專利名稱：基于索力監(jiān)測(cè)來識(shí)別需調(diào)整索力的支承索的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于索力監(jiān)測(cè)來識(shí)別索支承結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、 懸索橋〉的索系統(tǒng)(指所有支承索)中的需調(diào)整索力的支承索，并給出具體的索長(zhǎng) 調(diào)整量，屬工程結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域。
背聚技術(shù)
索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的關(guān)鍵 組成部分，由于松他等原因，新結(jié)構(gòu)竣工一段時(shí)間后支承索的索力通常會(huì)發(fā)生變化， 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役后其支承索的松弛也會(huì)引起支承索索力的變化，這些變化都將引起結(jié) 構(gòu)內(nèi)力的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起結(jié)構(gòu)的失效，因此準(zhǔn) 確及時(shí)地識(shí)別需調(diào)整索力的支承索是非常必要的。
基于索力監(jiān)測(cè)來識(shí)別需調(diào)整索力的索是一種常用的方法，然而索力有變化的索 不一定就是需調(diào)整的索，索力沒有變化的索也不一定就不需要調(diào)整。這是由于每一 根特定索的索力除了受其自身特性的變化的影響外，還受其它索的變化的影響，因 此在調(diào)整索力之前，必須對(duì)需調(diào)整索力的索有可靠的識(shí)別和判斷，這樣就必須有一 個(gè)能夠合理有效的建立每一根索的索力變化同所有索的特征參數(shù)間的關(guān)系的方法， 基于該方法建立的需調(diào)整索力的支承索的識(shí)別結(jié)果才會(huì)更可信。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于索力監(jiān)測(cè)來識(shí)別需調(diào)整索力的支承索 的方法，針對(duì)索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的識(shí)別問題，公開了一種
基于索力監(jiān)測(cè)的、能夠合理有效地識(shí)別需調(diào)整索力的支承索的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) 方法。
技術(shù)方案依據(jù)支承索的索力變化的原因，可將支承索的索力變化分為兩種情 況 一是支承索受到了損傷，例如支承索出現(xiàn)了局部裂紋和銹蝕等等；二是支承索 并無損傷，但索力也發(fā)生了變化，出現(xiàn)這種變化的主要原因之一是支承索自由狀態(tài) (此時(shí)索張力也稱索力為0)下的索長(zhǎng)度(稱為自由長(zhǎng)度，本發(fā)明專指支承索兩支 承端點(diǎn)間的那段索的自由長(zhǎng)度)發(fā)生了變化。本發(fā)明的主要目的之一就是要識(shí)別出 自由長(zhǎng)度發(fā)生了變化的支承索，并識(shí)別出它們的自由長(zhǎng)度的改變量，此改變量為該 索的索力調(diào)整提供了直接依據(jù)。支承索自由長(zhǎng)度發(fā)生變化的原因不是單一的，為了 方便，本發(fā)明將自由長(zhǎng)度發(fā)生變化的支承索統(tǒng)稱為松弛索。本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立用于識(shí)別索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承 索的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫(kù)和參量的方法、基于知識(shí)庫(kù)(含參量)和實(shí)測(cè)索力 的索結(jié)構(gòu)的需調(diào)整索力的支承索的識(shí)別方法、用于識(shí)別索系統(tǒng)的需調(diào)整索力的支承 索的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。
本發(fā)明的第一部分建立用于識(shí)別索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的健康監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫(kù)和參量的方法?？煞譃槿缦氯齻€(gè)歩驟
1. 建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型(例如基準(zhǔn)有限元模型)。根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)角度數(shù)據(jù)、形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、結(jié) 構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的角度數(shù)據(jù)、橋型數(shù)據(jù)、索力 數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立該結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn) 模型(例如基準(zhǔn)有限元模型)，基于該計(jì)算基準(zhǔn)模型計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)(對(duì)斜 拉橋、懸索橋而言是橋的角度數(shù)據(jù)、橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)等)必須 非常接近其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證在此計(jì)算基準(zhǔn)模型上計(jì)算 所得的模擬情況下的索力計(jì)算數(shù)據(jù)、角度計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)形狀計(jì)算數(shù)據(jù)等，可靠地 接近模擬情況真實(shí)發(fā)生時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
