一种基于多源监测数据和近场动力学损伤预测的地下管沟结构耐久性预警方法

本发明涉及地下管沟结构监测，具体地，涉及一种基于多源监测数据和近场动力学损伤预测的地下管沟结构耐久性预警方法。

背景技术：

1、地下管沟、弱电管沟、综合管廊附属沟道及相关地下空间结构在长期服役过程中，通常处于潮湿、渗流、温度波动、盐蚀、冻融循环和荷载扰动等复杂环境中。钢筋混凝土管沟侧墙、底板、顶板、接缝部位以及设备基础等关键构件容易出现裂缝、渗漏、钢筋锈蚀、混凝土剥落和局部劣化等问题，进而影响结构耐久性和运行安全。

2、现有地下管沟结构巡检和运维管理中，温度、湿度、渗流压力、裂缝宽度、氯离子浓度和冻融循环次数等数据往往由不同传感器、不同人员或不同台账分别记录，缺少统一的数据组织、风险识别和综合预警方法。运维管理人员通常依据单一指标阈值或经验判断结构风险，例如当湿度超过设定值时提示环境异常，或当裂缝宽度超过限值时提示结构风险。该类方法实现简单，但难以反映潮湿、渗流、盐蚀、冻融和裂缝发展共同作用下的耐久性劣化过程。

3、地下管沟结构耐久性劣化并非单一监测指标超限所导致，而是多种环境作用、材料退化和局部损伤逐步累积的结果，尤其是在已经出现裂缝、渗漏或氯离子侵蚀的构件中，仅依据监测值是否超过阈值，难以判断裂缝是否继续扩展、扩展速度如何、损伤是否向关键部位发展以及未来一段时间内是否会形成局部高风险区域。因此，单纯依赖指标加权或静态阈值的预警方式难以满足地下管沟结构精细化运维和提前预警的需求。

4、近场动力学是一种基于非局部相互作用的连续介质力学方法，适合描述裂纹萌生、扩展、分叉和损伤累积等不连续问题。与传统局部连续介质模型相比，近场动力学在处理裂缝扩展时不需要额外引入裂纹尖端追踪算法，能够通过物质点之间的键断裂自然表征损伤演化。因此，将多源监测数据与近场动力学损伤预测相结合，可将监测数据由“是否超限”的判断依据进一步转化为“未来是否继续损伤发展”的预测依据。但是，若仅将近场动力学模型作为独立的离线数值分析工具，仍然难以直接服务于现场运维预警。现有技术中，监测数据通常停留在报警阈值判断或统计评分层面，力学模型则通常停留在单次仿真或事后分析层面，二者之间缺少明确的数据映射关系和预警指数转换关系，难以形成“监测数据输入-模型参数更新-损伤演化预测-预警等级输出”的闭环技术方案。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于多源监测数据和近场动力学损伤预测的地下管沟结构耐久性预警方法，将现场监测数据、材料退化参数、裂缝扩展预测和运维预警等级统一起来，提高地下管沟结构耐久性风险识别、提前预警和维修决策的可靠性。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于多源监测数据和近场动力学损伤预测的地下管沟结构耐久性预警方法，包括如下步骤：

4、步骤s1：确定地下管沟结构的监测对象；

5、步骤s2：采集监测对象的多源监测数据，形成监测对象的多源数据风险指数；

6、步骤s3：若监测对象的多源数据风险指数超过设定风险阈值时，触发近场动力学损伤预测，否则，重复执行步骤s2；

7、步骤s4：将监测对象的多源监测数据映射为近场动力学损伤预测模型的参数，通过近场动力学控制方程预测监测对象的损伤演化；

8、步骤s5：从预测的监测对象的损伤演化中提取监测对象的最大损伤变量、裂缝扩展长度和裂缝扩展速率，计算监测对象的近场动力学损伤预测指数；

9、步骤s6：基于监测对象的近场动力学损伤预测指数和多源数据风险指数确定监测对象的耐久性预警指数，生成监测对象的耐久性预警等级。

10、进一步地，所述监测对象包括：管沟侧墙、管沟底板、管沟顶板、接缝部位、设备基础和支架基础中的一种或多种。

11、进一步地，所述监测对象的多源监测数据包括：监测对象的温度、湿度、渗流压力、裂缝位置、裂缝宽度、裂缝长度、裂缝走向、氯离子浓度、冻融循环次数、服役年限和构件类型。

