一种基于孪生仿真的桥梁加固分析方法与流程

本发明涉及孪生仿真，尤其涉及一种基于孪生仿真的桥梁加固分析方法。

背景技术：

1、孪生仿真技术是指通过建立与现实物理对象、工程结构或运行系统具有对应关系的数字化虚拟实体，并将几何结构参数、材料性能参数、环境作用参数、荷载响应参数及运行状态参数映射至虚拟实体中，利用数值计算、状态更新、时序演化及多工况仿真，实现对实体对象运行状态的动态表征、过程复现、性能预测和方案验证的技术。

2、现有孪生仿真通常将几何结构参数、材料性能参数、环境作用参数、荷载响应参数及运行状态参数映射至数字化虚拟实体，再依靠状态更新、时序演化及多工况计算反映实体对象运行状态，在实际桥梁加固分析过程中，此类运作模式更偏向对既定结构状态和既定工况进行复现与预测，各类参数虽然能够进入同一虚拟实体，但加固构造参数、长期环境侵蚀、结构损伤演化、极端动力响应及工程成本之间容易形成相互分离的计算链条，导致某一加固参数发生调整后，其影响难以连续传递至后续服役阶段。例如外包钢板厚度发生变化时，常规孪生仿真可能仅体现刚度或承载能力变化，而厚度变化对腐蚀防护持续时间、氯离子侵入进程、后续截面损伤以及长期抗震性能的连续影响容易被弱化，使同一加固方案在短期结构响应中表现适宜，但在较长服役周期内仍可能出现耐久性衰减偏快的问题。因此，需要进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于孪生仿真的桥梁加固分析方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种基于孪生仿真的桥梁加固分析方法，包括以下步骤：

3、s1，获取初始设定的碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度及减隔震支座水平刚度；依据所述外包钢板厚度与所述碳纤维布粘贴层数构建的防护边界延迟时间与预设服役年限序列，获取氯离子浓度时空分布矩阵；根据所述氯离子浓度时空分布矩阵更新桥梁孪生仿真模型，生成服役时变截面损伤特征集；

4、s2，根据所述服役时变截面损伤特征集，生成时变耐震激励时程序列样本；将所述时变耐震激励时程序列样本输入所述桥梁孪生仿真模型，提取弹塑性位移角响应数据；根据所述弹塑性位移角响应数据生成极值动力易损演化曲面；

5、s3，根据所述极值动力易损演化曲面，获取全生命周期抗震韧性标量值；根据所述全生命周期抗震韧性标量值与加固建造成本，得到韧性成本综合效用指标，构建深度强化学习加固策略评估环境；

6、s4，在所述深度强化学习加固策略评估环境中，输出动作参数调整增量，并将所述碳纤维布粘贴层数对应的连续态调整增量离散化映射为整数步长，生成加固参数迭代摄动步长，获取新一组碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度及减隔震支座水平刚度；根据更新后的所述外包钢板厚度与所述碳纤维布粘贴层数，重新更新所述防护边界延迟时间并循环迭代，直至满足迭代停止条件时，建立最优桥梁抗震加固参数组合。

7、较佳地，所述氯离子浓度时空分布矩阵的获取步骤为：

8、获取初始设定的碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度及减隔震支座水平刚度，按照桥梁结构空间位置划分连续网格单元，给各网格单元建立唯一空间编号，调用氯离子扩散系数、将所述外包钢板厚度与所述碳纤维布粘贴层数代入防护材料降解经验公式计算得到腐蚀起始延迟时间，以扣除所述腐蚀起始延迟时间后的实际扩散时间修正预设服役年限序列，按照修正后的预设服役年限序列逐个推进时间节点，计算相邻时间节点对应网格单元的氯离子浓度变化量，按空间编号及时间节点排列浓度计算结果，获取氯离子浓度时空分布矩阵。

9、较佳地，所述服役时变截面损伤特征集的获取步骤为：

10、根据所述氯离子浓度时空分布矩阵，逐项读取各空间编号在预设服役年限序列中的氯离子浓度变化，识别达到锈蚀触发条件的空间编号，按照对应时间节点连续累计锈蚀速率得到加固界面的时变腐蚀深度分布值，将时变腐蚀深度分布值映射至桥墩纤维截面离散单元，按腐蚀深度折减对应离散单元的有效截面积，将折减后的有效截面积乘以钢材屈服应力衰减系数，更新各离散单元刚度项，得到更新后的桥梁加固微元刚度矩阵；

