專利名稱：一種基于索力監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個(gè)共同點(diǎn)，就是它們有許多承受拉伸載荷的 部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是以索、纜或僅承受拉伸載荷的 桿件為支承部件，為方便起見(jiàn)本發(fā)明將該類結(jié)構(gòu)表述為“索結(jié)構(gòu)”。在索結(jié)構(gòu)的服役過(guò)程中， 索結(jié)構(gòu)的支承系統(tǒng)(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸載荷的桿件，為方便 起見(jiàn)，本專利將該類結(jié)構(gòu)的全部支承部件統(tǒng)一稱為“索系統(tǒng)”，但實(shí)際上索系統(tǒng)不僅僅指支 承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)會(huì)受損，同時(shí)索結(jié)構(gòu)的支座也可能出現(xiàn)位移，這些變 化對(duì)索結(jié)構(gòu)的安全是一種威脅，本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于索力監(jiān)測(cè)來(lái)識(shí)別支座 位移、識(shí)別索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索、識(shí)別需調(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)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
支座位移對(duì)索結(jié)構(gòu)安全是一項(xiàng)重大威脅，同樣的，索系統(tǒng)的損傷和松弛也將對(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)別支座位移、受損 索和松弛索(即需調(diào)整索力的支承索)是非常必要的。索結(jié)構(gòu)出現(xiàn)支座位移、受損索和松弛索后會(huì)引起結(jié)構(gòu)的可測(cè)量參數(shù)的變化，例如 會(huì)引起索力的變化，實(shí)際上索力的變化包含了索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息，也就是說(shuō)可以利用 結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，可以基于索力監(jiān)測(cè)(本發(fā)明將被監(jiān)測(cè)的索力稱為“被 監(jiān)測(cè)量”，后面提到“被監(jiān)測(cè)量”就是指被監(jiān)測(cè)的索力)來(lái)識(shí)別支座位移、受損索和松弛索。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明公開(kāi)了一種基于索力監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，在索結(jié)構(gòu)支 座出現(xiàn)位移的情況下、在有較多的索同步受損或松弛的條件下可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)評(píng)估出索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)(包括所有支座位移、所有松弛索和受損索的位置、 及其松弛程度或損傷程度)。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三種情況 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(wú)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；三是支承索并無(wú)損傷，但索結(jié)構(gòu)支座有了位 移(其中在重力方向的分量就被稱為沉降)，也會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，當(dāng)然也就會(huì)引起索 力的變化。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。設(shè)索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N。為敘述方便起見(jiàn)，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評(píng) 估的索和支座位移為“被評(píng)估對(duì)象”，給被評(píng)估對(duì)象連續(xù)編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于 生成向量和矩陣。本發(fā)明用用變量i表示這一編號(hào)，i = 1，2，3，...，N，因此可以說(shuō)有N個(gè) 被評(píng)估對(duì)象。
設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)包括這Q根支承索的索力，顯然Q小于 被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N。僅僅通過(guò)Q個(gè)支承索的Q個(gè)索力數(shù)據(jù)來(lái)求解未知的N個(gè)被評(píng)估對(duì)象 的狀態(tài)是不可能的，本發(fā)明在監(jiān)測(cè)全部Q根支承索索力的基礎(chǔ)上，增加對(duì)不少于(N-Q)個(gè)其 他被監(jiān)測(cè)量。增加的不少于(N-Q)個(gè)的其他被監(jiān)測(cè)量仍然是索力，敘述如下在結(jié)構(gòu)上人為增加M2 (M2不小于N-Q)根索，新增加的M2根索的剛度同索結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的剛度相比，可以小很多，例如小10倍，新增加的M2根索的索力應(yīng)當(dāng)較小，例 如其橫截面正應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于其疲勞極限，這些要求可以保證新增加的M2根索不會(huì)發(fā)生疲勞 損傷，新增加的M2根索的兩端應(yīng)當(dāng)充分錨固，保證不會(huì)出現(xiàn)松弛，新增加的M2根索應(yīng)當(dāng)?shù)玫?充分的防腐蝕保護(hù)，保證新增加的M2根索不會(huì)發(fā)生損傷和松弛，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中將 監(jiān)測(cè)這新增加的M2根索的索力。綜合上述被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M(M = Q+M2)根索的M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，M不得小于 被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N。為方便起見(jiàn)，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”。給M 個(gè)被監(jiān)測(cè)量連續(xù)編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。本發(fā)明由兩大部分組成。分別是一、建立用于識(shí)別支座位移、受損索和松弛索的 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)、基于被監(jiān)測(cè)量等量的監(jiān) 測(cè)的、識(shí)別索結(jié)構(gòu)的支座位移、受損索和松弛索的方法。二、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)別索結(jié)構(gòu)支座位移、受損索和松弛索的健康監(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)、基于實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)的、基 于被監(jiān)測(cè)量等量的監(jiān)測(cè)的、識(shí)別索結(jié)構(gòu)的支座位移、受損索和松弛索的方法?？砂慈缦路椒?進(jìn)行，以獲得更準(zhǔn)確的索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評(píng)估。第一步首先建立索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。、建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn) 模型A。(例如有限元基準(zhǔn)模型，在本發(fā)明中A。是不變的)。索結(jié)構(gòu)“初始健康狀態(tài)向量記為d?！?如式(1)所示)，用d。表示索結(jié)構(gòu)(用索結(jié) 構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。表示)的健康狀態(tài)。d。= [Clol 屯…Cloi···(!。N]T (1)式(1)中Ui = 1,2,3,.......，N)表示A。中的索結(jié)構(gòu)的第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象的
初始健康狀態(tài)，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么cU表示其初始損 傷，doi為0時(shí)表示無(wú)損傷，為100%時(shí)表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時(shí) 表示喪失相應(yīng)比例的承載能力，如果經(jīng)無(wú)損檢測(cè)查明該索沒(méi)有損傷，那么Cltji表示該索與Cltji 損傷值力學(xué)等效的松弛，具體松弛量的計(jì)算方法在后面說(shuō)明；如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支 座的一個(gè)位移分量，那么Cltji表示其初始位移數(shù)值。式(1)中T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。建立索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量(依據(jù)式(1)記為d。)時(shí)，利用索結(jié)構(gòu)完工之時(shí)或 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的支座坐標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)圖、竣工圖確定索結(jié)構(gòu) 初始健康狀態(tài)向量d。的對(duì)應(yīng)于支座位移的各元素?cái)?shù)值；利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá) 索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)確定索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。的對(duì)應(yīng)于索的各元素?cái)?shù)值；如果沒(méi)有 索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無(wú)損傷無(wú)松弛狀態(tài)時(shí)，向量d。的對(duì)應(yīng)于索的各元素?cái)?shù)值取O。建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。(例如有限元基準(zhǔn)模型)的方法如下首先在索結(jié)構(gòu)上增加M2 (M2不小于N-Q)根索，新增加的M2根索的剛度同結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的剛度相比，可以應(yīng)當(dāng)小很多，例如小10倍，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中將監(jiān)測(cè) 這新增加的M2根索的索力。