专利名称：基于索力监测识别受损索松弛索支座广义位移的方法
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广义位移(例如支座广义位移指支座沿X、Y、Z轴的线位移及支座绕Χ、Υ、Ζ轴的角位移；对应于支座广义位移，支座广义坐标指支座关于X、Y、Z轴的坐标及支座关于X、Y、Z轴的角坐标)，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，基于索力监测来识别支座广义位移、识别索结构的索系统中的受损索、识别需调整索力的支承索，并给出具体的索长调整量，属工程结构健康监测领域。
背景技术：
支座广义位移对索结构安全是一项重大威胁，同样的，索系统的损伤和松弛也将对结构的安全造成不良影响，严重时将会引起结构的失效，因此准确及时地识别支座广义位移、受损索和松弛索(即需调整索力的支承索)是非常必要的。索结构出现支座广义位移、受损索和松弛索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，实际上索力的变化包含了索结构的健康状态信息，也就是说可以利用结构索力数据判断结构的健康状态，可以基于索力监测(本发明将被监测的索力称为 “被监测量”，后面提到“被监测量”就是指被监测的索力)来识别支座广义位移、受损索和松弛索。
发明内容
技术问题本发明公开了一种基于索力监测的、能够合理有效地识别支座广义位移、受损索和松弛索的健康监测方法。依据支承索的索力变化的原因，可将支承索的索力变化分为三种情况一是支承索受到了损伤，例如支承索出现了局部裂纹和锈蚀等等；二是支承索并无损伤，但索力也发生了变化，出现这种变化的主要原因之一是支承索自由状态(此时索张力也称索力为0)下的索长度(称为自由长度，本发明专指支承索两支承端点间的那段索的自由长度)发生了变化；三是支承索并无损伤，但索结构支座有了广义位移，也会引起结构内力的变化，当然也就会引起索力的变化。为了方便，本发明将自由长度发生变化的支承索统称为松弛索。技术方案设索的数量和支座广义位移分量的数量之和为#。为叙述方便起见，本发明统一称被评估的索和支座广义位移为“被评估对象”，给被评估对象连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。本发明用用变量i表示这一编号，i=l，2，3，···，N, 因此可以说有#个被评估对象。
设索系统中共有。根支承索，结构索力数据包括这C根支承索的索力，显然。小于被评估对象的数量#。仅仅通过Q个支承索的Q个索力数据来求解未知的#个被评估对象的状态是不可能的，本发明在监测全部C根支承索索力的基础上，增加对不少于GV-仍个其他被监测量。增加的不少于GV- Q)个的其他被监测量仍然是索力，叙述如下
在结构上人为增加丛( 不小于N-⑴根索，新增加的丛根索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，可以小很多，例如小10倍，新增加的丛根索的索力应当较小，例如其横截面正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的丛根索不会发生疲劳损伤，新增加的丛根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛，新增加的丛根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的丛根索不会发生损伤和松弛，在结构健康监测过程中将监测这新增加的丛根索的索力。综合上述被监测量，整个结构共有if根索的I个被监测量，I不得小于被评估对象的数量见为方便起见，在本发明中将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。给Ji 个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。本发明由两大部分组成。分别是一、建立用于识别支座广义位移、受损索和松弛索的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)、基于被监测量等量的监测的、识别索结构的支座广义位移、受损索和松弛索的方法。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识别索结构支座广义位移、受损索和松弛索的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)、基于实测索结构支座广义位移的、基于被监测量等量的监测的、识别索结构的支座广义位移、受损索和松弛索的方法。 可按如下方法进行，以获得更准确的索结构的健康状态评估。第一步首先建立索结构初始健康状态向量式、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，在本发明中A。是不变的)。索结构“初始健康状态向量记为d。” (如式(1)所示)，用d0表示索结构(用索结构的初始力学计算基准模型A。表示)的健康状态。de = [^1 de% ··■<,·■·(1)
式(1)中式//=1，2，3，…….，N)表示A。中的索结构的第i个被评估对象的初始健康状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么doi表示其初始损伤，doi 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，如果经无损检测查明该索没有损伤，那么doi表示该索与式,.损伤值力学等效的松弛，具体松弛量的计算方法在后面说明；如果该被评估对象是一个支座的一个广义位移分量，那么it.表示其初始广义位移数值。式(1)中Γ表示向量的转置(后同)。建立索结构初始健康状态向量(依据式(1)记为式)时，利用索结构完工之时或健康监测系统开始工作之时的索结构的支座广义位移的实测数据和设计图、竣工图确定索结构初始健康状态向量式的对应于支座广义位移的各元素数值；利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据确定索结构初始健康状态向量式的对应于索的各元素数值；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d0的对应于索的各元素数值取0。建立索结构的力学计算基准模型A。(例如有限元基准模型)的方法如下 首先在索结构上增加丛( 不小于N-⑴根索，新增加的丛根索的刚度同结构的任意
一根支承索的刚度相比，可以应当小很多，例如小10倍，在结构健康监测过程中将监测这新增加的尾根索的索力。在结构健康监测系统开始工作前实测得到这新增加的丛根索的索力。同时测量得到新增加的丛根索的几何参数和力学参数，测量得到新增加的尾根索的两个在索结构上安装端点的坐标。称上述信息为新增加的丛根索的所有信息。新增加的丛根索的所有信息已知后，再建立A。。建立A。时，根据已知的新增加的丛根索的所有信息，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、索结构支座广义坐标数据、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、索结构支座广义坐标数据、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。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(2))。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。Ce2 ···€；.··· ComJ(2)
