专利名称：有支座沉降时的基于混合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 基于混合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，例如会引起索力的变化，会影响索结构的变形或应变，会影响索结构的形状或空间 坐标，会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)，所有的这些变化都包含了索系统的健康状态信息，因此可以通过对这 些不同类型的结构的特征参量的变化的混合监测来判断结构的健康状态，本发明将所有被 监测的结构特征参量统称为“被监测量”，由于此时被监测量是由结构的不同类型的可测量 参数混合组成，本发明称此为混合监测，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被监测量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，公开了一种有支座沉降时的基于混合监测的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)和基于对多类参量的混合监测及实测索结构支座 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Attj(例如有限元基准模型)的方法。在本发明中A。是不变的。Attj是不断更新的。建立Α。、建立和更新Attj的方法如下。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Ut,向量Ut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 Ut0O建立和更新At。的方法是在初始时刻，At。就等于A。，Uttj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 Ut0,则不需要对At。进行更新；如果Ut不等于Ut0,则需要对At。进行更新，此时Ut与U0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Attj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Kt0,更新At0的同时，Ut0所 有元素数值也用Ut所有元素数值代替，即更新了 U。这样就得到了正确地对应于Attj的U。 被监测的多类参量可以包括索力、应变、角度和空间坐标，分别叙述如下设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索 力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化。每次共有M1个索力测量值 或计算值来表征结构的索力信息。M1是一个不小于0的整数。结构的被监测的应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方 向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化。每次共有 <formula>formula see original document page 6</formula>个应变测量值或计算值来表征结构应变。M2是一个不小于0的整数。结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线 的、每个指定直线的H3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<formula>formula see original document page 6</formula>个角度坐标分 量测量值或计算值来表征结构的角度信息。M3是一个不小于0的整数。结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向 的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化。每次共 有虬<formula>formula see original document page 6</formula>个坐标测量值或计算值来表征结构形状。M4是一个不小于0的整数。
综合上述被监测量，整个结构共有M (M = Mi+M2+M3+M4)个被监测量，定义参量K (K =M1+K2+K3+K4)，K和M不得小于索的数量N。由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明 称为“基于混合监测来识别需调整索力的支承索的方法”。为方便起见，在本发明中将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。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(1))。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。<formula>formula see original document page 7</formula>
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 的向量(定义见式(2))。<formula>formula see original document page 7</formula>
M ;M ≥ N)是索结构中第j个被监测量的当前值，该分量q依据编号规则与Cty.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Attj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Attj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 CtO ；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S Ci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。<formula>formula see original document page 7</formula>(3)式(3)中元素<formula>formula see original document page 7</formula>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。<formula>formula see original document page 7</formula>(4)<formula>formula see original document page 8</formula>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S Ci实际上是矩阵AC中的一列，也就是说式(5)也可以写成式(6)。Δ C = [ δ C1 δ C2... δ Ci... δ 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△(、单位损伤标量D1^P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 = Co+1/du△C.D(7)C-Co=1/du△C.d(8)d = [d1 d2…di··dn]I(9)式(9)中屯(1 = 1，2，3，.......，N)是索系统中第i根索(或拉杆)的当前损伤；
Cli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 = abs(1/du△C*d-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。abs(1/du△C.d-C + C.)<g(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。<formula>formula see original document page 9</formula>(12)式(12)中&(」=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Δ 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(11)，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AV当前 索结构支座坐标向量υ1。、索系统单位损伤被监测量变化矩阵△ 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Ut和当前索结构支座坐标向量Ut0,当Ut 和Uttj相同时，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；当Ut和Ut0不相同时，先对当前力学计算基准模型At0和当前索结构 支座坐标向量Ut0进行更新，再在新Attj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△ C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.确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根索，结构 的被监测的索力数据由结构上轧个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所 有指定索的索力的变化；每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息^是 一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的 应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应 变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化；每次共有M2个应变测量值或计算 值来表征结构应变，M2为K2和L2之积；M2是不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被 监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的 L3个指定直线的、每个指定直线的H3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M3个角度坐标分量测 量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积；M3是一个不小于0的整数；确 定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M4为K4和 K4之积；M4是一个不小于O的整数；综合上述混合监测的被监测量，整个结构共有M个被监 测量，M为MpM2、M3和M4之和，定义参量K，K为M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的数 量N ；由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“有支座沉降时的基于混合监测的 索系统的健康监测方法”；为方便起见，在本发明中将本步所列出的“混合监测时结构的被 监测的所有参量”简称为“被监测量”；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 C0 ；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U0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#。，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Attj时，索结构的当前力学计算基准模型Attj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Attj的索结构支座坐标数据组成当前索结构支座坐 标向量K，第一次建立索结构的当前力学计算基准模型At0时，Ut0就等于U0 ；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 At0和当前索结构支座坐标向量Ut0 ；g.在当前力学计算基准模型Attj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△ 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△ C、单位损伤标量Dl^n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；
