精简应变监测载荷受损索广义位移识别方法_2

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点的空间坐标数据,这就是所 谓的桥型数据。"所有可能发生变化的载荷"的变化量在建立初始力学计算基准模型Aci时 全部为0,也就是说后面识别出的"所有可能发生变化的载荷"的变化量是相对于建立初始 力学计算基准模型Aci时结构所承受的对应载荷的变化量。利用支承索的无损检测数据等 能够表达支承索的健康状态的数据、索结构支座初始广义位移测量数据以及"所有可能发 生变化的载荷"的变化量数据建立被评估对象初始损伤向量d。(如式(1)所示),用d。表示 索结构(用初始力学计算基准模型A。表示)的被评估对象的初始健康状态。如果没有支 承索的无损检测数据及其他能够表达支承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d。的中与支承索相关的各元素数值取0。向量d。中与载 荷的变化量相关的各元素数值取〇。如果没有索结构支座初始广义位移测量数据或者可以 认为索结构支座初始广义位移为〇时,向量d。的中与索结构支座广义位移相关的各元素数 值取0。利用索结构的设计图、竣工图和初始索结构的实测数据、索结构支座初始广义位移 测量数据、支承索的无损检测数据和索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数,利 用力学方法(例如有限元法)建立初始力学计算基准模型A。。
[0022] d0= [doldo2 ? ? ?dok ? ? ?doN]T (I)
[0023] 式⑴中Kk=1,2, 3,......?,N)表示初始力学计算基准模型A。中的第k个被 评估对象的初始状态,如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆),那么Clcik表示其初 始损伤,1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CU表示其初始位移数值;如果该被评估对象是一个"可能发生变化的载荷",那么Clcik 表示其初始数值,Clcik为0,也就是说后面识别出的"所有可能发生变化的载荷"的变化量是 相对于建立初始力学计算基准模型Aci时结构所承受的对应载荷的变化量。上标T表示向 量的转置(后同)。
[0024] 在获得Aci的同时,使用常规方法直接测量计算得到的索结构的所有被监测量的初 始数值,组成被监测量初始数值向量C。(见式(2))。被监测量初始数值向量C。表示对应于 Aci的"被监测量"的具体数值。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。
[0025] C。= [Col Co2 ??? Coj ???CcJt (2)
[0026] 式⑵中Ccij(j= 1,2, 3,…….,M)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。
[0027] 不论用何种方法获得初始力学计算基准模型A。,基于A。计算得到的索结构计算数 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Aci计算所得的模拟 情况下的索力计算数据、应变计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度 数据、索结构空间坐标数据等,可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。模型Aci中 被评估对象的健康状态用被评估对象初始损伤向量Clci表示。由于基于A^计算得到所有被 监测量的计算数值非常接近所有被监测量的初始数值(实测得到),所以也可以用在Aci的 基础上、进行力学计算得到的、Aci的每一个被监测量的计算数值组成被监测量初始数值向 量C。。d。是A。的参数,也可以说C。由A。的力学计算结果组成。
[0028] 索结构中所有被监测量的当前值组成被监测量当前数值向量C(定义见式(3))。
[0029] C = [C1 C2 ? ? ? Cj ? ? ?CJt (3)
[0030] 式(3)中Cj(j= 1,2, 3,…….,M)是索结构中第j个被监测量的当前值,该分量 (^依据编号规则与Ccu对应于同一"被监测量"。在索结构服役过程中不断实测得到索结构 的所有被监测量的当前实测数值,组成被监测量当前数值向量C。
[0031] 2.建立索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵AC的方法。
[0032] 建立索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵AC的具体方法如下:
[0033] 在索结构的初始力学计算基准模型Aci的基础上进行若干次计算,计算次数数值上 等于所有被评估对象的数量。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 或载荷(用向量Clci的对应元素表示)的基础上再增加单位广义位移、单位损伤或载荷单位 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载荷,就 假设该载荷在向量Clci表示的该载荷已有变化量的基础上再增加载荷单位变化(如果该载 荷是分布载荷,且该分布载荷是线分布载荷,载荷单位变化可以取lkN/m、2kN/m、3kN/m或 lkNm/m、2kNm/m、3kNm/m等为单位变化;如果该载荷是分布载荷,且该分布载荷是是面分布 载荷,载荷单位变化可以取IMPa、2MPa、3MPa或lkNm/m2、2kNm/m2、3kNm/m2等为单位变化;如 果该载荷是集中载荷,且该集中载荷是力偶,载荷单位变化可以取lkNm、2kNm、3kNm等为单 位变化;如果该载荷是集中载荷,且该集中载荷是集中力,载荷单位变化可以取lkN、2kN、 3kN等为单位变化;如果该载荷是体积载荷,载荷单位变化可以取lkN/m3、2kN/m3、3kN/m3等 为单位变化),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 该位移方向在向量d。