設(shè)索系統(tǒng)中共有^根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)由)V根支承索的索力來描述?？捎?向量G表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的初始索力向量(定義見式(l))。因在上述條件 下，基于索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模型計(jì)算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同一符號(hào)來表示該計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。
c。=[c。， C 2 W (1)
式(1)中C (i=l， 2, 3，'…….，A)是索結(jié)構(gòu)中第J裉支承索的索力(假設(shè)此時(shí) 支承索無松弛無損傷)，該元素依據(jù)編號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)于指定支承索的索力。凍示向量 的轉(zhuǎn)置(后同)。后文各向量中凡是下標(biāo)為J'的元素，都表示第i根支承索的相關(guān)信息。
2. 建立索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷索力變化矩陣^C。在本發(fā)明中通過將松弛索同受 損索進(jìn)行力學(xué)等效來幫助松弛索的識(shí)別，等效的力學(xué)條件是 一、兩等效的索的無 松弛和無損傷時(shí)的初始自由長(zhǎng)度、幾何特性參數(shù)及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同二、 松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長(zhǎng)相同。滿足上述兩 個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用 等效的受損索代替松弛索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化，反之亦然。本發(fā)明中，在 支承索初始狀態(tài)(無損傷、無松弛)下，且支承索處于自由狀態(tài)(索力為0)時(shí)， 支承索的長(zhǎng)度稱為初始自由長(zhǎng)度，記為厶，(下標(biāo)2'表示第/個(gè)支承索)；此時(shí)第/ 個(gè)支承索在索結(jié)構(gòu)中的索力是初始索力，記為C,.,，是初始索力向量C,(定義見式(l)) 的一個(gè)元素。第J'個(gè)支承索松弛后，其自由長(zhǎng)度(此時(shí)索力為0)的改變量記為A 7,, 本發(fā)明中就用A厶表示第j'個(gè)支承索的當(dāng)前松弛程度此時(shí)第/個(gè)支承索在索結(jié)構(gòu) 中的索力是當(dāng)前索力，記為C,,是當(dāng)前索力向量乙'(定義見式(2))的一個(gè)元素。本發(fā)明中，同第i個(gè)支承索(其當(dāng)i'if松弛程度用A人定義)進(jìn)行等效的虛擬受 損的支承索的當(dāng)甜虛擬損傷程度用d定義(因?yàn)橹С兴鲗?shí)際上可能是松弛而沒有損 傷，為表示區(qū)別，這雖稱虛擬損傷)，rf,是當(dāng)前虛擬損傷向量t/的第j'個(gè)元素，d的 定義見式(3)。松弛的第i個(gè)支承索的當(dāng)前松弛程度A厶同等效的受損索的虛擬當(dāng) 前損傷程度d之間的關(guān)系由前述兩項(xiàng)力學(xué)等效條件確定。A 7,同d之間的具體關(guān)系 可以采用多種方法實(shí)現(xiàn)，例如可以采用基于Ernst等效彈性模量的簡(jiǎn)化算法確定(參 見式(4))，也可以采用基于有限元法的試算法等其它方法來確定。
C-[q C2 C,Cw]7 (2) 式(1)中G U=l， 2， 3,…….，W是索結(jié)構(gòu)中第i個(gè)支承索的當(dāng)甜索力，該分 量依據(jù)編號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)于特定支承索的索力。
"[《W (3) 式(3)中"(/=1， 2, 3,…….，A)是索系統(tǒng)第J裉支承索的當(dāng)前虛擬損傷d 為O時(shí)表示無損傷，為100%時(shí)表示該索不能給結(jié)構(gòu)提供任何支承力，介于0與100D6之 間時(shí)表示喪失相應(yīng)比例的承載能力。
《
五
12(C,)3
式(4)中[]內(nèi)的項(xiàng)是該支承索的Emst等效彈性模量，乂是該支承索的橫截面面積， C,是該支承索的當(dāng)前索力，《是該支承索的虛擬損傷程度，五是該支承索的彈性模 量，叫是該支承索的單位長(zhǎng)度的重量，L是該支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的水平距離。 由式(4)可以定義支承索當(dāng)前松弛程度向量A/如式(5)所示。
AZ-[A/, A/2A/,A/J' (5)
式(5)中AA0'叫，2，3........，;V)是索系統(tǒng)第f根支承索的當(dāng)前松弛程度，也是調(diào)整
索力時(shí)該索的索長(zhǎng)調(diào)整量。
在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于 所有支承索的數(shù)量。每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根支承索有單位損傷A！(單 位損傷應(yīng)較小、且其引起的索力變化能夠被傳感器準(zhǔn)確識(shí)別出來，例如取10%損傷 為單位損傷)，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一 次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如有限元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有支承索的索力的當(dāng)前計(jì)
