专利名称：基于应变监测识别受损索松弛索支座广义位移的递进方法
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，基于应变监测、采用递进式方法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、受损索和松弛索。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应变监测的、采用递进式方法的、能够合理有效地识别支座广义位移、受损索和松弛索的健康监测方法。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。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。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)和实测索结构的应变(或变形)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 42 · · · 4 · · · 4Μ]τ(ι)
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 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°。“结构的全部被监测的应变数据”可由结构上f个指定点的、及每个指定点的Z个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K个指定点的所有应变的变化。每次共有I 个应变测量值或计算值来表征结构应变信息。#和I一般不得小于#。为方便起见，在本发明中将“结构的被监测的应变数据”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“应变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”。c“ ■ ■ · c:, . . ■ C^Jr(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C/’(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#列入每一个向量5。(户1，2，3，…….，ΛΟ是矩阵」夕的一列， 」夕的定义如式(8)所示。4 = [^1 14 · · · 4. · · · ^T(3)
式(3)中名义单位损伤向量i/ 的元素(i=l，2，3，…;J=l，2，3，…….，ΛΟ表示第i次循环中假定的第J个被评估对象的单位损伤数值，向量汉 中的各元素的数值可以相同也可以不同。q = [C4 Cl2 ·· · C^ . · . Cim-J(4)
式(4)中元素夕⑶(i =1，2，3，-;j=l, 2，3，...... ·，N2，3，......·，Μ；
M^N)表示第i次循环由于第个被评估对象有单位损伤时，依据编号规则所对应的第左个指定的被监测量的计算当前数值。 SC 式(5)中各量的上标i(i =1，2，3，…)表示第i次循环，下标夕户1，2，3，
ΛΟ表示第J'个被评估对象有单位损伤，式中^；是向量义中的第J'个元素。向量J。的
…·.，M彡ΛΟ个元素JC^表示第i次
定义如式(6)所示，的第A α=1，2，3，··… 循环中，建立矩阵」广‘时，假定第J·个被评估对象有单位损伤时计算所得第A个被监测量的改变量相对于假定的单位损伤的变化率，其定义如式(7)所示。 5C)
2 Ci,
5
^mJ (6)
SC
__ ^tl
、—-'ok
Di-~ m
(7)
式(7)中各量的定义已在前面叙述过。
'2 ACi =[5q 3C
式(8)中向量 δ。U=I, 2，3，
Μ)表示第i次循环
中，由于第J个被评估对象有单位损伤Viy.而引起的、所有被监测量的相对数值变化。矩阵 AC的列(下标的编号规则与前面向量Wij的元素的下标J的编号规则相同。
第三步识别被评估对象的当前健康状态(识别支座广义位移、受损索和松弛索)。 具体过程如下。第 i U =1，2，3，
·)次循环中，“被监测量的当前(计算或实测)数值向量^
同“被监测量的初始数值向量C/’、“单位损伤被监测量数值变化矩阵」广‘”和“当前名义健康状态向量V/’间的近似线性关系，如式(9)或式(10)所示。 Ci = d +ACi ·4
式(9)和式(10)中被监测量的当前(计算或实测)数值向量广.的定义类似于被监测量的初始数值向量的定义，见式(11)；被评估对象当前名义健康状态向量的定义见式
式(11)中元素 Ci (i =1，2，3，
k =1，2， 3，
(11)
M1-M ^ JV)是第i次
循环时索结构的、依据编号规则所对应的编号为A的被监测量的当前数值。 d\
B
￠1 毛2
式(12)中 i/。(i =1，2，3，
4 · · · 4J(12)
……·; J=I, 2，3，……·， M)是第i次循环中索结构第J个被评估对象的当前名义损伤值，向量Ji的元素的下标J的编号规则与矩阵」C的列的编号规则相同。 当被评估对象实际损伤或支座广义位移不太大时，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(9)或式(10)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小，误差可用误差向量Z (式(13))定义，表示式(9)或式(10)所示线性关系的误差。y =MACi · 4-Ci+Cie.)(13)
式(13)中^知口是取绝对值函数，对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。由于式(9)或式(10)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(9) 或式(10)和“被监测量的当前(实测)数值向量C”来直接求解得到当前名义健康状态向量 Clica而获得当前名义健康状态向量的可接受的解(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、确定支座广义位移量)成为一个合理的解决方法，可用式(14)来表达这一方法。abs(AC ·4 - Ci +φ < gj(14)
