专利名称：有支座沉降时的基于角度监测的索系统的健康监测方法
技术领域：
斜拉桥、悬索桥、桁架结构等结构有一个共同点，就是它们有许多承受拉伸载荷的
部件，如斜拉索、主缆、吊索、拉杆等等，该类结构的共同点是以索、缆或仅承受拉伸载荷的 杆件为支承部件，为方便起见本发明将该类结构表述为"索结构"。在有支座沉降时，本发明 基于角度监测来识别索结构的支承系统(指所有承载索、及所有起支承作用的仅承受拉伸 载荷的杆件，为方便起见，本专利将该类结构的全部支承部件统一称为"索系统"，但实际上 索系统不仅仅指支承索，也包括仅承受拉伸载荷的杆件)中的受损索(对桁架结构就是指 受损的仅承受拉伸载荷的杆件)，属工程结构健康监测领域。
背景技术：
索系统通常是索结构的关键组成部分，它的失效常常带来整个结构的失效，基于 结构健康监测技术来识别索结构的索系统中的受损索(如前所述也指仅承受拉伸载荷的 杆件)是一种极具潜力的方法。索系统的健康状态发生变化后，会引起结构的可测量参数 的变化，例如引起过索结构的每一点的任意假想直线的角度坐标的变化(例如结构表面任 意一点的切平面中的任意一根过该点的直线的角度坐标的变化，或者结构表面任意一点的 法线的角度坐标的变化)，实际上结构角度的变化包含了索系统的健康状态信息，也就是说 可以利用结构角度数据判断结构的健康状态，可以基于角度监测(本发明将被监测的角度 数据称为"被监测量"，后面提到"被监测量"就是指被监测的角度数据)来识别受损索，被 监测量除了受索系统健康状态的影响外，还会受索结构支座沉降(常常会发生)的影响，目 前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。 在有支座沉降时，为了能对索结构的索系统的健康状态有可靠的监测和判断，必 须有一个能够合理有效的建立索结构的角度数据的变化同索系统中所有索的健康状况间 的关系的方法，基于该方法建立的健康监测系统可以给出更可信的索系统的健康评估。
发明内容
技术问题本发明的目的是在索结构支座有沉降时，针对索结构中索系统的健康 监测问题，公开了一种基于角度监测的、能够合理有效地监测索结构中索系统的健康监测 方法。 技术方案本发明由三大部分组成。分别是建立索系统健康监测系统所需的知识 库和参量的方法、基于知识库(含参量)和实测索结构的角度及实测索结构支座坐标的索 系统健康状态评估方法、健康监测系统的软件和硬件部分。 本发明的第一部分建立用于索系统健康监测的知识库和参量的方法。具体如 下 1.建立索结构的初始力学计算基准模型A。(例如有限元基准模型)和当前力学计 算基准模型At。(例如有限元基准模型)的方法。在本发明中A。是不变的。At。是不断更新 的。建立A。、建立和更新At。的方法如下。
4
建立A。时，根据索结构完工之时的索结构的实测数据(包括索结构形状数据、索 力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索 桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据、索的无损检测数据等能够表达索的健康 状态的数据)和设计图、竣工图，利用力学方法(例如有限元法)建立A。；如果没有索结构 完工之时的结构的实测数据，那么就在建立健康监测系统前对结构进行实测，得到索结构 的实测数据(包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结 构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据、 索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据)，根据此数据和索结构的设计图、竣工 图，利用力学方法(例如有限元法)建立A。。不论用何种方法获得A。，基于A。计算得到的索 结构计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)必须非 常接近其实测数据，误差一般不得大于5%。这样可保证利用A。计算所得的模拟情况下的 应变计算数据、索力计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度数据等， 可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。对应于A。的索结构支座坐标数据组成初 始索结构支座坐标向量U。。 在索结构服役过程中，不断实测获得索结构支座坐标当前数据(所有数据组成当 前索结构实测支座坐标向量U、向量W的定义方式与向量U相同)。为方便起见，将上一次 更新当前力学计算基准模型时的索结构支座坐标当前数据记为当前索结构支座坐标向量 W。。建立和更新At。的方法是在初始时刻，At。就等于A。，Ut。就等于U。；在索结构服役过程
中，不断实测获得索结构支座坐标数据得到当前索结构实测支座坐标向量ut，如果ut等于
W。，则不需要对At。进行更新；如果W不等于W。，则需要对r。进行更新，此时W与U。的差就 是索结构支座关于初始位置(对应于A。)的支座位移(用支座位移向量V表示支座位移，在 重力方向的位移就是支座沉降)，更新At。的方法是对A。中的索结构支座施加位移约束(其 数值取自支座位移向量V)后得到更新的当前力学计算基准模型A:更新At。的同时，Ut。所 有元素数值也用Ut所有元素数值代替，即更新了 Ut。，这样就得到了正确地对应于At。的W。。