算值，每一次計(jì)算組成一個(gè)所有支承索的計(jì)算當(dāng)甜索力向量(當(dāng)假設(shè)第y根索有單
位損傷時(shí)，可用式(6)表示所有支承索的的計(jì)算當(dāng)稱索力向量C/);每一次計(jì)算得 到的計(jì)算當(dāng)甜索力向量減去初始索力向量，所得向量就是此條件下(以有單位損傷 的支承索的位置或編號(hào)等為標(biāo)記)的索力變化向量(當(dāng)?shù)趛根索有單位損傷時(shí)，用(5G表示索力變化向量，定義見式(7),式(7)為式(6)減去式(1)所得)，索力 變化向量的每一元素表示由于計(jì)算時(shí)假定有單位損傷的那根索的單位損傷而引起的 該元素所對(duì)應(yīng)的指定支承索的索力的改變量；有W根索就有W個(gè)索力變化向量，每 個(gè)索力變化向量有W個(gè)元素，由這W個(gè)索力變化向量依次組成有WxW個(gè)元素的虛 擬單位損傷索力變化矩陣/JC, ^C的定義如式(8〉所示。
<formula>formula see original document page 7</formula> (6)
式(6)中元素C,/ (,'=1,2,3........，W _/=1，2，3........，W)表示由于第乂根索有單位
損傷時(shí)，依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的某個(gè)指定支承索的索力，其編號(hào)為,'。
<formula>formula see original document page 7</formula> (7)
<formula>formula see original document page 7</formula>
(8)
式(8)中JCw(tl，2，3.........JV; 乂=1，2，3.........JV)表示僅由于第y根索有單
位損傷而引起的、依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的某個(gè)指定支承索的計(jì)算當(dāng)前索力的變化(代 數(shù)值)。索力變化向量(5Cy實(shí)際上是矩陣JC中的一列，也就是說式(8)也可以寫成 式(9)。
<formula>formula see original document page 7</formula> (9)
3.索系統(tǒng)當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))索力向量C同初始索力向量C。、虛擬單位損傷索力 變化矩陣JC、單位損傷標(biāo)量Z^和當(dāng)前虛擬損傷向量d間的近似線性關(guān)系，如式(10) 或式(11)所示。
<formula>formula see original document page 7</formula>(10)
<formula>formula see original document page 7</formula>
(II)
若設(shè)索損傷為100%時(shí)表示索徹底喪失承載能力，那么當(dāng)實(shí)際損傷不太大時(shí)(例 如不大于30%的損傷)，由于索結(jié)構(gòu)材料仍然處在線彈性階段，索結(jié)構(gòu)的變形也較小， 式(10)或式(11)所表示的這樣一種線性關(guān)系同實(shí)際情況的誤差較小。用式(12) 定義的誤差向量e表示式(10)或式(11)所示線性關(guān)系的誤差。e = 。fo(^~AC"-C+Cn) (12)
式(12)中ate0是取絕對(duì)值函數(shù)，對(duì)括號(hào)內(nèi)求得的向量的每一個(gè)元素取絕對(duì)值。 本發(fā)明的第二部分基于知識(shí)庫(kù)(含參量)和實(shí)測(cè)索力的索結(jié)構(gòu)的需調(diào)整索力
的支承索的識(shí)別方法。
由于式(10)或式(11)所表示的線性關(guān)系存在一定誤差，因此不能簡(jiǎn)單根據(jù)
式(10)或式(11)和實(shí)測(cè)當(dāng)前索力向量C來直接求解得到索當(dāng)前虛擬損傷向量d。
如果這樣做了，得到的索當(dāng)前虛擬損傷向量d中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)較大的負(fù)值，也就 是負(fù)損傷，對(duì)應(yīng)的松弛就是負(fù)松弛，這明顯是不合理的。因此獲得索當(dāng)甜虛擬損傷
向量d的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準(zhǔn)確的從索系統(tǒng)中確定虛擬受損 索的位置及其損傷程度)成為一個(gè)合理的解決方法，可用式(13)來表達(dá)這一方法。
。fo(士AC"-C+C。)Sg (13)
式(13)中atoO是取絕對(duì)值函數(shù)，向ig描述偏離理想線性關(guān)系(式(10)或式 (ll))的合理偏差，由式(14)定義。
g2g, (14)
式(14)中g(shù),(f=l，2，3.........均描述了偏離式(10)或式(11)所示的理想線性
關(guān)系的最大允許偏差。向mg可根據(jù)式(12)定義的誤差向量e試算選定。
在初始索力向量C。(實(shí)測(cè)得到)、索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷索力變化矩陣JC (計(jì)算 得到)、實(shí)測(cè)當(dāng)前索力向量C和單位損傷￡) (計(jì)算JC前設(shè)定)已知時(shí)，可以利用 合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(13)，獲得索當(dāng)前虛擬損傷向量d的可 接受的解，從而確定虛擬受損索的位置和損傷程度，然后根據(jù)式(4)和式(5)可 以確定松弛索的位置和松弛程度，也就是確定了需調(diào)整索力的索及其索長(zhǎng)調(diào)整量。