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作前實(shí)測(cè)得到這新增加的M2根索 的索力。同時(shí)測(cè)量得到新增加的M2根索的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，測(cè)量得到新增加的M2根索 的兩個(gè)在索結(jié)構(gòu)上安裝端點(diǎn)的坐標(biāo)。稱上述信息為新增加的M2根索的所有信息。新增加的M2根索的所有信息已知后，再建立A。。建立A。時(shí)，根據(jù)已知的新增加的 M2根索的所有信息，根據(jù)索結(jié)構(gòu)完工之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索 力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(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 橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)、索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康 狀態(tài)的數(shù)據(jù))和設(shè)計(jì)圖、竣工圖，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立A。；如果沒(méi)有索結(jié)構(gòu) 完工之時(shí)的結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到索結(jié)構(gòu) 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié) 構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)、 索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù))，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工 圖，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立A。。不論用何種方法獲得A。，基于A。計(jì)算得到的索 結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)(對(duì)斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))必須非 常接近其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用A。計(jì)算所得的模擬情況下的 應(yīng)變計(jì)算數(shù)據(jù)、索力計(jì)算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀計(jì)算數(shù)據(jù)和位移計(jì)算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)角度數(shù)據(jù)等， 可靠地接近所模擬情況真實(shí)發(fā)生時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。本發(fā)明中用被監(jiān)測(cè)量初始向量C。表示索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始值組成的向 量(見(jiàn)式(2))。要求在獲得A。的同時(shí)獲得C。。因在前述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模 型計(jì)算所得的被監(jiān)測(cè)量可靠地接近于初始被監(jiān)測(cè)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同 一符號(hào)來(lái)表示該計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。<formula>formula see original document page 7</formula>
式(2)中CQj(j = 1，2，3，.......，M ;M彡N)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的初始
量，該分量依據(jù)編號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)于特定的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量。T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。本發(fā)明中用被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量C是由索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前值組成 的向量(定義見(jiàn)式(3))。<formula>formula see original document page 7</formula>
式(3)中C」(j = 1，2，3，.......，M ;M彡N)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前
值，該分量依據(jù)編號(hào)規(guī)則與對(duì)應(yīng)于同一“被監(jiān)測(cè)量”。第二步建立索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣Δ C的方法。在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Α。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 N。每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原健康狀態(tài)(用索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。表 示)的基礎(chǔ)上再增加有單位損傷或單位位移(本發(fā)明稱為健康狀態(tài)有單位變化，或簡(jiǎn)稱有 單位變化)，具體的，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索增 加單位損傷(例如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷)，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向增加發(fā)生單位位移(例如10mm， 20mm, 30mm等為單位位移)，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示假設(shè)增加發(fā) 生單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)。用“單位損傷或單位位移向量Du”(如式(4) 所示)記錄所有的單位損傷或單位位移。每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估 對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，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)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有 被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i個(gè)被監(jiān)測(cè)量有單位損 傷或單位位移時(shí)，可用式(5)表示被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量C/)；每一次計(jì)算得到被監(jiān)測(cè)量計(jì) 算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量后再除以該次計(jì)算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值， 所得向量就是此條件下(以有單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)為標(biāo)記)的被監(jiān)測(cè) 量變化向量(當(dāng)?shù)趇個(gè)被評(píng)估對(duì)象有單位損傷或單位位移時(shí)，用δ C1表示被監(jiān)測(cè)量變化向 量，定義見(jiàn)式(6)，式(6)為式(5)減去式(2)所得)，被監(jiān)測(cè)量變化向量的每一元素表示由 于計(jì)算時(shí)假定有單位損傷或單位位移的那個(gè)被評(píng)估對(duì)象的單位變化而引起的該元素所對(duì) 應(yīng)的被監(jiān)測(cè)量的改變量；有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，由于有M個(gè)被監(jiān)測(cè) 量，所以每個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量有M個(gè)元素，由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組成有MXN 個(gè)元素的被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣Δ C，Δ C的定義如式(7)所示。Du= [Dul Dy. Dui…DJt(4)式(4)中單位損傷或單位位移向量Du的元素Dui (i = 1,2,3,.......，N)表示第
i個(gè)被評(píng)估對(duì)象的單位損傷或單位位移數(shù)值，向量Du中的各元素的數(shù)值可以相同也可以不 同。C;=[Q C;2 · · · C; · · · CimJ(5)式(5)中元素Ct/(i = 1,2,3,.......，N ;j = 1,2,3,.......，M ;M 彡 N)表示由
于第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象有單位損傷或單位位移時(shí)，依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的 當(dāng)前計(jì)算量。SCi=ST-C0/DUI(6) <formula>formula see original document page 8</formula>式(7)中Δ Cjji (i = 1,2,3,.......，N ;j = 1,2,3,.......，M ;M 彡 N)表示僅由
于第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象有單位變化(單位損傷或單位位移)而引起的、依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng) 的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值的變化(代數(shù)值)。被監(jiān)測(cè)量變化向量S Ci實(shí)際上是矩 陣AC中的一列，AC也可以用δ Ci定義，如式⑶中。Δ C = [ δ C1 δ C2... δ Ci... δ CN](8)式(8)中向量SCi(i = l，2，3，.......，N)表示由于第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象有單位變化Dui而引起的、所有被監(jiān)測(cè)量的相對(duì)數(shù)值變化。矩陣AC的列(下標(biāo)i)的編號(hào)規(guī)則與前 面向量d。的元素的下標(biāo)i的編號(hào)規(guī)則相同。第三步在索結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，不斷實(shí)測(cè)獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)據(jù)，組成索 結(jié)構(gòu)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C”。第四步識(shí)別索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前健康狀態(tài)(識(shí)別支座位移、受損索和松弛索)。具體過(guò) 程如下。被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量C (計(jì)算或?qū)崪y(cè))同被監(jiān)測(cè)量初始向量C。、被監(jiān)測(cè)量單位變 化矩陣△(和被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d間的近似線性關(guān)系，如式(9)或式(10)所示。C = C。+ Δ C · dc(9)C-C0 = Δ C · dc(10)式(9)和式(10)中被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C的定義類似于被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。的定義，見(jiàn)式(11)；索結(jié)構(gòu)“被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。”的 定義見(jiàn)式(12)。C = [C1 C2 …Cj-CJt(11)式(11)中元素Cj (j = 1,2,3,.......，M;M彡N)是索結(jié)構(gòu)的、依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)