式(14)中^知口是取绝对值函数，向量/描述偏离理想线性关系(式(9)或式(10)) 的合理偏差，由式(15)定义。Si =[gj gj · · · gL · · · S2mJ(15)
式(15)中g\ (i =1，2，3，……· ； A=I, 2，3，……·， M)描述了第i次循环中偏离式(9)或式(10)所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量/可根据式(13)定义的误
差向量V试算选定。在被监测量的初始数值向量Ct (实测或计算得到)、单位损伤被监测量数值变化矩阵」夕(计算得到)和被监测量的当前数值向量夕(实测得到)已知时，可以利用合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(14)，获得当前名义健康状态向量的可接受的解，当前实际健康状态向量Ji (定义见式(16))的元素可以根据式(17)计算得到，也就是得到了被评估对象当前实际健康状态向量Ji，从而可由^^确定受损索的位置和损伤程度、确定支座广义位移量，也就是实现了损伤识别和支座广义位移识别。Cii· · · d) · · ·(16)
式(16)中Clij (i=l, 2，3，···,· j =1, 2，3，…….，Μ)表示第i次循环中第J·个被评估对象的实际损伤值，其定义见式(17)，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么Ji7.表示其当前损伤，(/,.SO时表示该索无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100%之间时表示该索丧失相应比例的承载能力，确定受损索之后对所有的受损索进行无损检测，经无损检测查明该索没有损伤，那么Cli表示该索与Cli损伤值力学等效的松弛，由此就确定了松弛索，具体松弛量的计算方法在下面说明；如果该被评估对象是一个支座的一个广义位移分量，那么^Z7表示其当前广义位移数值。向量#的元素的编
号规则与式(1)中向量的元素的编号规则相同。4 =(17)
式(17)中 Clioj (i=l, 2，3，4，...,· j =1, 2，3，…….，N)是向量< 的第^/个元素，Clicj是向量 < 的第J个元素。
下面叙述得到了索结构当前实际健康状态向量i/后，如何确定松弛索的位置和松弛程度。
设索系统中共有。根支承索，结构索力数据由C根支承索的索力来描述。可用“初始索力向量忍”表示索结构中所有支承索的初始索力(定义见式(18))。因为基于索结构的计算基准模型计算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的实测数据，在后面的叙述中， 将用同一符号来表示该计算值和实测值。i Fc2 ··· Fck ·· · F0Q^(18)
式(18)中^ (k =1, 2，3，…….，Q)是索结构中第A根支承索的初始索力，该元素依据编号规则对应于指定支承索的索力。向量/^；是常量。在建立索结构的初始力学计算基准模型A0时使用了向量巧。本发明中用“当前索力向量户”表示第i次循环时实测得到的索结构中所有支承
索的当前索力(定义见式(19))。 Fi =[片冉···《·· · F1gJ(19)
式(19)中/^ (i=l, 2，3，4，-/ k =1, 2，3，……·，必是第i次循环时索结构中第A根支承索的当前索力。本发明中，在支承索初始状态(无损伤、无松弛)下，且支承索处于自由状态(自由状态指索力为0，后同)时，支承索的长度称为初始自由长度，用“初始自由长度向量Λ”表示索结构中所有支承索的初始自由长度(定义见式(20 ))。4 = [1Λ ‘2 · · · Ztlfc · · ·(20)
式(20)中Ai ik =1, 2，3，…….，Q)是索结构中第A根支承索的初始自由长度。 向量人是常量，与循环次数无关，在第一次循环开始时确定后，就不再变化。本发明中，用“当前自由长度向量/.”表示第i次循环时索结构中所有支承索的当前自由长度(定义见式(21))。f=[/j 4 * * · 4 ‘ *(21)
式(21)中(i=l，2，3，4，-/ k =1, 2，3，……·，⑵是第i次循环时索结构
中第A根支承索的当前自由长度。本发明中，用“自由长度改变向量Δ/”(或称支承索当前松弛程度向量)表示第i 次循环时索结构中所有支承索的自由长度的改变量(定义见式(22)和式(23))。Lf = [Δ/j· · · Αξ · · · A^J(22)
式(22)中AJ\ (i=l, 2，3，4，…；k =1，2，3，……·’ Q)是当前(第i次循环时)索结构中第A根支承索的自由长度的改变量，其定义见式(23)，不为0的索为松弛索，Llik的数值为索的松弛量，并表示索系统第A根支承索的当前松弛程度，也是调整索力时该索的索长调整量。Hhk(23)
在本发明中通过将松弛索同受损索进行力学等效来进行松弛索的松弛程度识别，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，即如果用等效的受损索代替松弛索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然。本发明中，第i次循环时，如果同第A个支承索(其当前松弛程度用Uik定义)进行等效的虚拟受损的支承索的当前实际虚拟损伤程度用Ciij穌(Jj的定义见式(16)和式 (17))。松弛的第A个支承索的当前松弛程度Uik的定义见式(22))同等效的受损索的当前实际虚拟损伤程度 /；之间的关系由前述两项力学等效条件确定。之间的具体关系可以采用多种方法实现，例如可以直接根据前述等效条件确定(参见式(24))， 也可采用基于Ernst等效弹性模量代替式(24)中的万进行修正后确定(参见式(25))，也可以采用基于有限元法的试算法等其它方法来确定。
权利要求