式(2)中6^.(7=1，2，3，…….，M; M^JV)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。r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(3))。C = [C1 C2 · · · C, · · · CmJ(3)
式(3)中 .(/=1，2，3，…….，Μ; M^JV)是索结构中第^/个被监测量的当前值， 该分量Cj依据编号规则与Coj对应于同一 “被监测量”。第二步建立索结构被监测量单位变化矩阵」C的方法。在索结构的力学计算基准模型Α。的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于 N。每一次计算假设只有一个被评估对象在原健康状态(用索结构初始健康状态向量i/ ^表示)的基础上再增加有单位损伤或单位广义位移(本发明称为健康状态有单位变化，或简称有单位变化)，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增加单位损伤(例如取5%、10%、20%或30%等损伤为单位损伤)，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的广义位移分量，就假设该支座在该广义位移方向增加发生单位广义位移 (例如取1毫米、2毫米、3毫米等为单位线位移，取十万分之一弧度、十万分之二弧度、十万分之三弧度等为单位角位移)，用久,.记录这一单位损伤或单位广义位移，其中i表示假设增加发生单位损伤或单位广义位移的被评估对象的编号。用“单位损伤或单位广义位移向量 Du"(如式(4)所示)记录所有的单位损伤或单位广义位移。每一次计算中出现单位损伤或单位广义位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位广义位移的被评估对象，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个被监测量有单位损伤或单位广义位移时，可用式(5)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后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位广义位移数值，所得向量就是此条件下(以有单位损伤或单位广义位移的被评估对象的编号为标记)的被监测量变化向量(当第i个被评估对象有单位损伤或单位广义位移时，用々G表示被监测量变化向量，定义见式(6)，式(6)为式(5)减去式(2) 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或单位广义位移的那个被评估对象的单位变化而引起的该元素所对应的被监测量的改变量；有#个被评估对象就有#个被监测量变化向量，由于有I个被监测量，所以每个被监测量变化向量有I个元素，由这#个被监测量变化向量依次组成有个元素的被监测量单位变化矩阵」G」C 的定义如式(7)所示。DsDa2 · · · Dai · · · DimJ(4)
式(4)中单位损伤或单位广义位移向量化的元素氏,.(i=l, 2，3，…….，ΛΟ表示第 i个被评估对象的单位损伤或单位广义位移数值，向量A中的各元素的数值可以相同也可以不同。C = [4 Cj2 . . . . . . CimJ(5)
式(5)中元素G/ U =1，2，3，……·，N； J=I, 2，3，……·，Ι,Ι》Λθ表示由于第i个被评估对象有单位损伤或单位广义位移时，依据编号规则所对应的第j个被监测量的当前计算量。
权利要求
1. 一种基于索力监测识别受损索松弛索支座广义位移的方法，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广义位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座广义位移分量的数量之和为N，即被评估对象的数量为N ；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i表示这一编号，i = 1,2,3,... ,N；b.设索系统中共有Q根支承索，结构索力数据包括这Q根支承索的索力，显然Q小于被评估对象的数量N ；仅仅通过Q个支承索的Q个索力数据来求解未知的N个被评估对象的状态是不可能的，在监测全部Q根支承索索力的基础上，在结构上人为增加M2根索，在结构健康监测过程中将监测这新增加的M2根索的索力；综合上述被监测量，整个结构共有M根索的M个索力被监测，即有M个被监测量，真中M为Q与M2之和；M不得小于被评估对象的数量N;新增加的M2根索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，应当小得多；新增加的M2根索的索力应当比索结构的任意一根支承索的索力小得多，这样可以保证即使这新增加的M2根索出现了损伤或松弛，对索结构其他构件的应力、应变、变形的影响微乎其微；新增加的M2根索的横截面上正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的M2根索不会发生疲劳损伤；新增加的M2根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的M2 根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M2根索不会发生损伤和松弛；为方便起见， 将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；给M个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；c.利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立初始健康状态向量d。。 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，向量d。的各元素数值取0 ；d.在建立初始健康状态向量d。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C。；e.在建立初始健康状态向量d。和被监测量的初始数值向量C。的同时，直接测量计算得到所有支承索的初始索力，组成初始索力向量F。；同时，依据结构设计数据、竣工数据得到所有支承索的初始自由长度，组成初始自由长度向量I。；同时，依据结构设计数据、竣工数据或实测得到索结构的初始几何数据和初始索结构支座广义坐标数据；同时，实测或根据结构设计、竣工资料得到所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积；支座广义坐标包括线量和角量两种；f.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广义坐标数据建立索结构的力学计算基准模型A。；g.在力学计算基准模型A。的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵AC;h.在结构健康监测过程中，对新增加的M2根索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的索；i.