表示的该支座已有广义位移的基础上再发生单位广义位移(例如如 果该被评估对象是一个支座的X方向的线位移分量,就假设该支座在X方向有单位线位移, 例如取1mm,如果该被评估对象是一个支座的绕X轴的角位移分量,就假设该支座绕X轴有 单位角位移,例如取十万分之一弧度),用Duk记录这一单位广义位移、单位损伤或载荷单位 变化,其中k表示发生单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的被评估对象的编号。用 "被评估对象单位变化向量Du"(如式(4)所示)记录所有的单位广义位移、单位损伤或载荷 单位变化。每一次计算中出现单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的被评估对象不同 于其它次计算中出现单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的被评估对象,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k个被评估 对象有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化时,可用式(5)表示被监测量计算当前向 量Ctk)海一次计算得到被监测量计算当前向量Ctk减去被监测量当前初始数值向量C\后 再除以该次计算所假设的单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化数值Duk,所得向量就是 此条件下(以有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的被评估对象的编号为标记)的 被监测量单位变化向量(当第k个被评估对象有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化 时,用sCk表示被监测量单位变化向量,定义见式(6)),被监测量单位变化向量的每一元素 表示由于计算时假定有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的那个被评估对象的单位 广义位移、单位损伤或载荷单位变化而引起的该元素所对应的被监测量的单位改变量;有 N个被评估对象就有N个被监测量单位变化向量,由于有M个被监测量,所以每个被监测量 单位变化向量有M个元素,由这N个被监测量单位变化向量依次组成有MXN个元素的被监 测量单位变化矩阵AC,AC的定义如式(6)所示。
[0034]Du= [DulDu2 ? ? ?Duk ? ? ?DuN] t (4)
[0035] 式(4)中被评估对象单位变化向量Du的元素Duk(k= 1,2, 3,……?,N)表示第k 个被评估对象的单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化数值。
[0036] cf=[c^ ??:?:€! ? ? ?CfilJ :,)
[0037] 式(5)中元素Ctjk(k=1,2,3,…….,N;j=1,2,3,…….,M)表示由于第k个被 评估对象有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化时,依据编号规则所对应的第j个被 监测量的当前计算量。
[0040] 式(7)中A qk (k=1,2, 3,…….,N;j=1,2,3,…….,M)表示仅由于第k个被 评估对象有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化而引起的、依据编号规则所对应的第j个被监测量的计算当前数值的单位变化(代数值),被监测量单位变化向量S匕实际上是 矩阵AC中的一列。
[0041] 3.被监测量当前数值向量C(计算或实测)同被监测量初始数值向量(;、单位损 伤被监测量数值变化矩阵AC和被评估对象当前名义损伤向量d间的近似线性关系,如式 (8) 或式(9)所示。被评估对象当前名义损伤向量d的定义参见式(10)。
[0042] C = C0+ A C ? d (8)
[0043] C-C0= AC ? d (9)
[0044] d = [(I1 d2 ? ? ? dk ? ? ? dN]T (10)
[0045] 式(10)中dk(k= 1,2, 3,…….,N)是索结构中第k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dk表示其当前损伤,d,为0时 表示无损伤,为100%时表示该索彻底丧失承载能力,介于〇与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dk表示其当前 位移数值,如果该被评估对象是一个载荷,那么4表示其变化量。
[0046] 可用式(11)定义的线性关系误差向量e表示式(8)或式(9)所示线性关系的误 差。
[0047] e = abs ( A C ? d_C+C0) (11)
[0048] 式(11)中abs()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。
[0049] 本方法的第二部分:基于知识库(含参量)和实测被监测量的结构健康状态评估 方法。
[0050] 由于式(8)或式(9)所表示的线性关系存在一定误差,因此不能简单根据式(8) 或式(9)和实测被监测量当前数值向量C来直接求解得到被评估对象当前名义损伤向量d。 如果这样做了,得到的被评估对象当前名义损伤向量d中的元素甚至会出现较大的负值, 也就是负损伤,这明显是不合理的。因此获得被评估对象当前名义损伤向量d的可接受的 解(即带有合理误差,但可以比较准确地从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度、也 可以比较准确地确定载荷变化数值、也可以比较准确地确定支座广义位移数值)成为一个 合理的解决方法,可用式(12)来表达这一方法。
[0051] abs ( A C ? d-C+C。)彡 g (12)
[0052] 式(12)中abs()是取绝对值函数,向量g描述偏离理想线性关系(式(8)或式 (9) )的合理偏差,由式(13)定义。
[0053] g=Iig1g2 ? ? ?g.j? ? ?gM]T (13)
[0054] 式(13)中g](j= 1,2, 3,……?,M)描述了偏离式(8)或式(9)所示的理想线性 关系的最大允许偏差。向量g可根据式(11)定义的误差向量e试算选定。
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