應(yīng)的編號(hào)為j的被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值。dc= [dcl dc2…dci…dcN]T (12)式(12)中cUG = 1，2，3，.......，N)是索結(jié)構(gòu)第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前健康狀
態(tài)。向量d。的元素的下標(biāo)i的編號(hào)規(guī)則與矩陣AC的列的編號(hào)規(guī)則相同。當(dāng)索實(shí)際損傷不太大時(shí)，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(9)或式(10)所表示的這樣一種線性關(guān)系同實(shí)際情況的誤差較小，誤差可用誤差 向量e (式(13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關(guān)系的誤差。e = abs ( Δ C · dc_C+C0)(13)式(13)中abs()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。由于式(9)或式(10)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(9) 或式(10)和“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(實(shí)測(cè))數(shù)值向量C”來(lái)直接求解得到“被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健 康狀態(tài)向量d?！?。如果這樣做了，得到的向量d。中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)較大的負(fù)值，也就是負(fù) 損傷、負(fù)松弛或負(fù)支座沉降，這明顯是不合理的。因此獲得向量d。的可接受的解(即帶有 合理誤差，但可以比較準(zhǔn)確地確定支座位移、確定受損索的位置及其損傷程度、確定松弛索 的位置及其松弛程度)成為一個(gè)合理的解決方法，可用式(14)來(lái)表達(dá)這一方法。abs ( Δ C · dc_C+C0)彡 g (14)式(14)中abs()是取絕對(duì)值函數(shù)，向量g描述偏離理想線性關(guān)系(式(9)或式 (10))的合理偏差，由式(15)定義。g = [gl g2...gj"..gM]T (15)式(15)中g(shù)j(j = 1,2,3,.......，Μ)描述了偏離式(9)或式(10)所示的理想線
性關(guān)系的最大允許偏差。向量g可根據(jù)式(13)定義的誤差向量e試算選定。在“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。” (實(shí)測(cè)或計(jì)算得到)、“索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化 矩陣AC”(計(jì)算得到)和“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C”(實(shí)測(cè)得到)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(14)，獲得“被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。”的可接受的解，然后“當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d”(定義見(jiàn)式(16))的元素可以根據(jù)式(17)計(jì) 算得到，也就是得到了“當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d”，當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d表達(dá)了計(jì)入初 始健康狀態(tài)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)際健康狀態(tài)。
<formula>formula see original document page 10</formula>
式(16)中dji = 1，2，3，.......，N)表示索結(jié)構(gòu)的第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)
際健康狀態(tài)，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么屯表示其當(dāng)前實(shí)際損 傷，屯為0時(shí)表示無(wú)損傷，為100%時(shí)表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時(shí)表 示喪失相應(yīng)比例的承載能力；確定受損索之后對(duì)所有的受損索進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，經(jīng)無(wú)損檢測(cè) 查明該索沒(méi)有損傷，那么屯表示該索與屯損傷值力學(xué)等效的松弛，由此就確定了松弛索，具 體松弛量的計(jì)算方法在下面說(shuō)明；如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么屯 表示其當(dāng)前位移數(shù)值。向量d的元素的編號(hào)規(guī)則與式(1)中向量d。的元素的編號(hào)規(guī)則相 同。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(17)中‘(i = 1，2，3，.......，N)是向量d。的第j個(gè)元素，dcj是向量dj勺
第j個(gè)元素。下面敘述得到了索結(jié)構(gòu)當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d后，如何確定松弛索的位置和松 弛程度。已知索系統(tǒng)中共有Q根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)由Q根支承索的索力來(lái)描述?？捎?“初始索力向量F?！北硎舅鹘Y(jié)構(gòu)中所有支承索的初始索力(定義見(jiàn)式(18))。因?yàn)榛谒鹘Y(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(lái)表示該計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(18)中F。(k= 1,2,3,.......，Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的初始索力，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。向量F。是常量。在建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì) 算基準(zhǔn)模型A。時(shí)使用了向量F。。依據(jù)定義，向量C。包括了向量F。。本發(fā)明中用“當(dāng)前索力向量F”表示實(shí)測(cè)得到的索結(jié)構(gòu)中所有支承索的當(dāng)前索力 (定義見(jiàn)式(19))。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(19)中Fk(k= 1,2,3,.......，Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的當(dāng)前索力。本發(fā)明中，在支承索初始狀態(tài)(無(wú)損傷、無(wú)松弛)下，且支承索處于自由狀態(tài)(自 由狀態(tài)指索力為0，后同)時(shí)，支承索的長(zhǎng)度稱為初始自由長(zhǎng)度，用“初始自由長(zhǎng)度向量1?！?表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的初始自由長(zhǎng)度(定義見(jiàn)式(20))。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(20)中l(wèi)。k(k= 1，2，3，.......，Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的初始自由長(zhǎng)度。
向量1。是常量，在開(kāi)始時(shí)確定后，就不再變化。本發(fā)明中，用“當(dāng)前自由長(zhǎng)度向量1”表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的當(dāng)前自由長(zhǎng)度 (定義見(jiàn)式(21))。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(21)中l(wèi)k(k= 1,2,3,.......，Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的當(dāng)前自由長(zhǎng)度。
本發(fā)明中，用“自由長(zhǎng)度改變向量Δ 1”(或稱支承索當(dāng)前松弛程度向量)表示索 結(jié)構(gòu)中所有支承索的自由長(zhǎng)度的改變量(定義見(jiàn)式(22)和式(23))。<formula>formula see original document page 11</formula>式(22)中Alk(k= 1,2,3,.......，Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的自由長(zhǎng)度的
改變量，其定義見(jiàn)式(23)，Alk不為0的索為松弛索，Alk的數(shù)值為索的松弛量，并表示索 系統(tǒng)第k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。<formula>formula see original document page 11</formula>向量F。、cf、Fk、l。、l、Δ 1的編號(hào)規(guī)則相同。確定松弛索之后，在本發(fā)明中通過(guò)將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來(lái)進(jìn)行松弛索 的松弛程度識(shí)別，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無(wú)松弛和無(wú)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，同編號(hào)為k的支承索(其當(dāng)前松弛程度用八込定義，對(duì)應(yīng)于向量？?！弧?Fk、l。、l、Δ 1的第k個(gè)元素)進(jìn)行等效的受損的支承索的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)用cfk表示(cfk 是支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量cf的第k個(gè)元素)。松弛的第k個(gè)支承索的當(dāng)前松弛程度 Alk(Alk的定義見(jiàn)式(22))同等效的受損索的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)cfk之間的關(guān)系由前述兩 項(xiàng)力學(xué)等效條件確定。△ Ik同cfk之間的具體關(guān)系可以采用多種方法實(shí)現(xiàn)，例如可以直接根 據(jù)前述等效條件確定(參見(jiàn)式(24))，也可采用基于Ernst等效彈性模量代替式(24)中的