"结构的全部被监测的角度数据"由结构上K个指定点的、过每个指定点的L个指 定直线的、每个指定直线的H个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、 所有指定直线的所有指定的角度坐标分量的变化。每次共有M(M二KXLXH)个角度坐标 分量测量值或计算值来表征结构的角度信息。K和M不得小于支承索的数量N。
为方便起见，在本发明中将"结构的被监测的角度数据"简称为"被监测量"。在后 面提到"被监测量的某某矩阵或某某向量"时，也可读成"被监测的角度的某某矩阵或某某 本发明中用被监测量初始向量C。表示索结构的所有被监测量的初始值组成的向 量(见式(l))。要求在获得A。的同时获得C。。因在前述条件下，基于索结构的计算基准模 型计算所得的被监测量可靠地接近于初始被监测量的实测数据，在后面的叙述中，将用同 一符号来表示该计算值和实测值。 C。= [Col C。,..C"..C。M]T (1) 式(1)中C。j (j = 1， 2， 3，.......， M ;M > N)是索结构中第j个被监测量的初始
量，该分量依据编号规则对应于特定的第j个被监测量。T表示向量的转置(后同)。
本发明中用被监测量当前数值向量C是由索结构中所有被监测量的当前值组成:的当前
的向量(定义见式(2))。 <formula>formula see original document page 6</formula>
式(2)中Cj(j = 1，2，3，.......， M ;M > N)是索结构中第j个被监领
值，该分量Cj依据编号规则与C。j对应于同一"被监测量"。 2.建立和更新索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC的方法。 索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC是不断更新的，即在更新当前力学计算基
准模型At。的同时，更新索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC。具体方法如下 在索结构的当前力学计算基准模型At。的基础上进行若干次计算，计算次数数值
上等于所有支承索的数量。每一次计算假设索系统中只有一根支承索有单位损伤Du(例
如取5%、10%、20%或30%等损伤为单位损伤)，每一次计算中出现损伤的索不同于其它
次计算中出现损伤的索，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的所有
被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量
计算当前向量(当假设第i根索有单位损伤时，可用式(3)表示被监测量计算当前向量
C」)；每一次计算得到被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量，所得向量就是此条件
下(以有单位损伤的支承索的位置或编号等为标记)的被监测量变化向量(当第i根索有
单位损伤时，用SCi表示被监测量变化向量，定义见式(4)，式(4)为式(3)减去式(1)所
得)，被监测量变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的那根索的单位损伤
而引起的该元素所对应的被监测量的改变量；有N根索就有N个被监测量变化向量，由于有
M个被监测量，所以每个被监测量变化向量有M个元素，由这N个被监测量变化向量依次组
成有MXN个元素的单位损伤被监测量变化矩阵AC， AC的定义如式(5)所示。《=[^ q2
式(3)中元素Ct/(i
(3)
1，2，3，.......，N ;j = 1，2，3，.......，M ;M > N)表示由
于第i根索有单位损伤时，依据编号规则所对应的第j个被监测量的当前计算量。
5C,C/—C。 (4)<formula>formula see original document page 6</formula> 式(5)中ACw(i = 1，2，3，.......，N ;j = 1，2，3，.......，M ;M > N)表示仅由
于第i根索有单位损伤而引起的、依据编号规则所对应的第j个被监测量的计算当前数值 的变化(代数值)。被监测量变化向量SCi实际上是矩阵AC中的一列，也就是说式(5) 也可以写成式(6)。 A C = [ S d S C2... S C广.S CN] (6) 3.被监测量当前数值向量C(计算或实测)同被监测量初始向量C。、单位损伤被 监测量变化矩阵AC、单位损伤标量Du和当前损伤向量d间的近似线性关系，如式(7)或式 (8)所示。索系统当前损伤向量d的定义参见式(9)。
C = C。+ + AC" (7) C —C。^士AC" (8)
d = [4 d2…di…djT (9) 式(9)中di(i = 1，2，3，.......，N)是索系统中第i根索(或拉杆)的当前损伤；