本發(fā)明的第三部分用于識(shí)別索系統(tǒng)的需調(diào)整索力的支承索的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)釆集器和計(jì)算機(jī)等。要求實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)支承索的索力， 要求實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離。軟件應(yīng)當(dāng)具用下列功 能軟件部分首先根據(jù)索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析得到當(dāng)前索力向 量C和每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離，然后讀取預(yù)先存儲(chǔ)的索系統(tǒng)虛擬單位 損傷索力變化矩陣JC、初始索力向量C。和單位損傷值A(chǔ),，依據(jù)合適的算法(例如 多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(13)，得到索系統(tǒng)的索當(dāng)甜虛擬損傷向量"的非劣解，也 就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地從索系統(tǒng)中確定虛擬受損索的位置及其虛擬 損傷程度的解，然后根據(jù)式(4)和式(5)可以確定松弛索的位置和松弛程度。
本發(fā)明方法具體包括a. 確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)歩驟 中將用于生成向量和矩陣；
b. 在支承索無松弛、無損傷條件或可認(rèn)為無松弛、無損傷條件下，直接測(cè)量計(jì) 算得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的初始索力，組成初始索力向量C。。同時(shí)依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有索的初始自由長(zhǎng)度
c. 在支承索無松弛、無損傷條件或可認(rèn)為無松弛、無損傷條件下，在實(shí)測(cè)得到 初始索力向量的同時(shí)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；
d. 根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的力 學(xué)計(jì)算模型，基于該模型計(jì)算所得的計(jì)算數(shù)據(jù)同上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)越接近越好，其間的 差異不得大于5。/。，此時(shí)該模型被稱為結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型。
e. 在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得虛擬單位 損傷索力變化矩陣JC;
f. 實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)甜索力向量C。同時(shí)實(shí)測(cè) 得到每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離；
g. 定義索系統(tǒng)當(dāng)甜虛擬損傷向量rf,當(dāng)甜虛擬損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù) 量，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)甜虛擬損傷向量的元素 數(shù)值代表對(duì)應(yīng)索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)；
h. 依據(jù)當(dāng)前索力向量C同初始索力向量C。、虛擬單位損傷索力變化矩陣dC、 單位損傷標(biāo)量Du和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前虛擬損傷向量d間存在的近似線性關(guān)系,該近 似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，式1中除rf外的其它量均為已知，求解式1就可以算出 當(dāng)前虛擬損傷向量d。當(dāng)前虛擬損傷向量d中數(shù)值不為0的元素對(duì)應(yīng)的支承索就是 可能的松弛索或可能的受損索，其數(shù)值反應(yīng)了松弛或損傷的程度；
C《+丄AC" 式l
i. 從可能的松弛索和受損索中鑒別出受損索索，剩下的就是松弛索。
j.通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來計(jì)算松弛索的松弛程度，等效的力學(xué) 條件是 一、兩等效的索的無松弛和無損傷時(shí)的初始自由長(zhǎng)度、幾何特性參數(shù)、密 度及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索 力和變形后的總長(zhǎng)相同。滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的 力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的受損索代替松弛索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生 任何變化。依據(jù)前述力學(xué)等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度 就是支承索自山長(zhǎng)度的改變量，也就是確定了那些需調(diào)整索力的支承索的索長(zhǎng)調(diào)整 量。這樣就實(shí)現(xiàn)了包含了損傷識(shí)別和松弛識(shí)別的索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)。 在歩驟e中，獲得虛擬單位損傷索力變化矩陣JC的具體方法為 el.在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值
