专利名称：支座广义位移时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”。在有支座广义位移(例如支座广义位移指支座沿χ、γ、ζ轴的线位移及支座绕x、Y、z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Χ、Υ、Ζ轴的角坐标)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，还会受索结构支座广义位移(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。在有支座广义位移时，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广义位移时，针对索结构中索系统的健康监测问题，公开了一种基于对多类参量的混合监测的、能够合理有效地监测索结构中支座广义位移时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广义位移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。
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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#。(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A。、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、索结构支座坐标数据、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A0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A0的索结构支座广义坐标数据组成初始索结构支座广义坐标向量U0。在索结构服役过程中，不断实测获得索结构支座广义坐标当前数据(所有数据组成当前索结构实测支座广义坐标向量Lf,向量Lf的定义方式与向量V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广义坐标当前数据记为当前索结构支座广义坐标向量C。。建立和更新Attj的方法是在初始时刻，Attj就等于A。，V。就等于V。； 在索结构服役过程中，不断实测获得索结构支座广义坐标数据得到当前索结构实测支座广义坐标向量If，如果If等于If0,则不需要对At0进行更新；如果If不等于If0,则需要对At0 进行更新，此时If与U。的差就是索结构支座关于初始位置(对应于Α。)的支座广义位移，更新Attj的方法是对Α。中的索结构支座施加位移约束(其数值取自支座广义位移向量K)后得到更新的当前力学计算基准模型#。，更新At0的同时，Lf0所有元素数值也用If所有元素数值代替，即更新了 V。，这样就得到了正确地对应于Attj的V。。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#根索，结构的被监测的索力数据由结构上軋个指定索的軋个索力数
据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化。每次共有軋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A个指定点的、及每个指定点的4个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是A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。丛是一个不小于ο的整数。结构的被监测的角度数据由结构上A个指定点的、过每个指定点的4个指定直线的、每个指定直线的/ 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。每次共有為Γ為二Aya^oyy个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息。為是一个不小于O的整数。 结构的被监测的形状数据由结构上&个指定点的、及每个指定点的‘个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是&个指定点的所有坐标分量的变化。每次共有怂O^=AXZJ个坐标测量值或计算值来表征结构形状。丛是一个不小于O的整数。综合上述被监测量，整个结构共有I (M=M1+M2+M3+M4)个被监测量，定义参量# ^Μ,+Κ,+Κ,+Κ,), f和I不得小于索的数量#。由于I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。Cij =[ Q Ce2 ···%··· CmJ(1)
式(1)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(2))。C = [C1 C2 · · · Cjf · · · CjkfJr(2)
式(2)中 .(/=1，2，3，……Μ; M减是索结构中第J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”。
2.建立和更新索结构单位损伤被监测量变化矩阵」C的方法。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的同时，更新索结构单位损伤被监测量变化矩阵」C。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化(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，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 々G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#根索就有#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单位损伤被监测量变化矩阵」G」C的定义如式(5)所示。
权利要求
1. 一种支座广义位移时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#根索，结构的被监测的索力数据由结构上軋个指定索的軋个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化；每次共有軋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&个指定点的、及每个指定点的4个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是A个指定点的所有被测应变的变化；每次共有丛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A个指定点的、过每个指定点的4个指定直线的、每个指定直线的A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；每次共有為个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，為为4、4和A之积·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的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上&个指定点的、 及每个指定点的4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是&个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有怂个坐标测量值或计算值来表征结构形状，怂为&和4 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I个被监测量，I为M1, M2, M3和M4之和，定义参量K, K为Μ” K2, K3和K4之和，f和I不得小于索的数量#;由于I个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“支座广义位移时基于混合监测的索系统的健康监测方法”；为方便起见，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C；； 在实测得到被监测量初始向量G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、初始索结构支座广义坐标数据，初始索结构支座广义坐标数据组成初始索结构支座广义坐标向量仏；支座广义坐标包括线量和角量两种；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广义坐标向量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、初始索结构支座广义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的索结构支座广义坐标数据组成当前索结构支座广义坐标向量 /。，第一次建立索结构的当前力学计算基准模型Attj时，V。就等于 Ua-,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广义坐标当前数据，所有索结构支座广义坐标当前数据组成当前索结构实测支座广义坐标向量M ；f.根据当前索结构实测支座广义坐标向量V，在必要时更新当前力学计算基准模型At0和当前索结构支座广义坐标向量If0 ；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和单位损伤标量久；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J的元素和索之间是一一对应关系，索系统当前损伤向量J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」〔单位损伤标量久和待求的索系统当前损伤向量J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i/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由于当前损伤向量i/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；C = Q+务ACW式 ιk.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所述的支座广义位移时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广义坐标向量 Λ在必要时更新当前力学计算基准模型Attj和当前索结构支座广义坐标向量V。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广义坐标向量M后，比较M和于让。，如果"等于If0,则Attj和If0保持不变；f2.在步骤e中实测得到当前索结构实测支座广义坐标向量M后，比较M和If0,如果 Lf不等于If0,则需要对At0和C。进行更新，更新方法是先计算V与^的差，V与^的差就是索结构支座关于初始位置的当前支座广义位移，用支座广义位移向量Z表示支座广义位移，支座广义位移向量Z中的元素与支座广义位移分量之间是一一对应关系，支座广义位移向量Z中一个元素的数值对应于一个指定支座的绕一个指定方向的广义位移；更新Attj 的方法是对A。中的索结构支座施加当前支座广义位移约束，当前支座广义位移约束的数值就取自支座广义位移向量Z中对应元素的数值，对A。中的索结构支座施加支座广义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，Lf0所有元素数值也用第e步的If所有元素数值对应代替，即更新了 V。，这样就得到了正确地对应于Attj的C。。
3.根据权利要求1所述的支座广义位移时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」C和单位损伤标量久的具体方法为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和当前索结构支座广义坐标向量V。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和单位损伤标量久；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#根索就有#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久，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#根索就有#个被监测量变化向量；g4.由这#个被监测量变化向量依次组成有#列的索结构单位损伤被监测量变化矩阵 」C ；索结构单位损伤被监测量变化矩阵」C的每一列对应于一个被监测量变化向量。
全文摘要
支座广义位移时基于混合监测的索系统的健康监测方法基于混合监测、通过监测结构支座广义坐标来决定是否需要更新结构的力学计算基准模型，只有当结构支座广义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广义位移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，据此可以在有支座广义位移时、比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。
文档编号G01B21/02GK102323081SQ201110143050
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