A为0时表示无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100%之间时表示 丧失相应比例的承载能力。 若设索损伤为100%时表示索彻底丧失承载能力，那么当实际损伤不太大时(例 如不大于30%的损伤)，由于索结构材料仍然处在线弹性阶段，索结构的变形也较小，式
(7) 或式(8)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小。用式(10)定义的线性关 系误差向量e表示式(7)或式(8)所示线性关系的误差。e = ,+AC"-C + C。) (10) 式(10)中abs()是取绝对值函数，对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。
本发明的第二部分基于知识库(含参量)和实测被监测量的索系统健康状态评 估方法。 由于式(7)或式(8)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(7) 或式(8)和实测被监测量当前数值向量C来直接求解得到当前损伤向量d。如果这样做了， 得到的当前损伤向量d中的元素甚至会出现较大的负值，也就是负损伤，这明显是不合理 的。因此获得当前损伤向量d的可接受的解(即带有合理误差，但可以比较准确的从索系 统中确定受损索的位置及其损伤程度)成为一个合理的解决方法，可用式(11)来表达这一 方法。 "fc(+AC"-C + C。)" (11) 式(11)中abs()是取绝对值函数，向量g描述偏离理想线性关系(式(7)或式
(8) )的合理偏差，由式(12)定义。 g = [gl g2…gj…gM]T (12) 式(12)中gj(j = 1，2，3，.......， M)描述了偏离式(7)或式(8)所示的理想线
性关系的最大允许偏差。向量g可根据式(10)定义的误差向量e试算选定。 在被监测量初始向量C。、单位损伤被监测量变化矩阵A C、实测被监测量当前数值
向量C和单位损伤Du(计算AC前设定，是标量)已知时，可以利用合适的算法(例如多目
标优化算法)求解式(ll)，获得当前损伤向量d的可接受的解，从而确定受损索的位置和损
伤程度。 本发明的第三部分健康监测系统的软件和硬件部分。 硬件部分包括监测系统(包括被监测量监测系统、索结构支座坐标监测系统)、信 号采集器和计算机等。要求实时或准实时监测每一个被监测量，要求实时或准实时监测每 一个索结构支座坐标。 软件应当具用下列功能软件部分首先根据监测系统传来的数据实时或准实时分析得到当前索结构实测支座坐标向量ut、被监测量当前数值向量c，然后读取预先存储的索
结构的力学计算基准模型A。、初始索结构支座坐标向量U。、当前力学计算基准模型A\、当前 索结构支座坐标向量Ut。、索系统单位损伤被监测量变化矩阵A C、被监测量初始向量C。和 单位损伤值Du，比较当前索结构实测支座坐标向量W和当前索结构支座坐标向量W。，当W 和Ut。相同时，依据合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(ll)，得到索系统的当前损 伤向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地从索系统中确定受损索的位 置及其损伤程度的解；当W和W。不相同时，先对当前力学计算基准模型At。和当前索结构 支座坐标向量W。进行更新，再在新At。的基础上按照前述"建立和更新索结构单位损伤被 监测量变化矩阵AC的方法"更新AC，同样依据合适的算法(例如多目标优化算法)求解 式(11)，得到索系统的当前损伤向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地 从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度的解。
本发明方法具体包括 a.设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该 编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵； b.确定指定的被测量点，给所有指定点编号；确定过每一测量点的被测量直线， 给所有指定的被测量直线编号；确定每一被测量直线的被测量的角度坐标分量，给所有被 测量角度坐标分量编号。上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。"结构的全部被 监测的角度数据"由上述所有被测量角度坐标分量组成。为方便起见，在本发明中将"结构 的被监测的角度数据"简称为"被监测量"。测量点的数量不得小于索的数量；所有被测量 角度坐标分量的数量之和不得小于索的数量； c.直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量初始向量 C。；在实测得到被监测量初始向量C。的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据、结 构的初始几何数据和初始索结构支座坐标数据，初始索结构支座坐标数据组成初始索结构 支座坐标向量U。； d.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据、索的无损检测数据和初始 索结构支座坐标向量U。建立索结构的初始力学计算基准模型A。并第一次建立索结构的当 前力学计算基准模型At。，索结构的实测数据至少包括索结构的所有索的初始索力数据、初
