專利名稱：基于角度監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個共同點，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，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)會受損，同時索結(jié)構(gòu)的支座也可能出現(xiàn)角位移(例如支座繞坐標(biāo)軸X、 Y、Z的轉(zhuǎn)動，實際上就是支座繞坐標(biāo)軸X、Y、Z的角位移)，這些變化對索結(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)測技術(shù)，基于角度監(jiān)測來識別支座角位移和索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
支座角位移對索結(jié)構(gòu)安全是一項重大威脅，同樣的，索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它的失效常常帶來整個結(jié)構(gòu)的失效，基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)來識別支座角位移和索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索是一種極具潛力的方法。當(dāng)支座出現(xiàn)角位移時、或索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化時、或者兩種情況同時發(fā)生時，會引起結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化，例如會引起索力的變化，會影響索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變，會影響索結(jié)構(gòu)的形狀或空間坐標(biāo)，會引起過索結(jié)構(gòu)的每一點的任意假想直線的角度坐標(biāo)的變化(例如結(jié)構(gòu)表面任意一點的切平面中的任意一根過該點的直線的角度坐標(biāo)的變化，或者結(jié)構(gòu)表面任意一點的法線的角度坐標(biāo)的變化)，所有的這些變化都包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，實際上這些可測量參數(shù)的變化包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息、包含了支座角位移信息，也就是說可以利用結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)來識別支座角位移和受損索。為了能對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)和支座角位移有可靠的監(jiān)測和判斷，必須有一個能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化同支座角位移和索系統(tǒng)中所有索的健康狀況間的關(guān)系的方法，基于該方法建立的健康監(jiān)測系統(tǒng)可以給出更可信的支座角位移評估和索系統(tǒng)的健康評估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明公開了一種基于角度監(jiān)測的、能夠合理有效地識別支座角位移和受損索的健康監(jiān)測方法。技術(shù)方案設(shè)索的數(shù)量和支座角位移分量的數(shù)量之和為見為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評估的索和支座角位移為“被評估對象”，給被評估對象連續(xù)編號，本發(fā)明用用變量i表示這一編號，i=l, 2，3，…，N,因此可以說有#個被評估對象?！敖Y(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)”由結(jié)構(gòu)上^個指定點的、過每個指定點的Z個指定直線的、每個指定直線的//個角度坐標(biāo)分量來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點的、 所有指定直線的所有指定的角度坐標(biāo)分量的變化。每次共有#歷個角度坐標(biāo)分量測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息。^和#不得小于支承索的數(shù)量見為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)”簡稱為“被監(jiān)測量”。在后面提到“被監(jiān)測量的某某矩陣或某某向量”時，也可讀成“被監(jiān)測的角度的某某矩陣或某某
向量”。本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立被評估對象健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識庫和參量的方法、基于知識庫(含參量)和實測索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測量的被評估對象健康狀態(tài)評估方法、健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。本發(fā)明的第一部分建立用于被評估對象健康監(jiān)測的知識庫和參量的方法。具體如下
1.建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。(例如有限元基準(zhǔn)模型)的方法如下。建立A。時，根據(jù)索結(jié)構(gòu)完工之時的索結(jié)構(gòu)的實測數(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)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、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)、索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù))和設(shè)計圖、竣工圖，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立 A。；如果沒有索結(jié)構(gòu)完工之時的結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實測，得到索結(jié)構(gòu)的實測數(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)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、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)、索的無損檢測數(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。計算得到的索結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)(對斜拉橋、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))必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用A。計算所得的模擬情況下的應(yīng)變計算數(shù)據(jù)、索力計算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀計算數(shù)據(jù)和位移計算數(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發(fā)生時的實測數(shù)據(jù)。本發(fā)明中用被監(jiān)測量初始向量G表示索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始值組成的向量(見式(1))。要求在獲得A。的同時獲得C；。因在前述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計算基準(zhǔn)模型計算所得的被監(jiān)測量可靠地接近于初始被監(jiān)測量的實測數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計算值和實測值。
權(quán)利要求
1.一種基于角度監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測方法，其特征在于所述方法包括a.為敘述方便起見，統(tǒng)一稱被評估的支承索和支座角位移分量為被評估對象，設(shè)被評估的支承索的數(shù)量和支座角位移分量的數(shù)量之和為見即被評估對象的數(shù)量為# ；確定被評估對象的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評估對象編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；用變量i表示這一編號，i=l, 2，3，…，N-,b.確定指定的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的被測量直線，給所有指定的被測量直線編號；確定每一被測量直線的被測量的角度坐標(biāo)分量，給所有被測量角度坐標(biāo)分量編號；上述編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；“結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)”由上述所有被測量角度坐標(biāo)分量組成；為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)”簡稱為“被監(jiān)測量”；所有被測量角度坐標(biāo)分量的數(shù)量之和不得小于c.直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量初始向量C；； 在實測得到被監(jiān)測量初始向量G的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)；d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)、索的無損檢測數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。；e.在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣」C;f.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實測數(shù)值，組成被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C;g.定義被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量^被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量J的元素個數(shù)等于被評估對象的數(shù)量，被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量J的元素和被評估對象之間是一一對應(yīng)關(guān)系，被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量J的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的損傷程度或角位移；h.依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量C；、索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣」C和待求的被評估對象當(dāng)前狀態(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i/外的其它量均為已知，求解式1就可以算出被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量i/；由于被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量i/的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的損傷程度或角位移，所以根據(jù)被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量確定有哪些索受損及其損傷程度，可以確定支座角位移，即實現(xiàn)了支座角位移的評估和索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于角度監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測方法， 其特征在于在步驟e中，在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A0的基礎(chǔ)上，通過若干次力學(xué)計算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣」C的具體方法為el.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Α。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于每一次計算假設(shè)只有一個被評估對象有單位損傷或單位角位移，具體的，如果該被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索有單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的角位移分量，就假設(shè)該支座在該角位移方向發(fā)生單位角位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位角位移，其中i表示發(fā)生單位損傷或單位角位移的被評估對象的編號；每一次計算中出現(xiàn)單位損傷或單位角位移的被評估對象不同于其它次計算中出現(xiàn)單位損傷或單位角位移的被評估對象，每一次計算都利用力學(xué)方法計算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量；e2.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量后再除以該次計算所假設(shè)的單位損傷或單位角位移數(shù)值，得到一個被監(jiān)測量變化向量，有#個被評估對象就有#個被監(jiān)測量變化向量；e3.由這#個被監(jiān)測量變化向量依次組成有#列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣」C ； 索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣」C的每一列對應(yīng)于一個被監(jiān)測量變化向量。
全文摘要
基于角度監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測方法基于角度監(jiān)測，根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)等建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型，在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣；依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測量初始向量、索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣和待求的被評估對象當(dāng)前狀態(tài)向量間存在的近似線性關(guān)系，可以利用多目標(biāo)優(yōu)化算法等合適的算法快速識別出支座角位移和受損索。
文檔編號G01B21/32GK102297773SQ20111012262
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者賈春, 韓玉林 申請人:東南大學(xué)