9上等于所有索的數(shù)量，'有W根索就有W次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一 根索有單位損傷，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索， 每一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有支承索的當(dāng)前索力，每一次計(jì)算得到的所有當(dāng)前索力 組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量；
e2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量減去初始索力向量得到一個(gè)索力 變化向量有W根索就有JV個(gè)索力變化向量
e3.由這W個(gè)索力變化向量依次組成有W列的虛擬單位損傷索力變化矩陣或 者說虛擬單位損傷索力變化矩陣的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)索力變化向量。
有益效果本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法在只有不太多的支承索(例如30根索或 30。/。的索)受損或松弛的條件下可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)評(píng)估出索系統(tǒng)的健康狀態(tài)(包 括所有松弛索和受損索的位置、及其松弛程度或損傷程度，因?yàn)榇藭r(shí)索結(jié)構(gòu)的變形 較小，線性關(guān)系較好)。在受損或松弛索很多(例如多于30根索或50%以上索同歩 受損或松弛)時(shí)，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)評(píng)估出絕大部分松弛索和受損索的位置、及 其松弛程度或損傷程度?？紤]到索系統(tǒng)的索損傷和松弛通常是非均衡、損傷和松弛 通常也是由小漸大的、非大量索同步受損或松弛的，本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法對(duì)索 系統(tǒng)的有效健康監(jiān)測(cè)是非常有益的，對(duì)識(shí)別需調(diào)整索力的索，并估計(jì)需調(diào)整的索長(zhǎng) 是非常有益的。
具體實(shí)施例方式
針對(duì)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)，本發(fā)明公開了一種能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié) 構(gòu)的索系統(tǒng)的每一根索的健康狀況的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例的下面說明實(shí)質(zhì) 上僅僅是示例性的，并且目的絕不在于限制本發(fā)明的應(yīng)用或使用。
本發(fā)明采用一種算法，該算法用于監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)中的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)(包括索 的受損和松弛程度)。具體實(shí)施時(shí)，下列步驟是可采取的各種歩驟中的一種。
第一步確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將所有的索編號(hào)。該編號(hào)在后續(xù)歩驟中 將用于生成向量和矩陣。
第二步直接測(cè)量或測(cè)量后計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力，所有索的初 始索力數(shù)值組成初始索力向量C。。同時(shí)測(cè)量或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、竣工資料得到所有索 的彈性模量、密度、初始橫截面面積、初始自由長(zhǎng)度；直接測(cè)量或測(cè)量后計(jì)算得到 索結(jié)構(gòu)的初始幾何形狀數(shù)據(jù)(對(duì)于斜拉橋就是其初始橋型數(shù)據(jù))。
第三歩建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型。根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和 索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)初始幾何形狀數(shù)據(jù)、初始角度坐標(biāo)數(shù)據(jù)、所有索的初 始索力、結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，對(duì)斜拉橋、懸索橋而白'是橋的橋型數(shù)據(jù)、角度坐標(biāo) 數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))，利用力學(xué)方法(例如采用有限元法)建立該結(jié)構(gòu) 的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型(例如有限元基準(zhǔn)模型)，基于該基準(zhǔn)模型計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的計(jì)算
10數(shù)據(jù)必須非常接近其對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模 型上計(jì)算得到的所有索的初始索力組成計(jì)算初始索力向量。
第四步建立索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷索力變化矩陣ZlC。在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基 準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量。每一次計(jì)算