E進(jìn)行修正后確定(參見(jiàn)式(25))，也可以采用基于有限元法的試算法等其它方法來(lái)確定。 [。_ (24)
<formula>formula see original document page 11</formula>式(24)和式(25)中Ek是該支承索的彈性模量，Ak是該支承索的橫截面面積，F(xiàn)k是 該支承索的當(dāng)前索力，d\是該支承索的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)，是該支承索的單位長(zhǎng)度的重 量，Ikx是該支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的水平距離。式(25)中[]內(nèi)的項(xiàng)是該支承索的Ernst 等效彈性模量，由式(24)或式(25)可以就可以確定支承索當(dāng)前松弛程度向量△ 1。式(25) 是對(duì)式(24)的修正。本發(fā)明的第二部分健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (監(jiān)測(cè)被監(jiān)測(cè)量、監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)、監(jiān)測(cè)索力、監(jiān)測(cè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離)、信 號(hào)采集器和計(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)被監(jiān)測(cè)量、監(jiān)測(cè)每一個(gè)支承索的索力、 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應(yīng)當(dāng)能夠完成本發(fā)明的第一部分所設(shè)定的過(guò)程，即完成本發(fā)明中所需要的、可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)、記錄、控制、存儲(chǔ)、計(jì)算、通知、報(bào)警等功能。本發(fā)明方法具體包括a.為敘述方便起見(jiàn)，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評(píng)估的支承索和支座位移分量為被評(píng)估對(duì)象，設(shè)被評(píng)估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量為N ； 確定被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評(píng)估對(duì)象編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù) 步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號(hào)，i = 1,2,3,...,N；b.設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)包括這Q根支承索的索力，顯然Q小 于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N;僅僅通過(guò)Q個(gè)支承索的Q個(gè)索力數(shù)據(jù)來(lái)求解未知的N個(gè)被評(píng)估對(duì)象 的狀態(tài)是不可能的，本發(fā)明在監(jiān)測(cè)全部Q根支承索索力的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)上人為增加M2根 索，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中將監(jiān)測(cè)這新增加的M2根索的索力；綜合上述被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu) 共有M根索的M個(gè)索力被監(jiān)測(cè)，即有M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，其中M為Q與M2之和；M不得小于被評(píng) 估對(duì)象的數(shù)量N;新增加的M2根索的剛度同索結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的剛度相比，應(yīng)當(dāng)小 得多；新增加的M2根索的索力應(yīng)當(dāng)比索結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的索力小得多，這樣可以保 證即使這新增加的M2根索出現(xiàn)了損傷或松弛，對(duì)索結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、變形的影響 微乎其微；新增加的M2根索的橫截面上正應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于其疲勞極限，這些要求可以保證新 增加的M2根索不會(huì)發(fā)生疲勞損傷；新增加的M2根索的兩端應(yīng)當(dāng)充分錨固，保證不會(huì)出現(xiàn)松 弛；新增加的M2根索應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠浞值姆栏g保護(hù)，保證新增加的M2根索不會(huì)發(fā)生損傷和松 弛；為方便起見(jiàn)，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”；給M個(gè)被 監(jiān)測(cè)量連續(xù)編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；c.利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始健康狀態(tài)向 量d。。如果沒(méi)有索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，向量d。的各元 素?cái)?shù)值取0。d.在建立初始健康狀態(tài)向量d。的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量 的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。；e.在建立初始健康狀態(tài)向量d。和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。的同時(shí)，直接測(cè)量 計(jì)算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量F。；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù) 據(jù)得到所有支承索的初始自由長(zhǎng)度，組成初始自由長(zhǎng)度向量1。；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、 竣工數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；同時(shí)，實(shí)測(cè)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；f.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)、索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)和初始 索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。；g.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被 監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC;h.在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)新增加的M2根索進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，從中鑒別出出現(xiàn)損 傷或松弛的索；i.依據(jù)被監(jiān)測(cè)量編號(hào)規(guī)則，從被監(jiān)測(cè)量初始向量C。中去除步驟h中鑒別出的出現(xiàn) 損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的元素；j.依據(jù)被監(jiān)測(cè)量編號(hào)規(guī)則，從索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC中去除步驟h中鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的行；k.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F ；同時(shí)，實(shí)測(cè)得 到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C”;然后從 被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C中去除步驟h中鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的元素；實(shí) 測(cè)計(jì)算得到所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方向 分量的差就是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離；1.定義待求的被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。和當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d ；向量 d。、d。和d的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，d。、d。和d的元素和被評(píng)估對(duì)象之間是一一 對(duì)應(yīng)關(guān)系，d。、d。和d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的損傷程度或位移、或與松弛程度力 學(xué)等效的損傷程度；m.依據(jù)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C”同“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C?！薄ⅰ八鹘Y(jié)構(gòu) 被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣△ C”和“被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)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就可以算出被評(píng) 估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。；C = C0+ Δ C · dc式 1η.利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素Clj同初始健康狀態(tài)向量d。的 元素d?！购捅辉u(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。的元素d?！归g的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際健康狀 態(tài)向量d的所有元素。