始索结构支座坐标数据和索结构的初始几何数据；第一次建立索结构的当前力学计算基准
模型At。时，索结构的当前力学计算基准模型At。就等于索结构的初始力学计算基准模型A。；
对应于索结构的当前力学计算基准模型At。的索结构支座坐标数据组成当前索结构支座坐
标向量UV第一次建立索结构的当前力学计算基准模型At。时，W。就等于U。； e.从这里进入由第e步到第k步的循环；在结构服役过程中，不断实测得到索结
构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成当前索结构实测支座坐标向量
W ; f.根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新当前力学计算基准模型 #。和当前索结构支座坐标向量W。； g.在当前力学计算基准模型At。的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索 结构单位损伤被监测量变化矩阵A C和单位损伤标量Du ; h.实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成被监测量的当前数值向量C; i.定义索系统当前损伤向量d，索系统当前损伤向量d的元素个数等于索的数量， 索系统当前损伤向量d的元素和索之间是一一对应关系，索系统当前损伤向量d的元素数 值代表对应索的损伤程度或健康状态； j.依据被监测量的当前数值向量C同被监测量初始向量C。、索结构单位损伤被监 测量变化矩阵AC、单位损伤标量Du和待求的索系统当前损伤向量d间存在的近似线性关 系，该近似线性关系可表达为式l，式1中除d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出索 系统当前损伤向量d;由于当前损伤向量d的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当 前损伤向量确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当 前索损伤向量的某一元素的数值为O，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的；若其 数值为100%，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100% 之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力； C = C。+ + AC*^^i k.回到第e步，开始有第e步到第k步的下一次循环。 在步骤f中，根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新当前力学计算基 准模型At。和当前索结构支座坐标向量W。的具体方法为 fl.在步骤e中实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较W和于UV如 果W等于Ut。，则At。和W。保持不变； f2.在步骤e中实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较W和U:如果
W不等于Ut。，则需要对At。和W。进行更新，更新方法是先计算W与U。的差，W与U。的差
就是索结构支座关于初始位置的当前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位
移向量V中的元素与支座位移分量之间是一一对应关系，支座位移向量V中一个元素的数
值对应于一个指定支座的一个指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座
沉降量；更新At。的方法是对A。中的索结构支座施加当前支座位移约束，当前支座位移约束
的数值就取自支座位移向量V中对应元素的数值，对A。中的索结构支座施加支座位移约束
后得到更新的当前力学计算基准模型At。，更新At。的同时，Ut。所有元素数值也用第e步的
W所有元素数值对应代替，即更新了 Ut。，这样就得到了正确地对应于At。的W。。 在步骤g中，在当前力学计算基准模型At。的基础上，通过若干次力学计算获得索
结构单位损伤被监测量变化矩阵AC和单位损伤标量Du的具体方法为 gl.索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC是不断更新的，即在更新当前力学计
算基准模型At。和当前索结构支座坐标向量Ut。的同时，必须同时更新索结构单位损伤被监