11、根据所述更新后的桥梁加固微元刚度矩阵，按照桥墩纤维截面离散单元的空间编号回填对应刚度项，依照预设服役年限序列逐个读取各离散单元的更新刚度，计算同一截面在相邻服役年限下的抗弯刚度变化量，按截面位置汇总抗弯刚度衰减结果，逐个累加各截面对应的轴压比变化结果，将抗弯刚度衰减结果、轴压比累加结果按照服役年限及截面位置对应排列，生成服役时变截面损伤特征集。

12、较佳地，所述弹塑性位移角响应数据的获取步骤为：

13、根据所述服役时变截面损伤特征集，按照预设服役年限序列读取各服役年限对应的截面抗弯刚度衰减结果、轴压比累加结果，提取桥址场地目标反应谱对应的周期序列、各周期谱值及阻尼比参数，以桥址场地目标反应谱对应各周期谱值作为匹配基准，按照时间顺序设置连续激励时刻，逐个调整连续激励时刻对应的加速度幅值，按照频率区间分配各连续激励时刻的频谱能量，约束后一激励时刻的加速度幅值不小于前一激励时刻的加速度幅值，约束后一激励时刻的累计频谱能量不小于前一激励时刻的累计频谱能量，逐轮计算生成时程对应谱值相对于桥址场地目标反应谱各周期谱值的偏差，保留谱值偏差连续减小对应的加速度时程，生成时变耐震激励时程序列样本；

14、根据所述时变耐震激励时程序列样本，按照各样本的时间序列逐点读取加速度幅值，将各时间点的加速度幅值依次施加至具有所述服役时变截面损伤特征集的桥梁孪生仿真模型离散节点，按照相邻时间点的时间间隔连续推进动力响应计算，在每个时间点更新离散节点的位移、速度、加速度及恢复力，根据所述服役时变截面损伤特征集对应的截面刚度状态修正桥墩截面受力响应，逐时记录桥墩顶部横向位移及桥墩有效高度，计算每个时间点对应的桥墩位移角，保留各次仿真全过程中进入弹塑性响应阶段的桥墩位移角及对应时间位置，得到弹塑性位移角响应数据。

15、较佳地，所述极值动力易损演化曲面的获取步骤为：

16、根据所述弹塑性位移角响应数据，按照预设服役年限序列、所述时变耐震激励时程序列样本及不同破坏状态分别整理桥墩位移角响应，逐项比较桥墩位移角响应与各破坏状态对应的极限状态界限，记录每次仿真是否发生极限状态超越，统计相同服役年限、相同激励强度条件下的超越次数及仿真总次数，连续调整各破坏状态对应的概率分布参数，使全部仿真超越结果对应的联合出现可能性达到最大，依据调整后的概率分布参数计算不同服役年限、不同激励强度及不同破坏状态下的极限状态超越概率，按照服役年限轴、激励强度轴及极限状态超越概率轴排列计算结果，生成极值动力易损演化曲面。

17、较佳地，所述全生命周期抗震韧性标量值的获取步骤为：

18、根据所述极值动力易损演化曲面，按照预设服役年限序列逐项读取不同服役年限对应的极限状态超越概率，依照不同破坏状态对应的功能损失程度，将各极限状态超越概率转换为对应服役年限下的剩余功能水平，按照相邻服役年限的时间间隔对剩余功能水平进行分段累计，分别计算各时间区段对应的功能保持量，将全部时间区段的功能保持量按照服役时间顺序连续累加，并依据全生命周期持续时间进行归一化处理，得到全生命周期抗震韧性标量值。

19、较佳地，所述深度强化学习加固策略评估环境的获取步骤为：

20、读取未加固状态对应的所述全生命周期抗震韧性标量值，计算当前加固状态相对于未加固状态的韧性增量，读取当前碳纤维布粘贴层数对应的材料及施工成本，读取当前外包钢板厚度对应的材料及安装成本，读取当前减隔震支座水平刚度对应的支座配置及更换成本，按照三类加固参数对应的成本权重分别修正各项加固建造成本，汇总形成当前加固参数组合对应的加固建造成本，将韧性增量按照加固建造成本进行加权除法运算，得到韧性成本综合效用指标；

21、提取桥梁孪生仿真模型当前的力学特征矩阵，将力学特征矩阵中对应当前服役状态的截面刚度、轴压比及节点动力响应排列为状态输入，将碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度及减隔震支座水平刚度分别设置为可调整动作参数，按照各加固参数允许取值范围限定动作空间边界，将所述韧性成本综合效用指标设置为每次加固参数调整后的奖励输出，建立状态输入、动作参数、奖励输出及下一状态之间的连续映射关系，生成深度强化学习加固策略评估环境。