Cli = l-(l-doi) (l-dci)式 2式2中 i = 1,2,3,……，N;由于當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)際健康 狀態(tài)，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索，那么該元素表示其當(dāng)前實(shí)際損傷，如果該被 評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么該元素表示其當(dāng)前位移數(shù)值；當(dāng)前實(shí)際健康狀 態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值為0時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的支承索無(wú)損傷無(wú)松弛、或?qū)?yīng)的支座位移分量為0， 不為0的元素對(duì)應(yīng)于有問(wèn)題的支承索或有位移的支座；由此確定了有問(wèn)題的支承索，確定 了支座位移；O.從步驟η中識(shí)別出的有問(wèn)題的支承索中通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法鑒別出受損索，剩下 的就是松弛索；P.從當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d中取出支承索對(duì)應(yīng)的元素組成支承索當(dāng)前實(shí)際健 康狀態(tài)向量d%支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量cf有Q個(gè)元素，表示Q根支承索的當(dāng)前實(shí)際 損傷值，cf元素的編號(hào)規(guī)則與向量F0的編號(hào)規(guī)則相同，即cf和F0相同編號(hào)的元素表示相同 支承索的信息；q.利用在步驟ρ獲得的支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量(f得到松弛索的當(dāng)前實(shí)際 損傷程度，利用在步驟k獲得的當(dāng)前索力向量F，利用在步驟k獲得的所有支承索的兩個(gè)支 承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，利用在步驟e獲得的初始自由長(zhǎng)度向量1。，利用在步驟e獲得的所有索 的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過(guò)將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來(lái)計(jì)算松弛 索的、與當(dāng)前實(shí)際損傷程度等效的松弛程度，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無(wú)松弛 和無(wú)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，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化，反之亦然；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)了支承索的松弛識(shí)別；計(jì)算時(shí)所需索力由當(dāng)前索力向量 F對(duì)應(yīng)元素給出；在步驟g中，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲 得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣△ C的具體方法為gl.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。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N ；每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加有單位損 傷或單位位移，為敘述方便本發(fā)明合稱單位損傷和單位位移為單位變化；具體的，如果該被 評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加 單位損傷，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移 方向在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加發(fā)生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移， 其中i表示發(fā)生單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)；每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或 單位位移的被評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，每一 次計(jì)算都利用力學(xué)方法計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有 被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量；g2.每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量后再除以該 次計(jì)算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，有N個(gè)被評(píng)估對(duì) 象就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；g3.由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣 AC ；索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量。有益效果本發(fā)明公開(kāi)的系統(tǒng)和方法在索結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)位移的情況下、在有較多 的索同步受損或松弛的條件下可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)評(píng)估出索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)(包括所有 支座位移、所有松弛索和受損索的位置、及其松弛程度或損傷程度)。本發(fā)明公開(kāi)的系統(tǒng)和 方法對(duì)索結(jié)構(gòu)的有效健康監(jiān)測(cè)是非常有益的。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開(kāi)了一種能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)的支座位移、識(shí)別受損索松弛索的 系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例的下面說(shuō)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。在索結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)位移、出現(xiàn)受損索、松弛索的情況下，本發(fā)明采用一種算法，該 算法用于監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)(包括識(shí)別支座位移、受損索、松弛索)。具體實(shí)施時(shí)，下列 步驟是可采取的各種步驟中的一種。第一步為敘述方便起見(jiàn)，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評(píng)估的支承索和支座位移分量為被評(píng)估對(duì)象，設(shè)被評(píng)估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量為 N ；確定被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評(píng)估對(duì)象編號(hào)，該編號(hào)在后 續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號(hào)，i = 1,2,3,...,N0 設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)包括這Q根支承索的索力，顯然Q小于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N。僅僅通過(guò)Q個(gè)支承索的Q個(gè)索力數(shù)據(jù)來(lái)求解未知的N個(gè)被評(píng)估對(duì)象 的狀態(tài)是不可能的，本發(fā)明在監(jiān)測(cè)全部Q根支承索索力的基礎(chǔ)上，增加對(duì)不少于(N-Q)個(gè)其 他被監(jiān)測(cè)量。增加的不少于(N-Q)個(gè)的其他被監(jiān)測(cè)量仍然是索力，敘述如下 在結(jié)構(gòu)上人為增加M2 (M2不小于N-Q)根索，新增加的M2根索的剛度同索結(jié)構(gòu)的任 意一根支承索的抗拉剛度相比，可以小很多，例如小10倍；新增加的M2根索的索力應(yīng)當(dāng)比 索結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的索力小得多，這樣可以保證即使這新增加的M2根索出現(xiàn)了損傷 或松弛，對(duì)索結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、變形的影響微乎其微；新增加的M2根索的橫截面 上正應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于其疲勞極限，例如只有疲勞極限的二分之一，這些要求可以保證新增加 的M2根索不會(huì)發(fā)生疲勞損傷；新增加的M2根索的兩端應(yīng)當(dāng)充分錨固，保證不會(huì)出現(xiàn)松弛； 新增加的M2根索應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠浞值姆栏g保護(hù)，保證新增加的M2根索不會(huì)發(fā)生損傷和松弛； 還可以采用多增加索的方式來(lái)保證健康監(jiān)測(cè)的可靠性，例如使M2不小于N-Q的2倍，在結(jié) 構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中只挑選其中的完好的索的索力數(shù)據(jù)(稱為實(shí)際可以使用的被監(jiān)測(cè)量，記 錄其數(shù)量為K，K不得小于N)和對(duì)應(yīng)的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng) 估，由于M2不小于N-Q的2倍，可以保證實(shí)際可以使用的；在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中將監(jiān)測(cè)這 新增加的M2根索的索力。新增加的M2根索應(yīng)當(dāng)安裝在結(jié)構(gòu)上、人員易于到達(dá)的部位，便于 人員對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。綜合上述被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M(M = Q+M2)根索的M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，M不得小于 被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N。給M個(gè)被監(jiān)測(cè)量連續(xù)編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩 陣。為方便起見(jiàn)，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”。第二步利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始健康狀 態(tài)向量d。。如果沒(méi)有索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以 認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無(wú)損傷、無(wú)松弛狀態(tài)時(shí)，向量d。的各元素?cái)?shù)值取0。