专利名称：空间坐标监测的识别受损索和支座角位移的递进式方法
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”。在索结构的服役过程中， 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)会受损，同时索结构的支座也可能出现角位移(例如支座绕坐标轴x、Y、z的转动，实际上就是支座绕坐标轴Χ、Υ、Ζ的角位移)，这些变化对索结构的安全是一种威胁，本发明基于结构健康监测技术，基于空间坐标监测、采用递进式方法来识别支座角位移和索结构的索系统中的受损索，属工程结构健康监测领域。
背景技术：
支座角位移对索结构安全是一项重大威胁，同样的，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支座角位移和索结构的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。当支座出现角位移时、或索系统的健康状态发生变化时、或者两种情况同时发生时，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，实际上这些可测量参数的变化包含了索系统的健康状态信息、包含了支座角位移信息，也就是说可以利用结构的可测量参数来识别支座角位移和受损索。为了能对索结构的索系统的健康状态和支座角位移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可测量参数的变化同支座角位移和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支座角位移评估和索系统的健康评估。
发明内容
技术问题本发明公开了一种基于空间坐标监测的、采用递进式方法的、能够合理有效地识别支座角位移和受损索的健康监测方法。技术方案设索的数量和支座角位移分量的数量之和为见为叙述方便起见，本发明统一称被评估的索和支座角位移为“被评估对象”，给被评估对象连续编号，本发明用用变量J·表示这一编号，J‘=l，2，3，···，见因此可以说有#个被评估对象。本发明由两大部分组成。分别是一、建立被评估对象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)和实测索结构的空间坐标的被评估对象健康状态评估方法；二、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被评估对象健康监测的知识库和参量的方法。可按如下步骤依次循环往复地、递进式进行
第一步每一次循环开始时，首先需要建立或已建立本次循环开始时的被评估对象初始健康状态向量</(i=l，2，3，…)、建立索结构的初始力学计算基准模型Α。(例如有限元基准模型，在本发明中A。是不变的)、建立索结构的力学计算基准模型Ai (例如有限元基准模型，i=l，2，3，…)。字母i除了明显地表示步骤编号的地方外，在本发明中字母i仅表示循环次数，即第i次循环。第i次循环开始时需要的索结构“初始健康状态向量dj” (如式(1)所示)，用dj 表示第i次循环开始时索结构(用力学计算基准模型Ai表示)的索结构的初始健康状态。之2 · · · ζ- · · · d^J(1)
式(1)中Clioj (i=l, 2，3，···,· j =1, 2，3，…….，H)表示第i次循环开始时、力学计算基准模型Ai中的索系统的第j个被评估对象的当前健康状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么式表示其当前损伤，式为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，如果该被评估对象是一个支座的一个角位移分量，那么式表示其当前角位移数值。式(1)中Γ表示向量的转置(后同)。第一次循环开始时建立初始健康状态向量(依据式(1)记为时，利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据以及支座角位移测量建立被评估对象初始健康状态向量<>。如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状态为无损伤无松弛状态时，向量的中与索相关的各元素数值取0。第i次(i=2，3，4，5，6…)循环开始时需要的被评估对象初始健康状态向量 Wij，是在前一次(即第i-Ι次，i=2，3，4，5，6···)循环结束前计算获得的，具体方法在后文叙述。第i次循环开始时需要建立的力学计算基准模型或已建立的力学计算基准模型记为A、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、索结构支座角坐标数据、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、索结构支座角坐标数据、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。A。是不变的，只在第一次循环开始时建立。第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为A1，A1就等于A。。A1对应的被评估对象的健康状态由d1。描述。第i次(i=2，3，4，5，6…)循环开始时需要的力学计算基准模型Ai,是在前一次(即第i-Ι次，i=2，3，4，5，6…)循环结束前计算获得的，具体方法在后文叙述。已有力学计算基准模型A1和被评估对象初始健康状态向量 < 后，模型A1中的各被评估对象的健康状态由向量表达。在A1的基础上，将所有被评估对象的健康状态数值变更为0，力学模型A1更新为一个所有被评估对象的健康状态都为0的力学模型(记为A°)， 力学模型A°实际上是完好无损无支座角位移的索结构对应的力学模型。不妨称模型A°为索结构的无损伤无支座角位移模型A°。“结构的全部被监测的空间坐标数据”由结构上f个指定点的、及每个指定点的Z 个指定方向的空间坐标来描述，结构空间坐标数据的变化就是^个指定点的所有空间坐标分量的变化。每次共有#个空间坐标测量值或计算值来表征结构空间坐标信息。 #和ι不得小于被评估对象的数量N。为方便起见，在本发明中将“结构的被监测的空间坐标数据”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“空间坐标的某某矩阵或某某
向量”。本发明中用被监测量初始数值向量CV’(i=l，2，3，···)表示第i次(i=l，2，3， 4，5，6…)循环开始时所有指定的被监测量的初始值(参见式(2))，的全称为“第i次循环被监测量的初始数值向量”。
