专利名称：基于索力监测识别受损索支座广义位移的递进式方法
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、采用递进式方法来识别支座广义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：
支座广义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广义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。当支座出现广义位移时、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、包含了支座广义位移信息，也就是说可以利用结构的可测量参数来识别支座广义位移和受损索。为了能对索结构的索系统的健康状态和支座广义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广义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广义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索力监测的、采用递进式方法的、能够合理有效地识别支座广义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广义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广义位移为“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。设索系统中共有軋根支承索，结构索力数据包括这根支承索的索力，显然小于被评估对象的数量#。仅仅通过軋个支承索的軋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，本发明在监测全部軋根支承索索力的基础上，增加对不少于GV- M1) 个其他被监测量。增加的不少于GV- M1)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- i/p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，保证新增加的尾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I (M=M^M2)根索的I个被监测量，I应当大于被评估对象的数量#。由于I个被监测量都是索力，所以本发明称为“基于索力监测识别受损索支座广义位移的递进式方法”。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”。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。本发明用用变量左表示这一编号,左=1，2，3，…，M0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)和实测索结构的索力数据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//(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。4 = [^j1 · · · 4 · · ·⑴
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广义位移分量，那么式表示其当前广义位移数值。式(1)中T 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广义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 ，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。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- i/p根索，新增加的尾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丛根索的索力。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。A。是不变的，只在第一次循环开始时建立。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、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广义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广义位移模型A°。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”。C。·· · Clk · · · CImJ(2)式(2)中C^(i=l，2，3，…汝=1，2，3，···.，M; M^N;)是第i次循环开始时、索结构中第A个被监测量。向量是由前面定义的#个被监测量依据一定顺序排列而成，对此排列顺序并无特殊要求，只要求后面所有相关向量也按此顺序排列数据即可。第一次循环开始时，“第1次循环被监测量的初始数值向量C1 ’(见式(2))由实测数据组成，由于根据模型A1计算所得被监测量的初始数值可靠地接近于相对应的实测数值，在后面的叙述中，将用同一符号来表示该计算值组成向量和实测值组成向量。第i次(i=2，3，4，5，6…)循环开始时需要的“第i次循环被监测量的初始数值向量〈”，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。第二步每一次循环需建立“单位损伤被监测量数值变化矩阵”和“名义单位损伤向量”，第i次循环建立的“单位损伤被监测量数值变化矩阵”记为」广'，第i次循环建立的 “名义单位损伤向量”记为V ，i=l，2，3，···。第一次循环建立的索结构“单位损伤被监测量数值变化矩阵”记为」^。建立」夕的过程如下
在索结构的力学计算基准模型A1的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于见每一次计算假设只有一个被评估对象有单位损伤，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有单位损伤(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)。为叙述方便，本发明将假定的支承索的损伤和支座广义位移统称为单位损伤。为方便计算，每一次循环中设定单位损伤时可以都是把该次循环开始时的结构健康状态当成是完全健康的，并在此基础上设定单位损伤(在后续步骤中、计算出的、被评估对象的健康状态数值一称为名义健康状态向量 (i=l, 2，3，…)，都是相对于将该次循环开始时的、将索结构的健康状态当成是完全健康而言的，因此必须依据后文给出的公式将计算出的名义健康状态数值换算成真实健康状态数值)。同一次循环的每一次计算中出现单位损伤的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤的被评估对象，并且每一次假定有单位损伤的被评估对象的单位损伤值可以不同于其他被评估对象的单位损伤值，用“名义单位损伤向量汉 ”(如式(3)所示)记录各次循环中所有被评估对象的假定的单位损伤，第一次循环时记为# 。每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的、在前面已指定的#个被监测量的当前计算值，每一次计算所得#个被监测量的当前计算值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”(当假设第J·个被评估对象有单位损伤时，可用式(4)表示所有指定的#个被监测量的计算当前数值向量 C^.);每一次计算得到的被监测量的计算当前数值向量减去被监测量的初始数值向量6^， 所得向量就是此条件下(以有单位损伤的被评估对象的编号为标记)的“被监测量的数值变化向量”(当第J个被评估对象有单位损伤时，用表示被监测量的数值变化向量，SC1j 的定义见式(5)、式(6)和式(7)，式(5)为式(4)减去式(2)后再除以向量的第J个元素所得)，被监测量的数值变化向量SC^的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的那个被评估对象(例如第j个被评估对象)有单位损伤(例如Duj\而引起的该元素所对应的被监测量的数值改变量相对于假定的单位损伤的变化率；有#个被评估对象就有#个“被监测量的数值变化向量”，每个被监测量的数值变化向量有#( 一般的，#》#)个元素，由这#个“被监测量的数值变化向量”依次组成有个元素的“单位损伤被监测量数值变