测量变化矩阵A C和单位损伤标量Du ; g2.在索结构的当前力学计算基准模型A\的基础上进行若干次力学计算，计算次 数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索 有单位损伤标量Du，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一 次计算得到索结构中所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前 计算值组成一个被监测量计算当前向量； g3.每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量得到一个被
9监测量变化向量；有N根索就有N个被监测量变化向量； g4.由这N个被监测量变化向量依次组成有N列的索结构单位损伤被监测量变化 矩阵AC;索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC的每一列对应于一个被监测量变化向量。
有益效果本发明公开的方法在索结构支座出现沉降的情况下、在多根索同步 受损时可以非常准确地监测评估出索系统的健康状态(包括所有受损索的位置和损伤程 度)，本发明公开的系统和方法对存在支座沉降时的索系统的有效健康监测是非常有益的。
具体实施例方式
在有支座沉降时，针对索结构的索系统的健康监测，本发明公开了一种能够合理
有效地监测索结构中索系统中每一根索的健康状况的系统和方法。本发明的实施例的下面
说明实质上仅仅是示例性的，并且目的绝不在于限制本发明的应用或使用。 本发明采用一种算法，该算法用于监测索结构中的索系统的健康状态。具体实施
时，下列步骤是可采取的各种步骤中的一种。 第一步设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编 号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。确定指定的被测量点(即所有表征结构 角度位移的指定点，设有K个指定点)，给所有指定点编号；确定过每一测量点的被测量直 线(设过每一测量点有L个指定直线)，给所有指定的被测量直线编号；确定每一被测量直 线的被测量的角度坐标分量(设每一被测量直线有H个角度坐标分量)，给所有被测量角 度坐标分量编号。上述编号在后续步骤中同样将用于生成向量和矩阵。"结构的全部被监 测的角度数据"由上面确定的结构上K个指定点的、过每个指定点的L个指定直线的、每个 指定直线的H个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线 的所有指定的角度坐标分量的变化。每次共有M(M二KXLXH)个角度坐标分量测量值或 计算值来表征结构的角度信息。K和M不得小于支承索的数量N。为方便起见，在本发明 中将"结构的被监测的角度数据"称为"被监测量"。在每一指定点可以仅仅测量一个指定 直线的一个角度坐标，例如测量过指定点的结构表面法线相对于重力加速度方向的角度坐 标，这里实际上就是倾角测量。 第二步直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量初 始向量C。；在实测得到被监测量初始向量C。的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力 数据、结构的初始几何数据(对于斜拉桥就是其初始桥型数据)和初始索结构支座坐标数 据，初始索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量U。。 第三步根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据(包括结构初始几何 形状数据、应变数据、所有索的初始索力、结构模态数据等数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥 的桥型数据、应变数据、索力数据、桥的模态数据)、索的无损检测数据和初始索结构支座坐 标向量U。建立索结构的初始力学计算基准模型A。并第一次建立索结构的当前力学计算基 准模型At。；第一次建立索结构的当前力学计算基准模型At。时，索结构的当前力学计算基准 模型At。与索结构的初始力学计算基准模型A。相同；对应于索结构的当前力学计算基准模 型At。的索结构支座坐标数据组成当前索结构支座坐标向量W。；第一次建立索结构的当前
力学计算基准模型At。时，Ut。就等于U。；基于初始力学计算基准模型A。计算得到结构的计 算数据必须非常接近其实测数据，误差一般不得大于5%。
第四步在结构服役过程中，不断实测得到索结构支座坐标当前数据，所有数据组