1. 一种基于应变监测识别受损索松弛索支座广义位移的递进方法，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.确定指定的被监测点，被监测点即表征结构应变信息的所有指定点，并给所有指定点编号；确定被监测点的被监测的应变方向，并给所有指定的被监测应变编号；“被监测应变编号”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应变数据”由上述所有被监测应变组成；本发明将“结构的被监测的应变数据”简称为“被监测量”；所有被监测量的数量之和不得小于N;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f。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 = 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屮。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， 实测得到索结构的初始几何数据和初始索结构支座广义坐标数据；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1。；向量F。和向量1。是不变的；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；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；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Fi ；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；h.定义当前名义健康状态向量f。和当前实际健康状态向量dS两个损伤向量的元素个数等于被评估对象的数量，当前名义健康状态向量 < 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广义位移，当前实际健康状态向量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；i.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“当前名义健康状态向量Cli/'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健康状态向量屮。； C =C:+AC·《式 1j.利用式2表达的当前实际健康状态向量Cli同初始损伤向量f。和当前名义健康状态向量C^的元素间的关系，计算得到当前实际健康状态向量Cli的所有元素； 《=1-(1-<)(1-《)式 2 式2中j = 1,2,3,……，N;当前实际健康状态向量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，根据当前实际健康状态向量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；若当前实际健康状态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，没有损伤或松弛的的，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；如果当前实际健康状态向量的某一元素对应于一个支座的一个广义位移分量，那么表示其当前广义位移数值；k.从第j步中识别出的有问题的支承索中鉴别出受损索，剩下的就是松弛索； 1.利用在第j步获得的当前实际虚拟损伤向量Cli得到松弛索的当前实际虚拟损伤程度，利用在第g步获得的当前索力向量Fi,利用在第g步获得的所有支承索的两个支承端点的水平距离，利用在第d步获得的初始自由长度向量1。，利用在第d步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、 与当前实际虚拟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Fi 对应元素给出；m.在求得当前名义健康状态向量 < 后，按照式3建立标识向量Bi，式4给出了标识向量Bi的第j个元素的定义；B1=VBl B^ ... B1j ·· ·风f式 3及=|0，tf] ι，C^f式4中元素Bij是标识向量Bi的第j个元素，Diuj是名义单位损伤向量Diu的第j个元素，Clicj是当前名义健康状态向量f。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Bi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，Clicj是当前名义健康状态向量 < 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Ai+1 ；q.通过对力学计算基准模型Ai+1的计算得到对应于模型Ai+1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所述的基于应变监测识别受损索松弛索支座广义位移的递进方法， 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Δ Ci"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
基于应变监测识别受损索松弛索支座广义位移的递进方法，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健康状态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、受损索和松弛索。
文档编号G01B21/32GK102323076SQ20111014301
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