化矩阵」夕”⑶行#列入每-」夕的定义如式(8)所示。
权利要求
1. 一种基于索力监测识别受损索支座广义位移的递进式方法，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j表示这一编号，j = 1,2,3,... ,N；b.设索系统中共有M1根支承索，结构索力数据包括这M1根支承索的索力，显然M1小于被评估对象的数量N ；仅仅通过M1个支承索的M1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M1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，其中M为M1与M2之和；M应当大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 MJg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，本发明用用变量j表示这一编号，j = 1，2，3，...，M，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；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f。；如果没有被评估对象的无损检测数据时，向量f。的各元素数值取0 ；向量必的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；用i表示循环次数，i=1,2,3,......；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f。可以具体化为d1。；d.在建立初始健康状态向量d1。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Citj ；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Citj可以具体化为C1。；在实测得到被监测量初始数值向量C1。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广义坐标数据；支座广义坐标包括线量和角量两种；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广义坐标数据建立索结构的力学计算基准模型Ai ；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ACi"和“名义单位损伤向量Di/ ；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Ci";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.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，从被监测量的初始数值向量Citj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；依据被监测量编号规则，从单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；依据被监测量编号规则， 从被监测量的当前数值向量Ci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.定义当前名义损伤向量 < 和当前实际损伤向量dS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f。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广义位移，当前实际损伤向量Cli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广义位移，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；k.依据“被监测量的当前数值向量Ci"同“被监测量的初始数值向量C1。”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"和“当前名义损伤向量屮。”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C^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屮。；C =C:+AC·《式 1.1.利用式2表达的当前实际损伤向量Cli同初始损伤向量Cli0和当前名义损伤向量C^ 的元素间的关系，计算得到当前实际损伤向量Cli的所有元素； 《=1-(1-<)(1-《)式 2 式2中j = 1,2,3,……，N;当前实际损伤向量Cli的元素数值代表对应被评估对象的实际损伤程度或实际支座广义位移，根据当前实际损伤向量Cli就能确定有哪些索受损及其损伤程度，就能确定实际支座广义位移；若当前实际损伤向量的某一元素对应于是索系统中的一根索，且其数值为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；如果当前实际损伤向量的某一元素对应于一个支座的一个广义位移分量，那么邙表示其当前广义位移数值；m.在求得当前名义损伤向量屮。后，按照式3建立标识向量Fi，式4给出了标识向量Fi 的第j个元素的定义； il，计<^巧式式4中元素F/是标识向量Fi的第j个元素，Diuj是名义单位损伤向量Diu的第j个元素， Clicj是当前名义损伤向量 < 的第j个元素，它们都表示第j个被评估对象的相关信息，式4 中 j = 1,2,3,……，N;η.如果标识向量Fi的元素全为0，则回到第g步继续本次循环；如果标识向量Fi的元素不全为0，则进入下一步、即第ο步；ο.根据式5计算得到下一次、即第i+Ι次循环所需的初始损伤向量di+1。的每一个元素ii+1d oj ；C1=I-(I-A)(I-Z);巧)式 5式5中Diuj是名义单位损伤向量Diu的第j个元素，d、是当前名义损伤向量 < 的第j 个元素，Fij是标识向量Fi的第j个元素，式5中j = 1，2，3，……，N ；向量di+1。的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；P.在力学计算基准模型Ai的基础上，令被评估对象的健康状况为di+1。后更新得到下一次、即第i+Ι次循环所需的力学计算基准模型Aw ；q.通过对力学计算基准模型Aw的计算得到对应于模SAw的结构的所有被监测应变的点的、将被监测的应变方向的应变数值，这些数值组成下一次、即第i+Ι次循环所需的被监测量的初始数值向量(^+1。；r.回到第f步，开始下一次循环。
2.根据权利要求1所述的基于索力监测识别受损索支座广义位移的递进式方法，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ACi"和“名义单位损伤向量Di/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N ；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广义位移的基础上再增加单位损伤或单位广义位移，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广义位移分量，就假设该支座在该广义位移方向再增加单位广义位移，每一次计算中再增加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再增加单位损伤或单位广义位移的被评估对象，用“名义单位损伤向量Di/记录记录所有假定的再增加的单位损伤或单位广义位移，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；f3.由这N个被监测量变化向量按照N个被评估对象的编号规则，依次组成有N列的索结构被监测量单位变化矩阵Δ C全文摘要
基于索力监测识别受损索支座广义位移的递进式方法基于索力监测，即基于对全部支承索和人为增加的索的索力进行监测，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广义位移和受损索。
文档编号G01B21/02GK102323097SQ20111014448
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