第三步在建立初始健康狀態(tài)向量do的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被 監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值，組成“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。” ；同時(shí)，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F?！?；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，組成“初始自由長(zhǎng)度向量1?！?；同時(shí)，實(shí)測(cè)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。第四步在建立初始健康狀態(tài)向量d。的同時(shí)，可以采用成熟的測(cè)量方法進(jìn)行索力 測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量、角度測(cè)量和空間坐標(biāo)測(cè)量。直接測(cè)量或測(cè)量后計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)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))，索結(jié)構(gòu)的初始幾何形狀數(shù)據(jù)可以是所有索的 端點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)加上結(jié)構(gòu)上一系列的點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，目的在于根據(jù)這些坐標(biāo)數(shù)據(jù) 確定索結(jié)構(gòu)的幾何特征。對(duì)斜拉橋而言，初始幾何形狀數(shù)據(jù)可以是所有索的端點(diǎn)的空間坐 標(biāo)數(shù)據(jù)加上橋梁兩端上若干點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這就是所謂的橋型數(shù)據(jù)。依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工 之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索 結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)、所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積等實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù)，索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖和竣工圖，利用力學(xué)方 法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。；如果沒(méi)有索結(jié)構(gòu)竣工之時(shí)的結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前對(duì)該索結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖，同樣利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型 A。；不論用何種方法獲得A。，基于A。計(jì)算得到的索結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)必須非常接近其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 其間的差異不得大于5% ’A0是不變的；A。對(duì)應(yīng)的索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)由d。描述；第五步安裝索結(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)(數(shù)據(jù))采集器、計(jì)算機(jī)和通信報(bào)警設(shè)備。每一個(gè)被監(jiān)測(cè)量、每 一個(gè)支承索的索力和每一根支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離都必須被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到，監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的信號(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(lái)的信號(hào)；當(dāng)監(jiān) 測(cè)到索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)有變化時(shí)，計(jì)算機(jī)控制通信報(bào)警設(shè)備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的 人員報(bào)警。第六步編制并在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上安裝運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。該軟件將 完成本發(fā)明“一種基于索力監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法”任務(wù)所需要的監(jiān)測(cè)、記錄、控制、存 儲(chǔ)、計(jì)算、通知、報(bào)警等功能(即本具體實(shí)施方法中所有可以用計(jì)算機(jī)完成的工作)，并能定 期或由人員操作健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成索結(jié)構(gòu)健康情況報(bào)表，還能依據(jù)設(shè)定的條件(例如損傷 達(dá)到某一值)，自動(dòng)通知或提示監(jiān)控人員通知特定的技術(shù)人員完成必要的計(jì)算工作。第七步在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得索 結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣△(;具體方法為在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。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N ；每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原 健康狀態(tài)(用索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。表示)的基礎(chǔ)上再增加有單位損傷或單位位移， 為敘述方便本發(fā)明合稱單位損傷和單位位移為單位變化，具體的，如果該被評(píng)估對(duì)象是索 系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加單位損傷，如 果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向在原有健 康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加發(fā)生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示發(fā) 生單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)；每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被 評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，每一次計(jì)算都利用 力學(xué)方法計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng) 前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i個(gè)被監(jiān)測(cè)量有單位損傷或單位位移 時(shí)，可用被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量C/表示)；每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去 被監(jiān)測(cè)量初始向量后再除以該次計(jì)算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個(gè)被監(jiān)測(cè) 量變化向量，有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依 次組成有N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC;索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC的 每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量。在本步驟中及其后給各向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)同本 發(fā)明中其它向量使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個(gè)元素，同 其它向量中的、編號(hào)相同的元素，表達(dá)了同一被監(jiān)測(cè)量或同一被評(píng)估對(duì)象的相關(guān)信息。第八步建立線性關(guān)系誤差向量e和向量g。利用前面的數(shù)據(jù)(“被監(jiān)測(cè)量的初 始數(shù)值向量C。”、“索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC”)，在第七步進(jìn)行每一次計(jì)算的同時(shí)， 即在每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原健康狀態(tài)d。的基礎(chǔ)上再增加有單位損傷或單位位移，計(jì)算得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i個(gè)被監(jiān)測(cè)量有單位損傷或單位位移時(shí)，用被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量Cti表示)的同時(shí)，每一次計(jì)算組成一個(gè)“健康狀態(tài)向 量dt”，健康狀態(tài)向量dt的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，健康狀態(tài)向量dt的所有元素中 只有一個(gè)元素的數(shù)值取每一次計(jì)算中假設(shè)增加單位變化的被評(píng)估對(duì)象的單位變化值，dt的 其它元素的數(shù)值取O ;(/、(；、屯的編號(hào)規(guī)則相同，也與AC的行的編號(hào)規(guī)則相同；將Cti、C。、 AC、dt帶入式(13)(需注意的，式(13)中C用C 帶入，d。用dt帶入)，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N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就有N次計(jì)算，就 有N個(gè)線性關(guān)系誤差向量e，將這N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N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e。將向量g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，供健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件 使用。第九步將“初始索力向量F?！?、“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。”