12、进一步地，所述监测对象的多源数据风险指数的形成过程为：

13、建立多源监测数据中各监测数据的预警阈值，基于各监测数据的预警阈值将对应的监测数据进行标准化处理；

14、将所述监测对象所有标准化处理的监测数据进行加权，得到所述监测对象的多源数据风险指数：

15、

16、其中，表示时刻下监测对象的第个监测数据，表示第个监测数据的预警阈值，表示的权重系数。

17、进一步地，步骤s4中将监测对象的多源监测数据映射为近场动力学损伤预测模型的参数的具体过程为：

18、将地下管沟结构的监测对象以及监测对象的多源监测数据与近场动力学损伤预测模型中的物质点进行时空匹配；

19、根据监测对象的裂缝宽度、冻融循环次数、氯离子浓度、湿度和服役年限，分别确定近场动力学损伤预测模型中物质点的等效弹性模量和临界伸长率；

20、将物质点的等效弹性模量映射为近场动力学损伤预测模型中物质点的相互作用刚度，将物质点的临界伸长率映射为近场动力学损伤预测模型中物质点键断裂的临界阈值；

21、根据监测对象的渗流压力确定近场动力学损伤预测模型的等效边界作用，映射为近场动力学损伤预测模型中边界物质点的等效体力；

22、根据监测对象的裂缝位置、裂缝长度和裂缝走向确定近场动力学损伤预测模型中初始裂缝中心线及裂缝影响区域；

23、根据监测对象的裂缝宽度确定近场动力学损伤预测模型的键完整折减系数，映射为近场动力学损伤预测模型中物质点的初始键完整函数。

24、进一步地：

25、所述近场动力学损伤预测模型中物质点的相互作用刚度的映射过程为：

26、

27、其中，表示时刻下近场动力学损伤预测模型中物质点的相互作用刚度，表示未退化状态下物质点的初始相互作用刚度，表示未退化状态下物质点的初始弹性模量，表示时刻下近场动力学损伤预测模型中物质点的等效弹性模量，，表示等效弹性模量最低保留系数，，表示时刻下监测对象的冻融循环次数，表示冻融循环次数参考值，表示时刻下监测对象的氯离子浓度，表示氯离子浓度参考值，表示时刻下监测对象的湿度，表示湿度参考值，表示监测对象已服役年限，表示参考服役年限，分别表示对应项的材料退化影响系数；

28、所述近场动力学损伤预测模型中物质点键断裂的临界阈值的映射过程为：

29、

30、其中，表示时刻下近场动力学损伤预测模型中物质点键断裂的临界阈值，表示物质点的初始临界伸长率，表示时刻下监测对象的裂缝宽度，表示裂缝宽度参考值，分别表示对应项的临界伸长率退化影响系数，表示临界伸长率最低保留系数，。

31、进一步地：

32、所述近场动力学损伤预测模型中边界物质点的等效体力的映射过程为：

33、

34、其中，表示时刻下近场动力学损伤预测模型中边界物质点的等效体力，表示边界物质点的等效受压面积，表示边界物质点的体积，表示边界物质点处渗流压力等效作用方向的单位法向量，表示近场动力学损伤预测模型的等效边界作用，，表示时刻下监测对象的渗流压力，表示渗流压力等效转换系数；

35、所述近场动力学损伤预测模型中物质点的初始键完整函数的映射过程为：

36、

37、其中，表示近场动力学损伤预测模型中物质点，表示以物质点为中心的近场邻域内的一个物质点，表示与之间的初始键完整函数，表示裂缝宽度映射系数。

38、进一步地，步骤s4中近场动力学控制方程具体过程为：

39、

40、其中，表示物质点处的材料密度，表示时刻下物质点的位移向量，表示的加速度向量，表示以物质点为中心的近场邻域，表示与之间的相对位移向量，，表示与之间的初始键向量，，表示单位体积平方意义下物质点之间的相互作用力函数，，表示与之间的键完整函数，表示与之间的键伸长率，，，，；表示邻域物质点对应的微元体积，表示作用于物质点处的外部作用项，，表示除渗流压力以外的结构荷载或体力项。

41、进一步地，根据近场动力学控制方程确定物质点的损伤变量：

42、

43、其中，表示时刻下物质点的损伤变量。

44、进一步地，所述监测对象的近场动力学损伤预测指数的计算过程为：

45、

46、其中，表示时刻下监测对象的近场动力学损伤预测指数，表示预测监测对象的损伤演化过程中物质点的最大损伤变量，表示损伤阈值，表示预测监测对象的损伤演化过程中物质点的裂缝扩展长度，表示裂缝扩展长度参考值，表示预测监测对象的损伤演化过程中物质点的裂缝扩展速率，表示裂缝扩展速率参考值，、、分别表示对应损伤预测项的权重，且。

47、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

48、本发明能够将地下管沟结构的多源监测数据映射为近场动力学损伤预测模型的参数，可以根据裂缝监测数据用于确定初始裂纹或初始损伤区，将渗流压力映射为近场动力学损伤预测模型的等效边界作用，将氯离子浓度、冻融循环次数、湿度和服役年限用于确定退化后的等效弹性模量和临界伸长率，从而分别影响近场动力学损伤预测模型中物质点相互作用刚度、键断裂判据和外部驱动作用，实现监测数据与力学损伤演化计算的实质耦合，从而预测裂缝扩展和损伤演化趋势。通过近场动力学控制方程、键伸长率断裂准则和损伤变量计算，可获得最大损伤值、裂缝扩展长度和裂缝扩展速率，使预警结果不仅反映当前监测异常，还能反映损伤发展风险。本发明能够避免单一阈值预警和简单加权预警的局限性，通过融合多源数据风险指数和近场动力学损伤预测指数，本发明兼顾监测数据异常和力学损伤演化，能够更加合理地区分短期环境异常、持续劣化风险和局部结构损伤风险。