成当前索结构实测支座坐标向量ut; 第五步根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新当前力学计算基准 模型At。和当前索结构支座坐标向量Ut。。在第四步实测得到的当前索结构实测支座坐标向 量W后，比较W和如果W等于则At。和W。保持不变；如果W不等于则需要对 At。和W。进行更新，更新方法是先计算W与U。的差，W与U。的差就是索结构支座关于初 始位置的当前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位移向量V中的元素与支座 位移分量之间是一一对应关系，支座位移向量V中一个元素的数值对应于一个指定支座的 一个指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新#。的方法是 对A。中的索结构支座施加当前支座位移约束，当前支座位移约束的数值就取自支座位移向 量V中对应元素的数值，对A。中的索结构支座施加支座位移约束后得到更新的当前力学计 算基准模型At。，更新At。的同时，W。所有元素数值也用第四步的W所有元素数值对应代替， 即更新了 Ut。，这样就得到了正确地对应于At。的UV 第六步在当前力学计算基准模型At。的基础上进行若干次力学计算，通过计算获 得索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC和单位损伤标量Du。具体方法为索结构单位损 伤被监测量变化矩阵AC是不断更新的，即在更新当前力学计算基准模型At。和当前索结构 支座坐标向量Ut。的同时，必须同时更新索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC和单位损 伤标量Du ;在索结构的当前力学计算基准模型At。的基础上进行若干次力学计算，计算次数 数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索有 单位损伤Du(例如取5% 、 10% 、20%或30%等损伤为单位损伤)，每一次计算中出现损伤的 索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算得到索结构中所有被监测量的当前计算 值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前向量C;每
一次计算得到被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量得到一个被监测量变化向量； 有N根索就有N个被监测量变化向量；由这N个被监测量变化向量依次组成有N列的单位 损伤被监测量变化矩阵AC ;单位损伤被监测量变化矩阵的每一列对应于一个被监测量变 化向量。 第七步建立线性关系误差向量e和向量g。利用前面的数据(被监测量初始向 量C。、单位损伤被监测量变化矩阵A C)，在第六步进行每一次计算的同时，即在每一次计算 假设索系统中只有一根索有单位损伤Du，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中 出现损伤的索，每一次计算都利用力学方法(例如采用有限元法)计算索结构中索系统中 所有指定被监测量的当前数值，每一次计算组成一个被监测量计算当前向量C的同时，每 一次计算组成一个损伤向量d，该损伤向量d的所有元素中只有一个元素的数值取Du，其它 元素的数值取0，损伤向量d中数值是Du的元素对应于该次计算时唯一受损索的单位损伤 程度Du;将C、C。、 AC、Du、d带入式(10)，得到一个线性关系误差向量e，每一次计算得到一 个线性关系误差向量e ;有N根索就有N次计算，就有N个线性关系误差向量e，将这N个线 性关系误差向量e相加后得到一个向量，将此向量的每一个元素除以N后得到的新向量就 是最终的线性关系误差向量e。向量g等于最终的误差向量e。 第八步安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括被监测量监 测系统(含角度测量传感器、信号调理器等)、索结构支座坐标监测系统(例如用全站仪进行测量)、信号(数据)采集器、计算机和通信报警设备。每一个被监测量、每一个索结构的 支座坐标都必须被监测系统监测到，监测系统将监测到的信号传输到信号(数据)采集器； 信号经信号采集器传递到计算机；计算机则负责运行索结构的索系统的健康监测软件，包 括记录信号采集器传递来的信号；当监测到索有损伤时，计算机控制通信报警设备向监控 人员、业主和(或)指定的人员报警。 第九步将被监测量初始向量C。、单位损伤被监测量变化矩阵AC、单位损伤标量
Du参数以数据文件的方式保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上。
第十步编制并在计算机上安装运行有支座沉降时索结构的索系统健康监测系统
软件，该软件将完成本发明"有支座沉降时索结构的索系统健康监测"任务所需要的监测、
记录、控制、存储、计算、通知、报警等功能(即本具体实施方法中所有可以用计算机完成的
工作) 第十一步实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成"被监测量 的当前数值向量C"; 第十二步依据被监测量的当前数值向量C同被监测量初始向量C。、单位损伤被 监测量变化矩阵AC、单位损伤标量Du和索系统当前损伤向量d(由所有索当前损伤量组 成)间存在的近似线性关系(式(7))，按照多目标优化算法计算索系统当前损伤向量d的 非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地从所有索中确定受损索的位置及其损伤 程度的解。 