、“初始自由長(zhǎng)度向 量1?！薄ⅰ八鹘Y(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣△ C”和所有索的彈性模量、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。第十步對(duì)新增加的M2根索進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，例如超聲波探傷、目視檢查、紅外成像 檢查，從中鑒別出出現(xiàn)損傷或松弛的索。第十一步依據(jù)被監(jiān)測(cè)量編號(hào)規(guī)則，從被監(jiān)測(cè)量初始向量C。中去除第十步中鑒別 出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的元素；依據(jù)被監(jiān)測(cè)量編號(hào)規(guī)則，從索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變 化矩陣△(中去除第十步中鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的行；實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所 有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C，然后從被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前 數(shù)值向量C中去除第十步中鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的元素；依據(jù)被監(jiān)測(cè)量編號(hào) 規(guī)則，從向量g中去除第十步中鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的元素。實(shí)測(cè)計(jì)算得到 所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方向分量的差就 是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離。第十二步依據(jù)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C”同“被監(jiān)測(cè)量的初 始數(shù)值向量C?！薄ⅰ八鹘Y(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣△ C”和“被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d?！?間存在的近似線性關(guān)系(見(jiàn)式(9))，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算索系統(tǒng)被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康 狀態(tài)向量d。的非劣解。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(Constran Method)、力口權(quán)法(Weghted Sum Method)、目標(biāo)規(guī)劃法(Goal Attanment 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)劃法為例給出求解被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。的過(guò)程，其它算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò) 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(9)可以轉(zhuǎn)化成式(26)和式(27)所示的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，式 (26)中γ是一個(gè)實(shí)數(shù)，R是實(shí)數(shù)域，空間區(qū)域Ω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。的對(duì)應(yīng)于支承索每一個(gè)元素不小于0，不大于1 ；對(duì)應(yīng)于支座位移的 每一個(gè)元素根據(jù)支座約束范圍選定，例如安置在橋墩上的橋塔支座不應(yīng)發(fā)生大于2米的位 移)。式(26)的意思是尋找一個(gè)絕對(duì)值最小的實(shí)數(shù)Y，使得式(27)得到滿足。式(27)中G(dc)由式(28)定義，式(27)中加權(quán)向量W與Y的積表示式(27)中G(d。)與向量g之間 允許的偏差，g的定義參見(jiàn)式(15)，其值在第八步計(jì)算得到。實(shí)際計(jì)算時(shí)向量W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)前名義損傷向量d。。minimize γ(26)y e R, dc e ΩG(dc)-ffY ^ g(27)G (dc) = abs ( Δ C · dc_C+C。) (28)求得被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。后，可依據(jù)式(17)得到的當(dāng)前實(shí)際健康狀 態(tài)向量d每一個(gè)元素，當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地識(shí)別 有問(wèn)題的索(可能是受損也可能是松弛)、可以比較準(zhǔn)確地確定所有支座位移的解。若解得 的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于一個(gè)被評(píng)估對(duì)象的健康狀態(tài)，如果該被評(píng) 估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么該元素的數(shù)值表示其當(dāng)前損傷或松弛，如果該 被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么該元素的數(shù)值表示其當(dāng)前位移數(shù)值。第十三步識(shí)別受損索和松弛索。由于當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值代表 對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)，如果d的一個(gè)元素Cli對(duì)應(yīng)于索系統(tǒng)中的一根索(或 拉桿)，那么Cli表示其當(dāng)前可能的實(shí)際損傷，Cli為0時(shí)表示無(wú)損傷，為100%時(shí)表示該索徹 底喪失承載能力，介于0與100%之間時(shí)表示喪失相應(yīng)比例的承載能力，但這根索究竟是發(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(guò)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(guò)無(wú)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(wú)損檢測(cè)方法。鑒 別后那些沒(méi)有發(fā)現(xiàn)損傷且Cli數(shù)值不為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，依據(jù)式(24)或式(25)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)了受 損索識(shí)別和松弛索識(shí)別。第十四步識(shí)別支座位移。當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的對(duì)應(yīng)于支座位移的元素?cái)?shù) 值就是支座位移量。第十五步健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)定期自動(dòng)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。第十六步在指定條件下，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作通信報(bào)警設(shè)備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報(bào)警。
權(quán)利要求
一種基于索力監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述方法包括a.稱被評(píng)估的支承索和支座位移分量為被評(píng)估對(duì)象，設(shè)被評(píng)估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量為N；確定被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評(píng)估對(duì)象編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號(hào)，i＝1，2，3，...，N；b.設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)包括這Q根支承索的索力，顯然Q小于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N；僅僅通過(guò)Q個(gè)支承索的Q個(gè)索力數(shù)據(jù)來(lái)求解未知的N個(gè)被評(píng)估對(duì)象的狀態(tài)是不可能的，在監(jiān)測(cè)全部Q根支承索索力的基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)上人為增加M2根索，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中將監(jiān)測(cè)這新增加的M2根索的索力；綜合上述被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M根索的M個(gè)索力被監(jiān)測(cè)，即有M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，其中M為Q與M2之和；M不得小于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N；新增加的M2根索的剛度同索結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的剛度相比，應(yīng)當(dāng)小得多；新增加的M2根索的索力應(yīng)當(dāng)比索結(jié)構(gòu)的任意一根支承索的索力小得多，這樣可以保證即使這新增加的M2根索出現(xiàn)了損傷或松弛，對(duì)索結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變、變形的影響微乎其微；新增加的M2根索的橫截面上正應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于其疲勞極限，這些要求可以保證新增加的M2根索不會(huì)發(fā)生疲勞損傷；新增加的M2根索的兩端應(yīng)當(dāng)充分錨固，保證不會(huì)出現(xiàn)松弛；新增加的M2根索應(yīng)當(dāng)?shù)玫匠浞值姆栏g保護(hù)，保證新增加的M2根索不會(huì)發(fā)生損傷和松弛；將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”；給M個(gè)被監(jiān)測(cè)量連續(xù)編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；c.利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始健康狀態(tài)向量do。如果沒(méi)有索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，向量do的各元素?cái)?shù)值取0。d.在建立初始健康狀態(tài)向量do的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Co；e.