專利名稱：支座角位移時基于角度監(jiān)測的識別松弛索的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在有支座角位移(例如支座繞坐標軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動，實際上就是支座繞坐標軸X、 Y、z的角位移)時，本發(fā)明基于角度等量的監(jiān)測來識別索支承結(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，并給出具體的索長調(diào)整量，屬工程結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域。
背景技術(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，由于松弛等原因，新結(jié)構(gòu)竣工一段時間后支承索的索力通常會發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)長期服役后其支承索的松弛也會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，對結(jié)構(gòu)的安全造成不良影響，嚴重時將會引起結(jié)構(gòu)的失效，因此準確及時地識別需調(diào)整索力的支承索是非常必要的。支承索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化(例如發(fā)生松弛、損傷等)后，除了會引起索力的變化外，還會引起結(jié)構(gòu)的其它可測量參數(shù)的變化，例如引起過索結(jié)構(gòu)的每一點的任意假想直線的角度坐標的變化(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的變化，或者結(jié)構(gòu)表面任意一點的法線的角度坐標的變化)，實際上結(jié)構(gòu)角度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)角度數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，可以基于角度監(jiān)測(本發(fā)明將被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)稱為“被監(jiān)測量”，后面提到“被監(jiān)測量”就是指被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù))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。因此可以基于被監(jiān)測量監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的索，這樣在支座角位移時，就必須有一個能夠合理有效的建立被監(jiān)測量同所有索的特征參數(shù)間(具體根據(jù)索的特征參數(shù)來表征需調(diào)整索力的索)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別結(jié)果才會更可信。

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)中的、 需調(diào)整索力的支承索的識別問題，公開了一種基于角度等量的監(jiān)測的、能夠合理有效地識別需調(diào)整索力的支承索的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。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)(此時索張力也稱索力為0)下的索長度(稱為自由長度，本發(fā)明專指支承索兩支承端點間的那段索的自由長度)發(fā)生了變化；三是支承索并無損傷，但索結(jié)構(gòu)支座有了旋轉(zhuǎn)，也會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，當然也就會引起索力的變化。本發(fā)明的主要目的之一就是在支座角位移時，要識別出自由長度發(fā)生了變化的支承索，并識別出它們的自由長度的改變量，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)明將自由長度發(fā)生變化的支承索統(tǒng)稱為松弛索。技術(shù)方案本發(fā)明由兩大部分組成。分別是一、建立用于識別索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的健康監(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)、基于實測索結(jié)構(gòu)支座角位移的、基于被監(jiān)測量等量的監(jiān)測的、識別索結(jié)構(gòu)的需調(diào)整索力的支承索的方法。二、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識別索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的健康監(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)、基于實測索結(jié)構(gòu)支座角位移的、基于被監(jiān)測量等量的監(jiān)測的、識別索結(jié)構(gòu)的需調(diào)整索力的支承索的方法?？砂慈缦路椒ㄟM行， 以獲得更準確的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估。第一步首先建立索系統(tǒng)初始虛擬損傷向量式(因為支承索實際上可能是松弛而沒有損傷，為表示區(qū)別，這里稱“虛擬損傷”，后同)、建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準模型A。 (例如有限元基準模型，在本發(fā)明中A。是不變的)。設(shè)索系統(tǒng)中共有#根索，索系統(tǒng)“初始虛擬損傷向量記為之”(如式(1)所示)，用 d0表示索結(jié)構(gòu)(用索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準模型A。表示)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
權(quán)利要求
1. 一種支座角位移時基于角度監(jiān)測的識別松弛索的方法，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分量，給所有被測量角度坐標分量編號；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分量組成；為方便起見，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”；測量點的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被測量角度坐標分量的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；c.利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始虛擬損傷向量 d0 ；如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，向量Ji的各元素數(shù)值取0;d.在建立初始虛擬損傷向量式的同時，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)測量的初始數(shù)值向量G ；e.在建立初始虛擬損傷向量之和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C；的同時，直接測量計算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量^ ；同時，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量人；同時，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)或?qū)崪y得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；同時，實測或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；f.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準模型A。，建立初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標向量U0,建立索結(jié)構(gòu)當前力學(xué)計算基準模型Attj ；依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工之時的索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，該實測數(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)支座坐標數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座角坐標數(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測數(shù)據(jù)，以及索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計圖和竣工圖，利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準模型A。；如果沒有索結(jié)構(gòu)竣工之時的結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對該索結(jié)構(gòu)進行實測，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實測數(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，同樣利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準模型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)必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，其間的差異不得大于5% ；對應(yīng)于A。的索結(jié)構(gòu)支座角坐標數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標向量U0 -X 和U0是不變的；為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)當前力學(xué)計算基準模型#。”，在結(jié)構(gòu)服役過程中 Attj根據(jù)需要會不斷更新，開始時，Attj等于A。；同樣為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標向量V”，在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座角坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座角坐標當前數(shù)據(jù)組成“當前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標向量V”，向量V的元素與向量^相同位置的元素表示相同支座的相同方向的角坐標；為敘述方便起見，將上一次更新Attj時的索結(jié)構(gòu)支座角坐標當前數(shù)據(jù)記為當前索結(jié)構(gòu)支座角坐標向量V。；開始時，Attj等于A。，V。等于U0 ’A0對應(yīng)的索的健康狀態(tài)由d0描述；g.健康監(jiān)測系統(tǒng)開始工作時，令A(yù)ttj等于A。