假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷￡> (單位損傷應(yīng)較小、且其引起的角度坐標(biāo)變 化能夠被傳感器準(zhǔn)確識(shí)別出來，例如取10%損傷為單位損傷)，每一次計(jì)算中出現(xiàn)
損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如采 用有限元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中所有索的當(dāng)甜索力，每一次計(jì)算組成一個(gè)計(jì)算
當(dāng)前索力向量C;每一次計(jì)算得到的計(jì)算當(dāng)前索力向量減去計(jì)算初始索力向量，所 得向量就是此條件下(以有單位損傷的索的位置或編號(hào)等為標(biāo)記)的索力變化向量， 索力變化向量的每一元素表示由于計(jì)算時(shí)假定有單位損傷的那根索的單位損傷而引 起的該元素所對(duì)應(yīng)的指定索的索力的改變量；有W根索就有W個(gè)索力變化向量，每 個(gè)索力變化向量有W個(gè)元素，由這W個(gè)索力變化向量依次組成有WxJV個(gè)元素的虛 擬位損傷索力變化矩陣JC，或者說虛擬單位損傷索力變化矩陣的每一列對(duì)應(yīng)于 一個(gè)索力變化向量。
第五步建立線性關(guān)系誤差向量e和向量g。利用前四歩的數(shù)據(jù)(初始索力向 量C。、虛擬單位損傷索力變化矩陣JC),在第四歩進(jìn)行每一次計(jì)算的同時(shí)，即在"每
一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷D",每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同 于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如采用有限元法) 計(jì)算索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中所有索的當(dāng)前索力，每一次計(jì)算組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)甜索力向量
C"的同時(shí)，每一次計(jì)算組成一個(gè)損傷向量rf,該損傷向量rf的所有元素中只有一個(gè) 元素的數(shù)值取IV其它元素的數(shù)值取O，損傷向量rf中數(shù)值是D"的元素對(duì)應(yīng)于該 次計(jì)算時(shí)唯一受損索的單位損傷程度將C、 C。、 dC、 A、 rf帶入式(12),得 到一個(gè)線性關(guān)系誤差向量e，每一次計(jì)算得到一個(gè)線性關(guān)系誤差向量e:有W根索 就有JV次計(jì)算，就有W個(gè)線性關(guān)系誤差向量e，將這iV個(gè)線性關(guān)系誤差向量e相加 后得到一個(gè)向量，將此向量的每一個(gè)元素除以W后得到的新向量就是最終的線性關(guān) 系誤差向量e。向量g等于最終的誤差向量"
第六步安裝索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括索力監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)(例如含加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理器等)、各支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)(例如用全站儀進(jìn)行測(cè)量)、信號(hào)采集器、計(jì)算機(jī)和通信報(bào)警設(shè)備。每--個(gè)指定
索的索力都必須被索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)每--個(gè)指定索的索力和該索 兩支承端點(diǎn)的水平距離，并將信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)(數(shù)據(jù))采集器信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集器 傳遞到計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)則負(fù)責(zé)運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)軟件，包括記錄信號(hào) 采集器傳遞來的信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到索有松弛或損傷時(shí)，計(jì)算機(jī)控制通信報(bào)瞀設(shè)備向監(jiān) 控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報(bào)警。
11第七歩將初始索力向量C。、虛擬單位損傷索力變化矩陣dC、單位損傷￡> 、 所有索的初始自由長(zhǎng)度、彈性模量、初始橫截面面積、索的單位長(zhǎng)度重量等參數(shù)以 數(shù)據(jù)文件的方式保存在運(yùn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)硬盤上。
第八步編制并在計(jì)算機(jī)上安裝運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。該軟 件包括如下幾種功能模塊1.從存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上的數(shù)據(jù)文件中讀取初始索力向 量C。、索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷索力變化矩陣JC、單位損傷￡> 、所有索的初始自由長(zhǎng) 度、彈性模量、初始橫截面面積、索的單位長(zhǎng)度重量等所有必要參數(shù)。2.定時(shí)(或 隨機(jī)觸發(fā)式)記錄通過信號(hào)采集器傳來的信號(hào)。3.對(duì)記錄的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，計(jì) 算得到所有索的兩支承端點(diǎn)的水平距離和所有索的當(dāng)前索力，所有的當(dāng)甜索力組成 當(dāng)前索力向量C。 4.依據(jù)當(dāng)前索力向量C同初始索力向量C。、虛擬單位損傷索力 變化矩陣^C、單位損傷標(biāo)量i^和索系統(tǒng)當(dāng)前虛擬損傷向量d (由所有索的當(dāng)前虛 擬損傷量組成)間存在的近似線性關(guān)系(式(IO)),按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算索系統(tǒng) 當(dāng)前虛擬損傷向量d的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地從所有索 中確定松弛索或受損索的位置及其損傷程度的解。