在建立初始健康狀態(tài)向量do和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Co的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有支承索的初始自由長(zhǎng)度，組成初始自由長(zhǎng)度向量lo；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；同時(shí)，實(shí)測(cè)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；f.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)、索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ao；g.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ao的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣ΔC；h.在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)新增加的M2根索進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，從中鑒別出出現(xiàn)損傷或松弛的索；i.依據(jù)被監(jiān)測(cè)量編號(hào)規(guī)則，從被監(jiān)測(cè)量初始向量Co中去除步驟h中鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的元素； j.依據(jù)被監(jiān)測(cè)量編號(hào)規(guī)則，從索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣ΔC中去除步驟h中鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的行；k.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F；同時(shí)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C”；然后從被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C中去除步驟h中鑒別出的出現(xiàn)損傷或松弛的索對(duì)應(yīng)的元素；實(shí)測(cè)計(jì)算得到所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方向分量的差就是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離；l.定義待求的被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量dc和當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d；向量do、dc和d的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，do、dc和d的元素和被評(píng)估對(duì)象之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，do、dc和d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的損傷程度或位移、或與松弛程度力學(xué)等效的損傷程度；m.依據(jù)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C”同“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Co”、“索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣ΔC”和“被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量dc”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dc外的其它量均為已知，求解式1就可以算出被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量dc；C＝Co+ΔC·dc式1n.利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素dj同初始健康狀態(tài)向量do的元素doj和被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量dc的元素dcj間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的所有元素。di＝1-(1-doi)(1-dci)式2式2中i＝1，2，3，……，N；由于當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索，那么該元素表示其當(dāng)前實(shí)際損傷，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么該元素表示其當(dāng)前位移數(shù)值；當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值為0時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的支承索無(wú)損傷無(wú)松弛、或?qū)?yīng)的支座位移分量為0，不為0的元素對(duì)應(yīng)于有問(wèn)題的支承索或有位移的支座；由此確定了有問(wèn)題的支承索，確定了支座位移；o.從步驟n中識(shí)別出的有問(wèn)題的支承索中通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法鑒別出受損索，剩下的就是松弛索；p.從當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d中取出支承索對(duì)應(yīng)的元素組成支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dc，支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dc有Q個(gè)元素，表示Q根支承索的當(dāng)前實(shí)際損傷值，dc元素的編號(hào)規(guī)則與向量Fo的編號(hào)規(guī)則相同，即dc和Fo相同編號(hào)的元素表示相同支承索的信息；q.利用在步驟p獲得的支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dc得到松弛索的當(dāng)前實(shí)際損傷程度，利用在步驟k獲得的當(dāng)前索力向量F，利用在步驟k獲得的所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，利用在步驟e獲得的初始自由長(zhǎng)度向量lo，利用在步驟e獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過(guò)將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來(lái)計(jì)算松弛索的、與當(dāng)前實(shí)際損傷程度等效的松弛程度，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無(wú)松弛和無(wú)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，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化，反之亦然；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)了支承索的松弛識(shí)別；計(jì)算時(shí)所需索力由當(dāng)前索力向量F對(duì)應(yīng)元素給出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于索力監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于在步 驟g中，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān) 測(cè)量單位變化矩陣AC的具體方法為gl.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。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N ；每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加有單位損傷或 單位位移，為敘述方便本發(fā)明合稱單位損傷和單位位移為單位變化；具體的，如果該被評(píng)估 對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加單位 損傷，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向 在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加發(fā)生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中 i表示發(fā)生單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)；每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位 位移的被評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，每一次計(jì) 算都利用力學(xué)方法計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān) 測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量；g2.每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量后再除以該次計(jì) 算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就 有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；g3.由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC; 索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量。
全文摘要
一種基于索力監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，該方法基于索力監(jiān)測(cè)，即對(duì)全部支承索和人為增加的索的索力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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)等建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，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(guò)計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣。依據(jù)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測(cè)量初始向量、索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣和待求的被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量間存在的近似線性關(guān)系，可以識(shí)別出索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的變化，即識(shí)別出支座位移、受損索和松弛索。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101806668SQ20101014011
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者張居鎖, 韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)