專利名稱：支座角位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的索系統(tǒng)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，為方便起見本發(fā)明將該類結(jié)構(gòu)表述為“索結(jié)構(gòu)”。在有支座角位移(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Χ、Υ、Ζ的角位移)時，本發(fā)明基于應(yīng)變監(jiān)測來識別索結(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，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)中的受損索(對桁架結(jié)構(gòu)就是指受損的僅承受拉伸載荷的桿件)，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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)來識別索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索(如前所述也指僅承受拉伸載荷的桿件)是一種極具潛力的方法。索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化后，會引起結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化，例如索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變會發(fā)生變化，實際上應(yīng)變的變化包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，也就是說可以利用結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，可以基于應(yīng)變監(jiān)測(本發(fā)明將被監(jiān)測的應(yīng)變稱為“被監(jiān)測量”，后面提到“被監(jiān)測量”就是指被監(jiān)測的應(yīng)變)來識別受損索，被監(jiān)測量除了受索系統(tǒng)健康狀態(tài)的影響外，還會受索結(jié)構(gòu)支座角位移(常常會發(fā)生)的影響， 目前還沒有一種公開的、有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)和方法解決了此問題。在支座角位移時，為了能對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)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)的變形或應(yīng)變的變化同索系統(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)可以給出更可信的索系統(tǒng)的健康評估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是在索結(jié)構(gòu)支座有角位移時，針對索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測問題，公開了一種基于應(yīng)變監(jiān)測的、能夠合理有效地監(jiān)測索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法。技術(shù)方案本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立索系統(tǒng)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)的應(yīng)變(或變形)及實測索結(jié)構(gòu)支座角位移的索系統(tǒng)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索系統(tǒng)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)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Α。(例如有限元基準(zhǔn)模型)和當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型#。(例如有限元基準(zhǔn)模型)的方法。在本發(fā)明中Α。是不變的。Attj是不斷更新的。 建立Α。、建立和更新Attj的方法如下。建立Α。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)。對應(yīng)于A。的索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量U0。在索結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)(所有數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標(biāo)向量讓，向量If的定義方式與向量V相同)。為方便起見，將上一次更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型時的索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)記為當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量V。。建立和更新At。的方法是在初始時刻，At。就等于A。，V。就等于^ ；在索結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標(biāo)向量 If,如果If等于讓。，則不需要對At0進行更新；如果If不等于If0,則需要對At0進行更新，此時M與^的差就是索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初始位置(對應(yīng)于A。)的支座角位移，更新Attj的方法是對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加位移約束(其數(shù)值取自支座角位移向量K)后得到更新的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型#。，更新At0的同時，C。所有元素數(shù)值也用If所有元素數(shù)值代替，即更新了 <，這樣就得到了正確地對應(yīng)于Attj的If。。“結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)”可由結(jié)構(gòu)上f個指定點的、及每個指定點的Z個指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K個指定點的所有應(yīng)變的變化。每次共有個應(yīng)變測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。#和#一般不得小于索的數(shù)量為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(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“應(yīng)變的某某矩陣或某某向量”。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Α。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。Ct, =[cel Ce2 * · · C, · · · CauJ(1)
式(1)中C^.C/=1，2，3，…….，M; M^JV)是索結(jié)構(gòu)中第J·個被監(jiān)測量的初始量， 該分量依據(jù)編號規(guī)則對應(yīng)于特定的第J·個被監(jiān)測量。r表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。本發(fā)明中用被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C是由索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前值組成的向量(定義見式(2))。
權(quán)利要求
1. 一種支座角位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其特征在于所述方法包括a.設(shè)共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定指定的被監(jiān)測點，被監(jiān)測點即表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的所有指定點，并給所有指定點編號；確定被監(jiān)測點的被監(jiān)測的應(yīng)變方向，并給所有指定的被監(jiān)測應(yīng)變編號；“被監(jiān)測應(yīng)變編號”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)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)”由上述所有被監(jiān)測應(yīng)變組成；本發(fā)明將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)”簡稱為“被監(jiān)測量”；被監(jiān)測點的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被監(jiān)測量的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；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)、初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量^；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)向量^建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型K并第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型At。，索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)至少包括索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj時，索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj就等于索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。；對應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量V。，第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型 Attj時，< 就等于"。;e.從這里進入由第e步到第k步的循環(huán)；在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測得到索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標(biāo)向量 If;f.根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標(biāo)向量V，在必要時更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj 和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量V。；g.在當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣」C和單位損傷標(biāo)量久；h.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;i.定義索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d,索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量J的元素和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量J的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；j.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)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣」〔單位損傷標(biāo)量久和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量J間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達為式1，式1中除i/外的其它量均為已知，求解式1就可以算出索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量由于當(dāng)前損傷向量i/的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度，所以根據(jù)當(dāng)前損傷向量確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測；若當(dāng)前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(yīng)的索是完好的，沒有損傷的；若其數(shù)值為100%，則表示該元素所對應(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；<7 二 Ce +AC· /式 1k.回到第e步，開始有第e步到第k步的下一次循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座角位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟f中，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標(biāo)向量 Λ在必要時更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型At0和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量If0的具體方法為Π.在步驟e中實測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標(biāo)向量M后，比較M和于讓。，如果 Lf等于"。，則At0和^保持不變；f2.在步驟e中實測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標(biāo)向量V后，比較V和 <，如果V 不等于讓。，則需要對At0和C。進行更新，更新方法是先計算If與UtMi, 口與I的差就是索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初始位置的當(dāng)前支座角位移，用支座角位移向量Z表示支座角位移，支座角位移向量K中的元素與支座角位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，支座角位移向量「中一個元素的數(shù)值對應(yīng)于一個指定支座的繞一個指定方向的角位移；更新At0的方法是對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座角位移約束，當(dāng)前支座角位移約束的數(shù)值就取自支座角位移向量K中對應(yīng)元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加支座角位移約束后得到更新的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型#。，更新At0的同時，Lf0所有元素數(shù)值也用第e步的If所有元素數(shù)值對應(yīng)代替，即更新了 <，這樣就得到了正確地對應(yīng)于Attj的<。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座角位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟g中，在當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上，通過若干次力學(xué)計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣」C和單位損傷標(biāo)量久的具體方法為gl.索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣」^是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量C。的同時，必須同時更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣」C和單位損傷標(biāo)量久；g2.在索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有#根索就有#次計算，每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷標(biāo)量久，每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(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；g3.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)測量初始向量得到一個被監(jiān)測量變化向量；有#根索就有#個被監(jiān)測量變化向量；g4.由這#個被監(jiān)測量變化向量依次組成有#列的索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣 」C ；索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣」C的每一列對應(yīng)于一個被監(jiān)測量變化向量。
全文摘要
支座角位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法基于應(yīng)變監(jiān)測、通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)來決定是否需要更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)發(fā)生變化時才更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型，從而得到新的計入結(jié)構(gòu)支座角位移的結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型，在此模型的基礎(chǔ)上計算獲得單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣。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、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣、單位損傷標(biāo)量和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷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算出當(dāng)前索損傷向量的非劣解，據(jù)此可以在支座角位移時、比較準(zhǔn)確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號G01B21/22GK102288431SQ20111012264
公開日2011年12月21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)明者張居鎖, 韓玉林 申請人:東南大學(xué)