依据被监测量编号规则，从被监测量初始向量C。中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；j.依据被监测量编号规则，从索结构被监测量单位变化矩阵Δ C中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；k.实测得到索结构的所有支承索的当前索力，组成当前索力向量F ；同时，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”;然后从被监测量的当前数值向量C中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；实测计算得到所有支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离；·1.定义待求的被评估对象当前健康状态向量d。和当前实际健康状态向量d ；向量d。、 d。和d的元素个数等于被评估对象的数量，d。、d。和d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，d。、d。和d的元素 数值代表对应被评估对象的损伤程度或广义位移、或与松弛程度力学等效的损伤程度；m.依据“被监测量的当前数值向量C”同“被监测量的初始数值向量C。”、“索结构被监测量单位变化矩阵Δ C”和“被评估对象当前健康状态向量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就可以算出被评估对象当前健康状态向量d。； C = C0+ Δ C · dc 式 1η.利用式2表达的当前实际健康状态向量d的元素Clj同初始健康状态向量d。的元素 dOJ和被评估对象当前健康状态向量d。的元素、间的关系，计算得到当前实际健康状态向量d的所有元素。Cli = l-(l-doi) (l-dci) 式 2 式2中i = 1,2,3,……，N;由于当前实际健康状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的当前实际健康状态， 如果该被评估对象是索系统中的一根索，那么该元素表示其当前实际损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个广义位移分量，那么该元素表示其当前广义位移数值；当前实际健康状态向量d的元素数值为0时，表示对应的支承索无损伤无松弛、或对应的支座广义位移分量为0，不为0的元素对应于有问题的支承索或有广义位移的支座；由此确定了有问题的支承索，确定了支座广义位移；ο.从步骤η中识别出的有问题的支承索中通过无损检测方法鉴别出受损索，剩下的就是松弛索；P.从当前实际健康状态向量d中取出支承索对应的元素组成支承索当前实际健康状态向量d%支承索当前实际健康状态向量cf有Q个元素，表示Q根支承索的当前实际损伤值，cf元素的编号规则与向量F0的编号规则相同，即cf和F0相同编号的元素表示相同支承索的信息；q.利用在步骤P获得的支承索当前实际健康状态向量cf得到松弛索的当前实际损伤程度，利用在步骤k获得的当前索力向量F，利用在步骤k获得的所有支承索的两个支承端点的空间坐标，利用在步骤e获得的初始自由长度向量I。，利用在步骤e获得的所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积数据，通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、与当前实际损伤程度等效的松弛程度，等效的力学条件是一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数、密度及材料的力学特性参数相同；二、松弛或损伤后，两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同；满足上述两个等效条件时，这样的两根支承索在结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受损索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然；依据前述力学等效条件求得那些被判定为松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由长度的改变量，也就是确定了那些需调整索力的支承索的索长调整量；这样就实现了支承索的松弛识别；计算时所需索力由当前索力向量F 对应元素给出；
2.根据权利要求1所述的基于索力监测识别受损索松弛索支座广义位移的方法，其特征在于在步骤g中，在力学计算基准模型A。的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵△(的具体方法为gl.在索结构的力学计算基准模型A。的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于N ；每一次计算假设只有一个被评估对象在原健康状态的基础上再增加有单位损伤或单位广义位移，为叙述方便本方法合称单位损伤和单位广义位移为单位变化；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在原有健康状态的基础上再增加单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的广义位移分量，就假设该支座在该广义位移方向在原有健康状态的基础上再增加发生单位广义位移，用Dui记录这一单位损伤或单位广义位移，其中i表示发生单位损伤或单位广义位移的被评估对象的编号； 每一次计算中出现单位损伤或单位广义位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位广义位移的被评估对象，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向量；g2.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后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位广义位移数值，得到一个被监测量变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量变化向量；g3.由这N个被监测量变化向量依次组成有N列的索结构被监测量单位变化矩阵AC; 索结构被监测量单位变化矩阵AC的每一列对应于一个被监测量变化向量。
全文摘要
基于索力监测识别受损索松弛索支座广义位移的方法，该方法基于索力监测，即对全部支承索和人为增加的索的索力进行监测，根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据等建立索结构的力学计算基准模型，在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵。依据被监测量的当前数值向量同被监测量初始向量、索结构被监测量单位变化矩阵和待求的被评估对象当前健康状态向量间存在的近似线性关系，可以识别出索结构的健康状态的变化，即识别出支座广义位移、受损索和松弛索。
文档编号G01B21/02GK102323096SQ201110144479
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者韩佳邑, 韩玉林 申请人:东南大学