精简线位移混合监测受损索载荷递进式识别方法_4

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和索结构表面温度)的同时,例如每隔10分钟测量记录一次温度,那么同 时同样也每隔10分钟测量记录某某被测量量被监测量(例如索结构的所有被监测量)的 数据。一旦确定了获得索结构稳态温度数据的时刻,那么与获得索结构稳态温度数据的时 刻同一时刻的某某被测量量被监测量(例如索结构的所有被监测量)的数据就称为在获得 索结构稳态温度数据的时刻的同一时刻,使用某某方法测量计算方法得到的某某被测量量 被监测量的数据。
[0063] 使用常规方法(查资料或实测)得到索结构所使用的各种材料的随温度变化的物 理参数(例如热膨胀系数)和力学性能参数(例如弹性模量、泊松比)。
[0064] 在实测计算得到初始索结构稳态温度数据向量Tci的同时,使用常规方法实测计算 得到索结构的实测计算数据。索结构的实测计算数据包括支承索的无损检测数据等能够表 达索的健康状态的数据、索结构初始几何数据、索力数据、拉杆拉力数据、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包括初始索结构支座空间坐标数据和初始 索结构支座角坐标数据)、索结构集中载荷测量数据、索结构分布载荷测量数据、索结构体 积载荷测量数据、索结构模态数据、结构应变数据、结构角度测量数据、结构空间坐标测量 数据等实测数据。初始索结构支座空间坐标数据组成初始索结构支座空间坐标向量Uci。索 结构的初始几何数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上结构上一系列的点的空间 坐标数据,目的在于根据这些坐标数据确定索结构的几何特征。对斜拉桥而言,初始几何数 据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上桥梁两端上若干点的空间坐标数据,这就是所 谓的桥型数据。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以及索结 构载荷测量数据建立被评估对象初始损伤向量Clci,用Clci表示索结构(用初始力学计算基准 模型Aci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,如果d。的某一个元素对应的被评估对象是某 一个载荷,本方法中取Clci的该元素数值为0,代表这个载荷的变化的初始数值为0。利用索 结构的设计图、竣工图和初始索结构的实测数据、支承索的无损检测数据、索结构所使用的 各种材料的随温度变化的物理和力学性能参数、初始索结构支座空间坐标向量U。和初始索 结构稳态温度数据向量T。,利用力学方法(例如有限元法)计入"索结构稳态温度数据"建 立初始力学计算基准模型总。
[0065] 不论用何种方法获得初始力学计算基准模型A。,计入"索结构稳态温度数据"(即 初始索结构稳态温度数据向量Tci)、基于Aci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中支承索的健康状态用 被评估对象初始损伤向量Clci表示,索结构稳态温度数据用初始索结构稳态温度数据向量 表示。由于基于Aci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、A^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(;。对应于Aci的"索结构稳态温度数据"就是"初始 索结构稳态温度数据向量T/ ;对应于Aci的被评估对象健康状态用被评估对象初始损伤向 量d。表示;对应于A。的所有被监测量的初始数值用被监测量初始数值向量C。表示。对应 于A。的索结构支座空间坐标数据用初始索结构支座空间坐标向量U。表示;T。、队和d。是A。 的参数,C。由A。的力学计算结果组成。
[0066] 第三步:在本方法中,字母i除了明显地表示步骤编号的地方外,字母i仅表示循 环次数,即第i次循环;第i次循环开始时需要建立的或已建立的索结构的当前初始力学计 算基准模型记为当前初始力学计算基准模型A。Aci和A^计入了温度参数,可以计算温度变 化对索结构的力学性能影响;第i次循环开始时,对应于A1ci的"索结构稳态温度数据"用当 前初始索结构稳态温度数据向量T1。表示,向量T\的定义方式与向量T。的定义方式相同, T1。的元素与T。的元素一一对应;第i次循环开始时需要的、对应于索结构的当前初始力学 计算基准模型A1。的索结构支座空间坐标数据组成当前初始索结构支座空间坐标向量U。 第一次建立索结构的当前初始力学计算基准模型A1ci时,UV就等于U^。第i次循环开始时 需要的被评估对象当前初始损伤向量记为d1。,d1。表示该次循环开始时索结构A^的被评估 对象的健康状态,d1。的定义方式与d。的定义方式相同,d1。的元素与d。的元素一一对应;第 i次循环开始时,所有被监测量的初始值,用被监测量当前初始数值向量C1。表示,向量C^ 的定义方式与向量C。的定义方式相同,C的元素与C。的元素--对应,被监测量当前初始 数值向量C1。表示对应于A的所有被监测量的具体数值;T\和d\是A\的特性参数;C^由 力学计算结果组成;第一次循环开始时,A\记为A,建立A1ci的方法为使A\等于A^ 第一次循环开始时,T1。记为T建立T1。的方法为使T等于T。;第一次循环开始时,U\记 为U1。,建立U1。的方法为使U等于U。;第一次循环开始时,d记为di。,建立d1。的方法为使 d1。等于d。;第一次循环开始时,C记为C建立C1。的方法为使C等于C。。