可以采用的多目標(biāo)優(yōu)化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化、基
于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化、基于粒子群的多目標(biāo)優(yōu)化算法、基于蟻群算法的多
目標(biāo)優(yōu)化、約束法(Constrain Method)、加權(quán)法(Weighted Sum Method)、目標(biāo)規(guī) 劃法(Goal Attainment Method)等等。由于各種多目標(biāo)優(yōu)化算法都是常規(guī)算法，可 以方便地實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施步驟僅以目標(biāo)規(guī)劃法為例給出求解當(dāng)甜損傷向量d的過程， 其它算法的具體實(shí)現(xiàn)過程可根據(jù)其具體算法的要求以類似的方式實(shí)現(xiàn)。
按照目標(biāo)規(guī)劃法，式(10)可以轉(zhuǎn)化成式(15)和式(16)所示的多目標(biāo)優(yōu) 化問題，式(15)中y是一個(gè)實(shí)數(shù)，及是實(shí)數(shù)域，空間區(qū)域n限制了向量d的每一 個(gè)元素的取值范圍(本實(shí)施例要求向量d的每一個(gè)元素不小于0,不大于1 〉。式(15) 的意思是尋找一個(gè)絕對(duì)值最小的實(shí)數(shù)y，使得式(16)得到滿足。式(16)中Gr《由 式(17)定義，式(16)中加權(quán)向量FF與y的積表示式(16)中G^J與向量g之間 允許的偏差，g的定義參見式(14)，其值已在第五步計(jì)算得到。實(shí)際計(jì)算時(shí)向量『 可以與向量g相同。目標(biāo)規(guī)劃法的具體編程實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有通用程序可以直接采用。按 照目標(biāo)規(guī)劃法就可以求得當(dāng)前索損傷向量d。 minimize y
(15)
(16)
,-fl/w(丄AC"-C + C,') (17) 若解得的當(dāng)前虛擬索損傷向量d的某一元素的數(shù)值為0,表示改元素所對(duì)應(yīng)的
12索是完好的，沒有松弛或損傷的若其數(shù)值為100%,則表示該元素所對(duì)應(yīng)的索已 經(jīng)完全喪失承載能力；若其數(shù)值介于0和100%之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例 的承載能力。5.數(shù)據(jù)生成功能。即可定期或由人員操作健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成索系統(tǒng)健 康情況報(bào)表。6.報(bào)警功能。在指定條件下，自動(dòng)操作通信報(bào)螯設(shè)備向監(jiān)控人員、業(yè) 主和(或)指定的人員報(bào)警。
第九步由于當(dāng)前虛擬損傷向量rf的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的虛擬損傷程度，所 以根據(jù)當(dāng)前虛擬損傷向量就能確定有哪些索可能受損或松弛了及其可能的損傷程度 或松弛程度，但這些索究竟是發(fā)生了損傷還是發(fā)生了松弛，需進(jìn)行鑒別。鑒別的方 法多種多樣，可以通過去除支承索的保護(hù)層，對(duì)支承索進(jìn)行目視鑒別，或者借助光 學(xué)成像設(shè)備進(jìn)行目視鑒別，也可以通過無損檢測(cè)方法對(duì)支承索是否受損進(jìn)行鑒別， 超聲波探傷就是一種目前廣泛使用的無損檢測(cè)方法。鑒別后那些沒有發(fā)現(xiàn)損傷且虛 擬損傷程度不為0的支承索就是發(fā)生了松弛的索，就是需調(diào)整索力的索。對(duì)那些判 定為松弛的支承索，使用上一步求得的當(dāng)前虛擬損傷向量rf中對(duì)應(yīng)于該支承索的元 素，可依據(jù)式(4)可以求得這些索的松弛程度(即索長(zhǎng)調(diào)整量)。這樣就實(shí)現(xiàn)了包 含了損傷識(shí)別和松弛識(shí)別的索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種基于索力監(jiān)測(cè)來識(shí)別需調(diào)整索力的支承索的方法，其特征在于所述方法包括a.確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.在支承索無松弛、無損傷條件或可認(rèn)為無松弛、無損傷條件下，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Co；同時(shí)依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有索的初始自由長(zhǎng)度；c.在支承索無松弛、無損傷條件或可認(rèn)為無松弛、無損傷條件下，在實(shí)測(cè)得到初始索力向量的同時(shí)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型，基于該模型計(jì)算所得的計(jì)算數(shù)據(jù)同上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)越接近越好，其間的差異不得大于5％，此時(shí)該模型被稱為結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型；e.