；在結(jié)構(gòu)服役過程中不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座角坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座角坐標當前數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標向量V，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標向量C，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當前力學(xué)計算基準模型Attj和當前索結(jié)構(gòu)支座角坐標向量If0 ；h.在索結(jié)構(gòu)當前力學(xué)計算基準模型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)虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣」C和名義虛擬單位損傷向量久；i.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量廠；同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量廣’;實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量的差就是兩個支承端點水平距離；給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號時，應(yīng)使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前和之后出現(xiàn)的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監(jiān)測量的、對應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；j.定義待求的當前名義虛擬損傷向量之和當前實際虛擬損傷向量義損傷向量式、 之和J的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，損傷向量的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)；k.依據(jù)“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量^同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C；”、“虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣」C,,和“當前名義虛擬損傷向量之”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中除之外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義虛擬損傷向量^；C =Ce+AC *dt式 11.利用式2表達的當前實際虛擬損傷向量i/的元素< 同初始虛擬損傷向量式的元素和當前名義虛擬損傷向量之的元素間的關(guān)系，計算得到當前實際虛擬損傷向量J的所有元素；沁=I-(I-^Xl-Jij)式 2式2中J=l，2，3，……,N；由于當前實際虛擬損傷向量J的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的當前實際虛擬損傷程度，即實際松弛程度或?qū)嶋H損傷程度，當前實際虛擬損傷向量J中數(shù)值不為0的元素對應(yīng)的支承索就是有問題的支承索，有問題的支承索可能是松弛索、也可能是受損索，其數(shù)值反應(yīng)了松弛或損傷的程度；m.從第1步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索；η.利用在第1步獲得的當前實際虛擬損傷向量i/得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第i步獲得的當前索力向量凡利用在第i步獲得的所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，利用在第e步獲得的初始自由長度向量Λ，利用在第e步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過將松弛索同受損索進行力學(xué)等效來計算松弛索的、 與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、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相同。滿足上述兩個等效條件時，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調(diào)整量；這樣就實現(xiàn)了支承索的松弛識別和損傷識別；計算時所需索力由當前索力向量廠對應(yīng)元素給出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座角位移時基于角度監(jiān)測的識別松弛索的方法，其特征在于在步驟g中，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標向量V，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當前力學(xué)計算基準模型At0和當前索結(jié)構(gòu)支座角坐標向量Ifa的具體方法為gl.實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標向量V后，比較If和If0,如果If等于讓。，則不需要對Attj進行更新；g2.實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座角坐標向量V后，比較If和If0,如果If不等于If0, 則需要對Attj進行更新，更新方法是先計算If與扎飽差，Ut與的差就是當前索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于在建立A。時的索結(jié)構(gòu)支座的當前支座角位移，用當前支座角位移向量Z表示支座角位移，當前支座角位移向量Z中的元素與支座角位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，當前支座角位移向量Z中一個元素的數(shù)值對應(yīng)于一個指定支座的一個指定方向的旋轉(zhuǎn)，其中支座角位移在重力方向的分量就是支座角位移量；更新Attj的方法是對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座角位移約束，當前支座角位移約束的數(shù)值就取自當前支座角位移向量Z中對應(yīng)元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座角位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學(xué)計算基準模型#。，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。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座角位移時基于角度監(jiān)測的識別松弛索的方法，其特征在于在步驟h中，在索結(jié)構(gòu)當前力學(xué)計算基準模型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)虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣」C和名義虛擬單位損傷向量化的具體方法為hi.健康監(jiān)測系統(tǒng)第一次開始工作時，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣」C和名義虛擬單位損傷向量久；以后，如果步驟g中對 At0進行了更新，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣」C和名義虛擬單位損傷向量久，如果在步驟g中沒有對Attj進行更新，則在此處直接轉(zhuǎn)入步驟i進行后續(xù)工作；h2.在索結(jié)構(gòu)當前力學(xué)計算基準模型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)中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎(chǔ)上再增加虛擬單位損傷，每一次計算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索，并且每一次假定有虛擬單位損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用“名義虛擬單位損傷向量久”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成一個“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量”；當假設(shè)第J·根索有單位損傷時，可用表示對應(yīng)的“被監(jiān)測量的當前計算數(shù)值向量G/;在本步驟中給各向量的元素編號時， 應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關(guān)信息；h3.每一次計算得到的那個“被監(jiān)測量的當前計算數(shù)值向量Ctj,,減去“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量G”得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的虛擬單位損傷值后得到一個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；有#根索就有#個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；h4.由這#個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”依次組成有#列的“虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣」C” ；“虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣」C”的每一列對應(yīng)于一個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；“虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣”的列的編號規(guī)則與當前名義虛擬損傷向量之和當前實際虛擬損傷向量J的元素編號規(guī)則相同。
全文摘要
支座角位移時基于角度監(jiān)測的識別松弛索的方法基于角度監(jiān)測、通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)支座角坐標來決定是否需要更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準模型，只有當結(jié)構(gòu)支座角坐標發(fā)生變化時才更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準模型，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)應(yīng)變當前向量同應(yīng)變初始向量、虛擬單位損傷應(yīng)變變化矩陣和當前虛擬損傷向量間的近似線性關(guān)系，可計算識別出虛擬受損索，在使用無損檢測方法鑒別出真實受損索后，剩下的虛擬受損索就是松弛索即需調(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。
文檔編號G01B21/22GK102288434SQ20111012264
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)明者宋佰涵, 張居鎖, 韓玉林 申請人:東南大學(xué)