权利要求
1. 一种空间坐标监测的识别受损索和支座角位移的递进式方法，其特征在于所述方法包括a.为叙述方便起见，统一称被评估的支承索和支座角位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座角位移分量的数量之和为见即被评估对象的数量为# ；确定被评估对象的编号规则，按此规则将索结构中所有的被评估对象编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；用变量J·表示这一编号，J‘=l，2，3，···，N-,b.确定指定的将被监测空间坐标的被测量点，给所有指定点编号；确定过每一测量点的将被监测的空间坐标分量，给所有被测量空间坐标分量编号；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空间坐标数据”由上述所有被测量空间坐标分量组成；为方便起见，将“结构的被监测的空间坐标数据”称为“被监测量”;所有被测量空间坐标分量的数量之和不得小于c.利用被评估对象的无损检测数据等能够表达被评估对象的健康状态的数据建立被评估对象初始健康状态向量；如果没有被评估对象的无损检测数据时，向量^/^的各元素数值取0 ；向量的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；本发明用i表示循环次数，i=l, 2，3，……；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的初始健康状态向量^ij可以具体化为cf0 ；d.在建立初始健康状态向量Zij的同时，直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量的初始数值向量；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的被监测量的初始数值向量可以具体化为C10 ；在实测得到被监测量初始数值向量的同时， 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角坐标数据；e.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角坐标数据建立索结构的力学计算基准模SAi ；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的索结构的力学计算基准模型Ai可以具体化为A1 ；f.在力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得“单位损伤被监测量数值变化矩阵」Cf，，和“名义单位损伤向量D^ ；g.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”;给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；h.定义当前名义损伤向量和当前实际损伤向量Ji，两个损伤向量的元素个数等于被评估对象的数量，当前名义损伤向量的元素数值代表对应被评估对象的当前名义损伤程度或支座角位移，当前实际损伤向量J y的元素数值代表对应被评估对象的当前实际损伤程度或支座角位移，两个损伤向量的元素的元素个数等于被评估对象的数量，两个损伤向量的元素和被评估对象之间是一一对应关系，两个损伤向量的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；i.依据“被监测量的当前数值向量夕”同“被监测量的初始数值向量<”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵」夕”和“当前名义损伤向量夕广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中除外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前名义损伤向量< ；
2.根据权利要求1所述的空间坐标监测的识别受损索和支座角位移的递进式方法，其特征在于在步骤f中，在力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得“单位损伤被监测量数值变化矩阵」C”和“名义单位损伤向量众 ”的具体方法为fl.在索结构的力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于#;依据被评估对象的编号规则，依次进行计算；每一次计算假设只有一个被评估对象在原有损伤或角位移的基础上再增加单位损伤或单位角位移，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索再增加单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的角位移分量，就假设该支座在该角位移方向再增加单位角位移，每一次计算中再增加单位损伤或单位角位移的被评估对象不同于其它次计算中再增加单位损伤或单位角位移的被评估对象，用“名义单位损伤向量众 ”记录记录所有假定的再增加的单位损伤或单位角位移，其中i表示第i次循环，每一次计算都利用力学方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数值向量；f2.每一次计算得到的被监测量计算当前数值向量减去被监测量初始数值向量后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位角位移数值，得到一个被监测量变化向量，有#个被评估对象就有#个被监测量变化向量；f3.由这#个被监测量变化向量按照#个被评估对象的编号规则，依次组成有#列的索结构被监测量单位变化矩阵」夕。
全文摘要
空间坐标监测的识别受损索和支座角位移的递进式方法基于空间坐标监测，考虑到了被监测量的当前数值向量同被监测量的初始数值向量、单位损伤被监测量变化矩阵和当前名义损伤向量间的线性关系是近似的，为克服此缺陷，本发明给出了使用线性关系分段逼近非线性关系的方法，将大区间分割成连续的一个个小区间，在每一个小区间内上述线性关系都是足够准确的，在每一个小区间内可以利用多目标优化算法等合适的算法快速识别出支座角位移和受损索。
文档编号G01L5/04GK102297768SQ20111012261
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者韩佳邑, 韩玉林 申请人:东南大学