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得虛擬單位損傷索力變化矩陣ΔC；f.實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量C；同時(shí)實(shí)測(cè)得到每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離；g.定義索系統(tǒng)當(dāng)前虛擬損傷向量d，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前虛擬損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)；h.依據(jù)當(dāng)前索力向量C同初始索力向量Co、虛擬單位損傷索力變化矩陣ΔC、單位損傷標(biāo)量Du和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前虛擬損傷向量d間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前虛擬損傷向量d。當(dāng)前虛擬損傷向量d中數(shù)值不為0的元素對(duì)應(yīng)的支承索就是可能的松弛索或可能的受損索，其數(shù)值反應(yīng)了松弛或損傷的程度；<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>o</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>D</mi><mi>u</mi> </msub></mfrac><mi>ΔC</mi><mo>·</mo><mi>d</mi> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100327420002C1.tif" wi="33" he="10" top= "229" left = "39" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>式1i.從可能的松弛索和受損索中鑒別出受損索索，剩下的就是松弛索；j.通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來計(jì)算松弛索的松弛程度，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時(shí)的初始自由長(zhǎng)度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長(zhǎng)相同；滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的受損索代替松弛索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化；依據(jù)前述力學(xué)等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長(zhǎng)度的改變量，也就是確定了那些需調(diào)整索力的支承索的索長(zhǎng)調(diào)整量；這樣就實(shí)現(xiàn)了包含了損傷識(shí)別和松弛識(shí)別的索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于索力監(jiān)測(cè)來識(shí)別需調(diào)整索力的支承索的方 法，其特征在于在歩驟e中，獲得虛擬單位損傷角度坐標(biāo)變化矩陣ZJC的方法為el.在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值 上等于所有索的數(shù)量，有iV根索就有W次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每 一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有支承索的當(dāng)前索力，每一次計(jì)算得到的所有當(dāng)前索力組成一個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量；e2.每一次計(jì)算得到的那個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量減去初始索力向量得到一個(gè)索力 變化向量；有iV根索就有iV個(gè)索力變化向量；e3.由這iV個(gè)索力變化向量依次組成有W列的虛擬單位損傷索力變化矩陣；或 者說虛擬單位損傷索力變化矩陣的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)索力變化向量。
全文摘要
基于索力監(jiān)測(cè)來識(shí)別需調(diào)整索力的支承索的方法在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上做若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)等于索的數(shù)量。每次計(jì)算假設(shè)只有一根索有單位損傷并得到一個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量；每個(gè)計(jì)算當(dāng)前索力向量減去初始索力向量，獲得一個(gè)索力變化向量；所有的索力變化向量組成虛擬單位損傷索力變化矩陣。依據(jù)當(dāng)前索力向量同初始索力向量、虛擬單位損傷索力變化矩陣和當(dāng)前虛擬損傷向量間的近似線性關(guān)系，可用多目標(biāo)優(yōu)化等算法算出當(dāng)前虛擬損傷向量的非劣解，據(jù)此可識(shí)別出虛擬受損索，在使用無損檢測(cè)等方法從中鑒別出真實(shí)受損索后，剩下的虛擬受損索就是需調(diào)整索力的索，依據(jù)松弛程度同虛擬損傷程度間的關(guān)系就可確定需調(diào)整的索長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101587026SQ20091003274
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)