可以采用的多目标优化算法有很多种，例如基于遗传算法的多目标优化、基于人 工神经网络的多目标优化、基于粒子群的多目标优化算法、基于蚁群算法的多目标优化、约 束法(Constrain Method)、力口权法(Weighted Sum Method)、目标规划法(Goal Attainment Method)等等。由于各种多目标优化算法都是常规算法，可以方便地实现，本实施步骤仅以 目标规划法为例给出求解当前损伤向量d的过程，其它算法的具体实现过程可根据其具体 算法的要求以类似的方式实现。 按照目标规划法，式(7)可以转化成式(13)和式(14)所示的多目标优化问题，式 (13)中Y是一个实数，R是实数域，空间区域Q限制了向量d的每一个元素的取值范围 (本实施例要求向量d的每一个元素不小于O，不大于l)。式(13)的意思是寻找一个最小 的实数Y，使得式(14)得到满足。式(14)中G(d)由式(15)定义，式(14)中加权向量W 与Y的积表示式(14)中G(d)与向量g之间允许的偏差，g的定义参见式(12)，其值已在 第七步计算得到。实际计算时向量W可以与向量g相同。目标规划法的具体编程实现已经 有通用程序可以直接采用。使用目标规划法就可以求得索系统当前损伤向量d。
minimize Y (13)
Y G R， d G Q G(d)-WY《g (14) = afe(+A6: + (15) 索系统当前损伤向量d的元素个数等于索的数量，索系统当前损伤向量d的元素 和索之间是一一对应关系，索系统当前损伤向量d的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态。若解得的索系统当前损伤向量d的某一元素的数值为O，表示该元素所对应的索
是完好的，没有损伤的；若其数值为100%，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能
力；若其数值介于0和100%之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。 第十三步健康监测系统中的计算机定期自动或由人员操作健康监测系统生成索
系统健康情况报表。 第十四步在指定条件下，健康监测系统中的计算机自动操作通信报警设备向监 控人员、业主和(或)指定的人员报警。
第十五步回到第四步，开始由第四步到第十五步的循环。
权利要求
一种有支座沉降时的基于角度监测的索系统的健康监测方法，其特征在于所述方法包括a.设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；b.确定指定的被测量点，给所有指定点编号；确定过每一测量点的被测量直线，给所有指定的被测量直线编号；确定每一被测量直线的被测量的角度坐标分量，给所有被测量角度坐标分量编号；上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；“结构的全部被监测的角度数据”由上述所有被测量角度坐标分量组成；为方便起见，将“结构的被监测的角度数据”简称为“被监测量”；测量点的数量不得小于索的数量；所有被测量角度坐标分量的数量之和不得小于索的数量；c.直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量初始向量Co；在实测得到被监测量初始向量Co的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据、结构的初始几何数据和初始索结构支座坐标数据，初始索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量Uo；d.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据、索的无损检测数据和初始索结构支座坐标向量Uo建立索结构的初始力学计算基准模型Ao并第一次建立索结构的当前力学计算基准模型Ato，索结构的实测数据至少包括索结构的所有索的初始索力数据、初始索结构支座坐标数据和索结构的初始几何数据；第一次建立索结构的当前力学计算基准模型Ato时，索结构的当前力学计算基准模型Ato就等于索结构的初始力学计算基准模型Ao；对应于索结构的当前力学计算基准模型Ato的索结构支座坐标数据组成当前索结构支座坐标向量Uto，第一次建立索结构的当前力学计算基准模型Ato时，Uto就等于Uo；e.从这里进入由第e步到第k步的循环；在结构服役过程中，不断实测得到索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成当前索结构实测支座坐标向量Ut；f.根据当前索结构实测支座坐标向量Ut，在必要时更新当前力学计算基准模型Ato和当前索结构支座坐标向量Uto；g.在当前力学计算基准模型Ato的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵ΔC和单位损伤标量Du；h.实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成被监测量的当前数值向量C；i.定义索系统当前损伤向量d，索系统当前损伤向量d的元素个数等于索的数量，索系统当前损伤向量d的元素和索之间是一一对应关系，索系统当前损伤向量d的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；j.