专利名称：基于混合监测识别受损索支座广义位移的健康监测方法
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，基于混合监测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，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，也就是说可以利用混合监测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对多类参量的混合监测的、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i表示这一编号，i=l, 2，3，…，N，因此可以说有#个被评估对象。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
4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&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&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ο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。丛是一个不小于ο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f ^Μ,+Κ,+Κ,+Κ,), f和I不得小于被评估对象的数量#。由于I个被监测量是不同类型的， 所以本发明称为“基于混合监测识别受损索支座广义位移的健康监测方法”。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”。本发明由三大部分组成。分别是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)和实测索结构的被监测量的被评估对象健康状态评估方法、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。具体如下1.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。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(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= [Cij1 C02 ···€；.··· ComJ(1)
式(1)中C^.C/=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 ··· Cj ·· · CjwJr(2)
式(2)中=1，2，3，…….，M; 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”。
2.建立索结构被监测量单位变化矩阵」C的方法。建立索结构被监测量单位变化矩阵」C的具体方法如下
在索结构的力学计算基准模型A。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)，用化,.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。 用“单位损伤或单位广义位移向量久”(如式(3)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 (4)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SCi表示被监测量变化向量，定义见式(5)，式(5)为式(4)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(6)所示。Du=[Dsl A2 · · · A, · · · DsnJ(3)
式(3)中单位损伤或单位广义位移向量化的元素久,.(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，向量化中的各元素的数值可以相同也可以不同。
权利要求
1. 一种基于混合监测识别受损索支座广义位移的健康监测方法，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.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Q根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1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M1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K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2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，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K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3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M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积；M3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K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M4为K4和L4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M个被监测量， M为Mp M2, M3和M4之和，定义参量K，K为Mp K2、K3和K4之和，K和M不得小于被评估对象的数量N ；由于M个被监测量是不同类型的，所以方法明称为“基于混合监测识别受损索支座广义位移的健康监测方法”；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C。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；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数据建立索结构的力学计算基准模型A。；e.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;f.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 ；g.定义被评估对象当前状态向量d，被评估对象当前状态向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前状态向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前状态向量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；h.依据被监测量的当前数值向量C同被监测量初始向量C。、索结构被监测量单位变化矩阵AC和待求的被评估对象当前状态向量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状态向量d ；由于被评估对象当前状态向量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，所以根据被评估对象当前状态向量确定有哪些索受损及其损伤程度，可以确定支座广义位移，即实现了支座广义位移的评估和索结构中索系统的健康状态评估； C = C0+ Δ C · d 式 1
2.根据权利要求1所述的基于混合监测识别受损索支座广义位移的健康监测方法，其特征在于在步骤e中，在力学计算基准模型A。的基础上，通过若干次力学计算获得索结构被监测量单位变化矩阵△ C的具体方法为el.在索结构的力学计算基准模型Α。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有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有单位损伤，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，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；e2.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；e3.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
基于混合监测识别受损索支座广义位移的健康监测方法基于混合监测，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状态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识别出支座广义位移和受损索。
文档编号G01B21/22GK102305723SQ20111014448
公开日2012年1月4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