專利名稱：支座廣義位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的識別松弛索的遞進(jìn)式方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在有支座廣義位移(例如支座廣義位移指支座沿X、Y、Z軸的線位移及支座繞X、Y、 Z軸的角位移；對應(yīng)于支座廣義位移，支座廣義坐標(biāo)指支座關(guān)于x、Y、z軸的坐標(biāo)及支座關(guān)于 Χ、γ、ζ軸的角坐標(biāo))時，本發(fā)明基于應(yīng)變等量的監(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(yán)重時將會引起結(jié)構(gòu)的失效，因此準(zhǔn)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，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)支座廣義位移(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，這樣在支座廣義位移時，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)支座有廣義位移時，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，公開了一種基于應(yīng)變等量的監(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(dāng)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廣義位移時，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)支座廣義位移的、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)支座廣義位移的、 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。可按如下步驟依次循環(huán)往復(fù)地、遞進(jìn)式進(jìn)行，以獲得更準(zhǔn)確的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估。第一步每一次循環(huán)開始時，首先需要建立或已建立本次循環(huán)開始時的索系統(tǒng)初始虛擬損傷向量i// (i=l，2，3，···。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(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)、建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A"。(例如有限元基準(zhǔn)模型，在每一次循環(huán)中A"。是不斷更新的)、建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型例如有限元基準(zhǔn)模型，i=l，2，3，…)。字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，在本發(fā)明中字母i僅表示循環(huán)次數(shù)，即第i次循環(huán)。設(shè)索系統(tǒng)中共有#根索，第i次循環(huán)開始時需要的索系統(tǒng)“初始虛擬損傷向量記為 d"(如式(1)所示)，用 //表示該次循環(huán)開始時索結(jié)構(gòu)(用力學(xué)計算基準(zhǔn)模SAi表示)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
權(quán)利要求
1. 一種支座廣義位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的識別松弛索的遞進(jìn)式方法，其特征是該方法包括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；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.利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始虛擬損傷向量屮。，其中i表示循環(huán)次數(shù)，后面i及上標(biāo)i都表示循環(huán)次數(shù)，i = 1，2，3，......；第一次循環(huán)時f。記為d1。；如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無松弛、無損傷狀態(tài)時，向量Cl10的各元素數(shù)值取0 ；d.在建立初始虛擬損傷向量d1。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C1。；e.在建立初始虛擬損傷向量d1。和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1。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F。；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I。；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(zhǔn)模型A。，建立初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U。，建立第一次循環(huán)開始時需要的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A1 ；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)支座廣義坐標(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測數(shù)據(jù)，以及索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)模型A0 ；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)支座廣義坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U。；A。和U0是不變的，只在第一次循環(huán)開始時建立；第i次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型記為Ai,其中i表示循環(huán)次數(shù)；即第i次循環(huán)；因此第一次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型記為A1，本方法中A1就等于A。；為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A"。”，在每一次循環(huán)中A"。根據(jù)需要會不斷更新，每一次循環(huán)開始時，A"。等于Ai ；同樣為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標(biāo)向量U"”，在每一次循環(huán)中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標(biāo)向量U"，向量Uti的元素與向量U0相同位置的元素表示相同支座的相同方向的廣義坐標(biāo)；為敘述方便起見，對于第i次循環(huán)，將上一次更新A"。時的索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)記為當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U"。；第一次循環(huán)開始時，Atl0等于A1，U"。等于U。；A1對應(yīng)的索的健康狀態(tài)由d1。描述；力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai對應(yīng)的索的健康狀態(tài)由f。描述；支座廣義坐標(biāo)包括線量和角量兩種；g.每一次循環(huán)開始時，令A(yù)"。等于Ai；實測獲得索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標(biāo)向量U"，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標(biāo)向量U"，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A"。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U"。；h.在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(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)虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣△ Ci和名義虛擬單位損傷向量Diu ；i.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量Fi；同時，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Ci"；實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標(biāo)，兩個支承端點的空間坐標(biāo)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(dāng)前名義虛擬損傷向量f。和當(dāng)前實際虛擬損傷向量d、損傷向量d: Clic和Cli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(dāng)前數(shù)值向量Ci"同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1?！薄ⅰ疤摂M單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"和“當(dāng)前名義虛擬損傷向量屮。”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f。外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前名義虛擬損傷向量屮
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座廣義位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的識別松弛索的遞進(jìn)式方法， 其特征在于在步驟g中，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標(biāo)向量U"，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A"。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U"。的具體方法為gl.實測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標(biāo)向量Uti后，比較Uti和U"。，如果Uti等于 U"。，則不需要對A"。進(jìn)行更新；g2.實測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座廣義坐標(biāo)向量Uti后，比較Uti和U"。，如果Uti不等于 U"。，則需要對A"。進(jìn)行更新，更新方法是先計算Uti與U0的差，Uti與U0的差就是當(dāng)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(dāng)前支座廣義位移，用當(dāng)前支座廣義位移向量V表示支座廣義位移，當(dāng)前支座廣義位移向量V中的元素與支座廣義位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前支座廣義位移向量V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)；更新A"。的方法是在A。的基礎(chǔ)上令索的健康狀況為索系統(tǒng)初始損傷向量d。再進(jìn)一步對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座廣義位移約束，當(dāng)前支座廣義位移約束的數(shù)值就取自當(dāng)前支座廣義位移向量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座廣義位移約束后，最終得到的就是更新的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A"。，更新A"。的同時，Uti0所有元素數(shù)值也用Uti所有元素數(shù)值代替，即更新了 U"。，這樣就得到了正確地對應(yīng)于A"。的U"。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座廣義位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的識別松弛索的遞進(jìn)式方法， 其特征在于在步驟h中，在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(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)虛擬單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ACi和名義虛擬單位損傷向量 Diu的具體方法為hi.在第i次循環(huán)開始時，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Δ Ci和名義虛擬單位損傷向量Diu ；在非第i次循環(huán)開始的時刻，當(dāng)步驟 g中對A"。進(jìn)行更新后，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ACi和名義虛擬單位損傷向量Diu ；在非第i次循環(huán)開始的時刻，如果在步驟g 中沒有對A"。進(jìn)行更新，則在此處直接轉(zhuǎn)入步驟i進(jìn)行后續(xù)工作；h2.在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(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)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N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Diu”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(dāng)前數(shù)值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值組成一個“被監(jiān)測量的計算當(dāng)前數(shù)值向量”；當(dāng)假設(shè)第j根索有單位損傷時，可用Ciw表示對應(yīng)的“被監(jiān)測量的當(dāng)前計算數(shù)值向量(%/’。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(dá)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(dāng)前計算數(shù)值向量Cit/減去“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cit/'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N根索就有N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；h4.由這N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”依次組成有N列的“虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi";“虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣ACi"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(dāng)前名義虛擬損傷向量f。和當(dāng)前實際虛擬損傷向量Cli的元素編號規(guī)則相同。
全文摘要
支座廣義位移時基于應(yīng)變監(jiān)測的識別松弛索的遞進(jìn)式方法基于應(yīng)變監(jiān)測、通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)，用于識別松弛的支承索時，考慮到了被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量、虛擬單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣和當(dāng)前名義虛擬損傷向量間的線性關(guān)系是近似的，為克服此缺陷，給出了使用線性關(guān)系分段逼近非線性關(guān)系的方法，可識別出虛擬受損索，在使用無損檢測等方法從中鑒別出真實受損索后，剩下的虛擬受損索就是松弛的支承索，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G01M99/00GK102252863SQ201110144498
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者韓佳邑, 韓玉林 申請人:東南大學(xué)