依据被监测量的当前数值向量C同被监测量初始向量Co、索结构单位损伤被监测量变化矩阵ΔC、单位损伤标量Du和待求的索系统当前损伤向量d间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出索系统当前损伤向量d；由于当前损伤向量d的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前损伤向量确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前索损伤向量的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力； <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>o</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>D</mi><mi>u</mi> </msub></mfrac><mi>ΔC</mi><mo>·</mo><mi>d</mi> </mrow>式1k.回到第e步，开始有第e步到第k步的下一次循环。
2. 根据权利要求1所述的有支座沉降时的基于角度监测的索系统的健康监测方法，其特征在于在步骤f中，根据当前索结构实测支座坐标向量ut，在必要时更新当前力学计算基准模型At。和当前索结构支座坐标向量W。的具体方法为fl.在步骤e中实测得到当前索结构实测支座坐标向量Ut后，比较Ut和于Ut。，如果Ut 等于Ut。，则At。和Ut。保持不变；f2.在步骤e中实测得到当前索结构实测支座坐标向量W后，比较W和UV如果W不 等于UV则需要对At。和W。进行更新，更新方法是先计算W与U。的差，W与U。的差就是 索结构支座关于初始位置的当前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位移向 量V中的元素与支座位移分量之间是一一对应关系，支座位移向量V中一个元素的数值对 应于一个指定支座的一个指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降 量；更新At。的方法是对A。中的索结构支座施加当前支座位移约束，当前支座位移约束的数 值就取自支座位移向量V中对应元素的数值，对A。中的索结构支座施加支座位移约束后得 到更新的当前力学计算基准模型A:更新At。的同时，W。所有元素数值也用第e步的W所 有元素数值对应代替，即更新了 Ut。，这样就得到了正确地对应于At。的W。。
3. 根据权利要求1所述的有支座沉降时的基于角度监测的索系统的健康监测方法，其 特征在于在步骤g中，在当前力学计算基准模型At。的基础上，通过若干次力学计算获得索 结构单位损伤被监测量变化矩阵AC和单位损伤标量Du的具体方法为gl.索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC是不断更新的，即在更新当前力学计算基 准模型At。和当前索结构支座坐标向量W。的同时，必须同时更新索结构单位损伤被监测量 变化矩阵A C和单位损伤标量Du ;g2.在索结构的当前力学计算基准模型A\的基础上进行若干次力学计算，计算次数数 值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索有单 位损伤标量Du，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计 算得到索结构中所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算 值组成一个被监测量计算当前向量；g3.每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量得到一个被监测 量变化向量；有N根索就有N个被监测量变化向量；g4.由这N个被监测量变化向量依次组成有N列的索结构单位损伤被监测量变化矩阵 AC ;索结构单位损伤被监测量变化矩阵AC的每一列对应于一个被监测量变化向量。
全文摘要
有支座沉降时的基于角度监测的索系统的健康监测方法，基于角度监测、通过监测结构支座坐标来决定是否需要更新结构的力学计算基准模型，只有当结构支座坐标发生变化时才更新结构的力学计算基准模型，从而得到新的计入结构支座沉降的结构的力学计算基准模型，在此模型的基础上计算获得单位损伤被监测量变化矩阵。依据被监测量的当前数值向量同被监测量初始向量、单位损伤被监测量变化矩阵、单位损伤标量和待求的索系统当前损伤向量间存在的近似线性关系，可以利用多目标优化算法等合适的算法快速算出当前索损伤向量的非劣解，据此可以在有支座沉降时、比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。
文档编号G01M99/00GK101782472SQ20101012729
公开日2010年7月21日 申请日期2010年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者韩玉林 申请人:东南大学