<formula>formula see original document page 11</formula>式 1式 1k.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At0和当前索结构支座坐标向量Ut0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U。如 果Ut等于Ut0,则At0和Ut0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Ut和U。如果 Ut不等于Ut0,则需要对At。和Ut0进行更新，更新方法是先计算Ut与U0的差，Ut与U0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#。，更新Attj的同时，Uttj所有元素数值也用第e步的 Ut所有元素数值对应代替，即更新了 U。这样就得到了正确地对应于At。的K。在步骤g中，在当前力学计算基准模型Attj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△(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Δ C是不断更新的，即在更新当前力学计 算基准模型Attj和当前索结构支座坐标向量Uttj的同时，必须同时更新索结构单位损伤被监 测量变化矩阵△ 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Attj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△(;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。确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根索，结构的 被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有 指定索的索力的变化。每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息。M1是 一个不小于0的整数。实际选定被监测索力的索时，可以选择那些索力易于测量的索为被 监测索。确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据可由 结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化 就是K2个指定点的所有被测应变的变化。每次共有M2个应变测量值或计算值来表征结构 应变，M2* K2和L2之积。M2是一个不小于0的整数。每一个将被监测应变的被测量点可 以就是每一根索的固定端点(例如是斜拉桥的拉索在桥梁上的固定端)附近的一个点，该 点一般不应当是应力集中点，以避免出现过大的应变测量值，这些点一般也不应当全部是 混合监测时指定的被监测索力的索的固定端点或在其附近。确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结 构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3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M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和 H3之积。M3是一个不小于0的整数。每一个指定点可以就是每一根索的固定端点(例如是 斜拉桥的拉索在桥面上的固定端)或其附近的一个点，被监测角度数据的点一般不应该全 部选择为“混合监测中指定的被监测索力的索的固定端点或在其附近的点”和“混合监测 中指定的被监测应变的点或在其附近的点”；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或切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。确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上 K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就 是K4个指定点的所有坐标分量的变化。每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形 状，M4* K4和L4之积。M4是一个不小于0的整数。每一个指定点可以就是每一根索的固定 端点(例如是斜拉桥的拉索在桥梁上的固定端)；这里选定的被监测点不应该全部选用“混 合监测中指定的被监测索力的索的固定端点或在其附近的点”、“混合监测中指定的被监测 应变的点或在其附近的点”和“混合监测中指定的被监测角度数据的点或在其附近的点”。综合上述被监测量，整个结构就混合监测而言共有M个被监测量，M为ΜρΜ2、Μ3和 M4之和，定义参量K，K为Mi、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的数量N。由于M个被监测 量是不同类型的，所以本发明称为“基于混合监测来识别需调整索力的支承索的方法”。为 方便起见，在本发明中将本步所列出的“混合监测时结构的被监测的所有参量”简称为“被 监测量”。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Attj;第一次建立索结构的当前力学计算基准模型Attj时，索结构的当前力学计算基准 模型Attj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Attj的索结构支座坐标数据组成当前索结构支座坐标向量Ut0 ；第一次建立索结构的当前 力学计算基准模型Attj时，Ut0就等于U0 ；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Attj和当前索结构支座坐标向量U。在第四步实测得到的当前索结构实测支座坐标向 量Ut后，比较Ut和Ut0,如果Ut等于Ut0,则At0和Ut0保持不变；如果Ut不等于Ut0,则需要对 At0和Ut0进行更新，更新方法是先计算Ut与U0的差，Ut与U0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Attj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Attj，更新Attj的同时，Uttj所有元素数值也用第四步的Ut所有元素数值对应代替， 即更新了 U。这样就得到了正确地对应于Attj的U。第六步在当前力学计算基准模型Attj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△(是不断更新的，即在更新当前力学计算基准模型Attj和当前索结构 支座坐标向量Uttj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Attj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△ 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(例如含角度测量分系统、索力测量分系统、应变测量分系统、空间坐标测量分系 统、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 DuS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△(、单位损伤标量D1^P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Ω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0，不大于1)。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。
<formula>formula see original document page 15</formula>
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。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混合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.确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化；每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息；M1是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化；每次共有M2个应变测量值或计算值来表征结构应变，M2为K2和L2之积；M2是不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3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M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积；M3是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M4为K4和L4之积；M4是一个不小于0的整数；综合上述混合监测的被监测量，整个结构共有M个被监测量，M为M1、M2、M3和M4之和，定义参量K，K为M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的数量N；由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“有支座沉降时的基于混合监测的索系统的健康监测方法”；为方便起见，在本发明中将本步所列出的“混合监测时结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；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混合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At0和当前索结构支座坐标向量Ut0的具体方法为Π.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U。如果Ut 等于U。则Attj和Uttj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Ut和Ut0,如果Ut不 等于Ut0,则需要对At0和Ut0进行更新，更新方法是先计算Ut与U0的差，Ut与U0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Attj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#。，更新At0的同时，Ut0所有元素数值也用第e步的Ut所 有元素数值对应代替，即更新了 U。这样就得到了正确地对应于Attj的U。
3.根据权利要求1所述的有支座沉降时的基于混合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Attj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△(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△(是不断更新的，即在更新当前力学计算基 准模型Attj和当前索结构支座坐标向量Ut0的同时，必须同时更新索结构单位损伤被监测量 变化矩阵Δ 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Attj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混合监测的索系统的健康监测方法，基于混合监测、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G01M99/00GK101806663SQ20101012730
公开日2010年8月18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