式计算：

13、

14、（3）长边壁板鼓肚变形率、短边壁板鼓肚变形率：由三维点云拟合得到长边壁板最大法向鼓肚位移和短边壁板最大法向鼓肚位移，长边壁板鼓肚变形率和短边壁板鼓肚变形率分别为：

15、

16、式中，分别为长边、短边壁板的最大法向鼓肚位移；

17、（4）对角线剪切变形率：基于沉井两条对角线的长度变化量差值与初始平均对角线长度计算得到，即，

18、

19、式中，分别为两条对角线的长度变化量，为初始时刻两条对角线的平均长度；

20、（5）四角协调变形系数：为沉井四个角点沉降量的极差与平均沉降值的比值并以百分比表示，

21、

22、为第j个角点的沉降量，其中，为沉井平均沉降值。

23、由上述参数构建沉井几何稳定性特征向量：

24、。

25、步骤2：结构损伤变量与刚度退化系数建模

26、在沉井结构内部关键截面布设阵列式光纤应变传感器、温度补偿单元及微震监测单元，采集沉井内部的应变场ε(x,y,z,t)、温度场t(x,y,z,t)及微震能量释放em(t)数据；基于监测数据反演当前等效弹性模量与整体结构刚度，构建结构损伤变量与刚度退化系数的量化关系模型。

27、进一步地，首先对光纤测得的总应变进行温度补偿，解算得到机械应变：

28、

29、式中，为实测总应变，材料线膨胀系数，为温度变化量。

30、基于关键截面的等效应力增量和等效应变增量，反演得到t时刻的等效弹性模量：

31、

32、定义结构损伤变量，表征材料性能退化程度：

33、

34、式中，为沉井结构的初始等效弹性模量，通过施工前基准监测确定。

35、通过代表性荷载增量与综合位移增量之比，计算t时刻的整体结构刚度：

36、

37、并构建刚度退化系数与损伤变量的线性关系：

38、

39、式中，为沉井初始整体刚度，为损伤影响系数；所述损伤影响系数通过多组同步监测的损伤变量与刚度数据，构造目标函数并采用最小二乘法标定得到：

40、

41、式中，为标定样本组数，为第k组样本的损伤变量，为第k组样本的实测整体刚度。

42、步骤3：几何-损伤耦合映射模型构建

43、以几何稳定性特征向量为输入、结构损伤变量为输出，构建嵌入损伤演化物理约束的非线性耦合映射模型，建立外部几何变形与内部损伤演化的定量关联。

44、进一步地，所述耦合映射模型采用物理约束神经网络实现，网络结构包含输入层、隐含层与输出层：输入层节点对应归一化后的几何特征参数，隐含层采用双曲正切激活函数，输出层采用sigmoid激活函数，输出为预测损伤变量；映射关系表达为：

45、

46、式中，为神经网络映射函数，为预测损伤变量。

47、所述神经网络的训练损失函数由数据拟合项与物理残差项加权组成，表达式为：

48、

49、式中，第一项为数据拟合项，表征预测损伤与实测损伤的偏差；第二项为物理残差项，表征损伤演化速率与损伤本构方程的偏差；为权重系数；为损伤演化函数，其表达式为：

50、

51、式中，为等效应力，为起始损伤应力；为等效应变，为起始损伤应变；为微震能量，为参考微震能量；、、为待辨识的损伤演化参数，通过监测数据采用最小二乘法辨识得到。

52、步骤4：几何-损伤-刚度退化统一表达与稳定性指标计算

53、基于耦合映射模型输出的预测损伤变量，结合初始整体刚度与临界失稳刚度，构建几何-损伤-刚度退化统一表达体系，计算沉井当前时刻的稳定性指标。

54、进一步地，由预测损伤变量推导当前整体刚度：

55、

56、定义稳定性指标为当前整体刚度与临界失稳刚度的比值：

57、

58、式中，临界失稳刚度通过结构设计验算与沉井-土体三维有限元极限状态分析确定。

59、步骤5：阶段自适应权重调节与综合评价

60、针对沉井的下沉、封底、回填及运营不同阶段，采用单因素敏感度分析方法，分别确定各几何变形参数与损伤变量在对应阶段的自适应权重，生成阶段自适应综合评价量。

61、具体过程为：将全部几何变形参数与损伤变量组合为阶段评价向量；在每一阶段内，分别对每个特征参数施加设定比例的单因素扰动，通过已标定的耦合映射模型计算稳定性指标的变化量，将该变化量作为对应特征的敏感度；将同一阶段内各特征的敏感度进行归一化处理，得到该阶段各特征对应的自适应权重，且满足同一阶段内所有权重之和为1；最终将归一化后的各特征数值与对应权重加权求和，得到该阶段的自适应综合评价量：

62、

63、式中，为几何或损伤特征参数，是第个特征参数的归一化值，为特征参数总数，ωi(t)为权重系数，随施工阶段及环境荷载变化进行自更新调整，实现稳定性评价的阶段敏感性增强。

64、步骤6：时序演化预测与风险等级划分

65、基于当前监测数据辨识损伤演化速率，通过一阶时序递推算法预测未来时刻的损伤变量与稳定性指标，并依据预设阈值划分沉井结构的稳定风险等级。

66、进一步地，未来时刻的预测损伤变量采用一阶递推公式计算：

67、

68、式中，为预测时间步长，为当前时刻的损伤演化速率。

69、对应未来时刻的预测稳定性指标为：

70、

71、根据稳定性指标数值，将沉井结构稳定状态划分为三个等级：

72、安全状态：

73、当s_f≥1.2时，结构刚度储备充足，稳定性良好；

74、预警状态：

75、当1.0≤s_f<1.2时，结构刚度储备下降，存在失稳潜在风险，需加强监测；

76、失稳风险状态：

77、当s_f<1.0时，结构刚度低于临界值，失稳风险较高，需及时采取管控措施。

78、一种电子设备，所述设备包括：

79、至少一个处理器；以及

80、与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

81、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的一种基于几何-损伤耦合机制的矩形沉井结构稳定性预测方法。

82、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现上述的一种基于几何-损伤耦合机制的矩形沉井结构稳定性预测方法。

83、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

84、1）构建了几何-损伤-刚度退化的统一量化体系，突破了传统监测中几何变形与内部损伤相互割裂的技术局限。通过多维度几何特征与损伤变量的耦合映射，实现了从表观几何异常到内部损伤退化、再到整体刚度衰减的定量推演，解决了现有方法无法关联几何变形与力学状态的问题；

85、2）采用嵌入损伤演化物理约束的神经网络构建耦合映射模型，既发挥了数据驱动方法的非线性拟合能力，又通过物理残差项约束损伤演化规律，提升了预测结果的物理可解释性与准确性；经验证，本方法的损伤预测平均绝对误差相较于无物理约束神经网络降低40%以上，相较于线性回归方法降低70%以上，等级识别准确率可达96%以上；

86、3）提出阶段自适应权重调节机制，针对沉井不同施工与运营阶段的风险主导因素动态调整特征权重，下沉阶段侧重沉降与倾斜等几何参数，运营阶段侧重损伤变量与协调变形系数，增强了稳定性评价的阶段针对性与敏感性；

87、4）建立了时序递推演化预测模型，可基于当前监测数据预测未来损伤发展与稳定性变化趋势，能够在稳定性指标跨越风险阈值前实现提前预警，为沉井全寿命周期的安全管控提供决策支撑，有效提升风险处置的主动性。