22、较佳地，所述最优桥梁抗震加固参数组合的获取步骤为：

23、在所述深度强化学习加固策略评估环境中，提取桥梁孪生仿真模型当前的力学特征矩阵对应状态向量，读取碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度、减隔震支座水平刚度对应的动作空间边界值，将状态向量逐层传递至神经网络各计算节点，按照韧性成本综合效用指标对应的奖励变化方向逐层反向传递梯度，依次求取各神经网络权重参数对动作输出变化的偏导结果，根据偏导结果修正神经网络权重参数，重新计算三个动作参数对应的输出值，分别求取重新计算的动作参数输出值相对于当前动作参数值的差值，针对所述碳纤维布粘贴层数采用取整映射函数将差值转化为离散整数增量，并按照动作空间边界值截取超出允许调整范围的差值，生成加固参数迭代摄动步长；

24、根据所述加固参数迭代摄动步长，分别将碳纤维布粘贴层数对应调整增量、外包钢板厚度对应调整增量、减隔震支座水平刚度对应调整增量叠加至当前参数值，形成新一组碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度、减隔震支座水平刚度，将新一组碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度、减隔震支座水平刚度反馈至桥梁孪生仿真模型，依据更新后的外包钢板厚度与所述碳纤维布粘贴层数重新计算所述腐蚀起始延迟时间，并重新计算预设服役年限序列下的氯离子浓度时空分布矩阵，继续计算加固界面的时变腐蚀深度分布值，按照时变腐蚀深度分布值重新折减桥墩纤维截面离散单元的有效截面积，重新更新桥梁加固微元刚度矩阵，依次重新获取极值动力易损演化曲面、全生命周期抗震韧性标量值及加固建造成本，根据重新获取的全生命周期抗震韧性标量值相对于未加固状态的增量以及加固建造成本，得到韧性成本综合效用指标；

25、记录当前循环迭代对应的所述韧性成本综合效用指标及上一循环迭代对应的所述韧性成本综合效用指标，按照两次循环迭代之间神经网络权重参数变化量计算目标梯度变化值，将目标梯度变化值逐次同预设收敛公差阈值进行比较，同时累计当前循环迭代次数，若目标梯度变化值未低于预设收敛公差阈值且当前循环迭代次数未达到最大循环迭代次数，则继续依据当前状态向量重新生成所述加固参数迭代摄动步长，并重复新一组碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度、减隔震支座水平刚度反馈及所述韧性成本综合效用指标计算过程，若目标梯度变化值低于预设收敛公差阈值或当前循环迭代次数达到最大循环迭代次数，则停止循环迭代，从全部循环迭代对应的所述韧性成本综合效用指标中选取最大值，提取最大值对应的碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度、减隔震支座水平刚度，建立最优桥梁抗震加固参数组合。

26、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

27、本发明中，以碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度及减隔震支座水平刚度作为贯穿桥梁服役退化、动力响应评估及加固参数寻优全过程的直接参与项，将外包钢板厚度、碳纤维布粘贴层数对防护边界延迟时间的影响继续传递至预设服役年限序列下的氯离子浓度时空分布，使加固构造参数不再仅作为初始设计条件，而能够持续作用于环境侵蚀发展及截面损伤演化过程，由氯离子浓度时空分布进一步更新桥梁孪生仿真状态，可使不同加固参数对应的长期材料劣化差异进入后续抗震性能计算；在服役时变截面损伤基础上生成时变耐震激励时程序列样本，并依据弹塑性位移角响应形成极值动力易损演化曲面，使抗震评价能够同时体现服役年限变化、损伤累积及极端动力响应差异，减少仅凭单一时点或单一地震工况评判加固效果产生的偏差；继续将极值动力易损演化曲面转换为全生命周期抗震韧性标量值，并把全生命周期抗震韧性标量值同加固建造成本建立直接对应关系，使结构安全收益和工程投入能够进入统一评价尺度，避免单纯追求抗震性能造成成本失衡；依据韧性成本综合效用指标持续调整碳纤维布粘贴层数、外包钢板厚度及减隔震支座水平刚度，并将碳纤维布粘贴层数对应的连续态调整增量离散化为整数步长，可同时适应层数变量的离散属性以及钢板厚度、支座水平刚度的连续调整需求，每轮参数更新后重新计算防护边界延迟时间及后续服役损伤和抗震韧性，使参数寻优结果同长期耐久性、抗震能力及建造成本形成闭环关联。