[0067] 第四步:安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括:被监测量监 测系统(例如含角度测量分系统、索力测量分系统、应变测量分系统、空间坐标测量分系 统、信号调理器等)、索结构支座空间坐标监测系统(例如用全站仪进行测量)、索结构温度 监测系统(含温度传感器、信号调理器等)和索结构环境温度测量系统(含温度传感器、信 号调理器等)、信号(数据)采集器、计算机和通信报警设备。每一个被监测量、索结构的每 一个支座空间坐标、每一个温度都必须被监测系统监测到,监测系统将监测到的信号传输 到信号(数据)采集器;信号经信号采集器传递到计算机;计算机则负责运行索结构的被 评估对象的健康监测软件,包括记录信号采集器传递来的信号;当监测到被评估对象健康 状态有变化时,计算机控制通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。
[0068] 第五步:编制并在计算机上安装运行本方法的系统软件,该软件将完成本方法任 务所需要的监测、记录、控制、存储、计算、通知、报警等功能(即本具体实施方法中所有可 以用计算机完成的工作)。
[0069] 第六步:由此步开始循环运作,在结构服役过程中,按照"本方法的索结构的温度 测量计算方法"不断实测计算获得索结构稳态温度数据的当前数据,所有"索结构稳态温度 数据"的当前数据组成当前索结构稳态温度数据向量T1,向量T1的定义方式与向量T^的定 义方式相同,T1的元素与T^的元素一一对应;在实测向量T1的同时,实测得到索结构中所 有被监测量的当前值,所有这些数值组成被监测量当前数值向量C1,向量C1的定义方式与 向量C。的定义方式相同,C1的元素与C。的元素-对应,表示相同被监测量在不同时刻的 数值。
[0070] 在实测得到当前索结构稳态温度数据向量T1的同时,实测得到索结构支座空间坐 标当前数据,所有数据组成当前索结构实测支座空间坐标向量U1。
[0071] 第七步:在得到当前索结构实测支座空间坐标向量U1和当前索结构稳态温度数据 向量T1后,分别比较U1和UVT1和T\,如果U1等于U^且T1等于T,则不需要对A1c^U1c^ C1JPT1JJ行更新,否则需要对当前初始力学计算基准模型A\、当前初始索结构支座空间 坐标向量U1ci、当前初始索结构稳态温度数据向量广和被监测量当前初始数值向量C进行 更新,而被评估对象当前初始损伤向量(^保持不变,更新方法按技术方案和权利要求书中 规定步骤进行。
[0072] 第八步:在当前初始力学计算基准模型A1。的基础上,按照技术方案和权利要求书 中规定步骤进行若干次力学计算,通过计算建立单位损伤被监测量数值变化矩阵AC1和被 评估对象单位变化向量D1u。其中,可以取5%、10%、20%或30%等损伤为单位损伤,载荷 单位变化根据具体情况确定,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lMPa、2MPa、3MPa或IkNm/ 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。
[0073] 第九步:建立线性关系误差向量e1和向量g\利用前面的数据("被监测量当前 初始数值向量C1/、"单位损伤被监测量数值变化矩阵AC1"),在第八步进行每一次计算的 同时,即在每一次计算假设被评估对象中只有一个被评估对象的增加单位损伤或载荷单位 变化的同时,当假设第k(k= 1,2, 3,……,N)个被评估对象增加单位损伤或载荷单位变化 时,每一次计算组成一个损伤向量,用d1 &表示该损伤向量,对应的被监测量计算当前向量 为C1tk (参见第八步),损伤向量d\k的元素个数等于被评估对象的数量,向量d\的所有元 素中只有一个元素的数值取每一次计算中假设增加单位损伤或载荷单位变化的被评估对 象的单位损伤或载荷单位变化值,Cl1tk的其它元素的数值取0,那个不为0的元素的编号与 假定增加单位损伤或载荷单位变化的被评估对象的对应关系、同其他向量的同编号的元素 同该被评估对象的对应关系是相同的;Cl1tk与被评估对象初始损伤向量d。的元素编号规则 相同,(1\的元素与Clci的元素是一一对应关系。将CAC1U1tk带入式(1),得到一个 线性关系误差向量,每一次计算得到一个线性关系误差向量ebe\的下标k表示第k(k=1,2, 3,……,N)个被评估对象增加单位损伤或载荷单位变化。有N个被评估对象就有N 次计算,就有N个线性关系误差向量,将这N个线性关系误差向量相加后得到一个向 量,将此向量的每一个元素除以N后得到的新向量就是最终的线性关系误差向量e1。向量g1等于最终的误差向量e\将向量g1保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上,供健 康监测系统软件使用。
[0074] el=abs(AC*d;k-C;k+C:) (T)
[0075] 第十步:定义当前名义损伤向量d1。和当前实际损伤向量d\d1。和d1的元素个数 等于被评估对象的数量,d1。和d1的元素和被评估对象之间是一一对应关系,d1。和d1的元 素数值代表对应被评估对象的损伤程度或载荷变化程度,d1。和d1与被评估对象初始损伤 向量d。的元素编号规则相同,d1。的元素、d1的元素与d。的元素是一一对应关系。
[0076] 第十一步:依据被监测量当前数值向量C1同"被监测量当前初始数值向量CY'、 "单位损伤被监测量数值变化矩阵AC1"和"当前名义损伤向量d1。"间存在的近似线性关 系,该近似线性关系可表达为式(2),按照多目标优化算法计算当前名义损伤向量d1。的非 劣解,也就是带有合理误差、但可以比较准确地从所有索中确定受损索的位置及其名义损 伤程度的解。
[0077] C1 =Cl+AC1* (2)
[0078] 可以采用多目标优化算法中的目标规划法(GoalAttainmentMethod)求解式(2) 得到当前名义损伤向量d1。,目标规划法的具体编程实现已经有通用程序可以直接采用。
[0079] 第十二步:依据索系统当前实际损伤向量d1的定义和其元素的定义计算得到当前 实际损伤向量d1的每一个元素,从而可由d1确定被评估对象的健康状态。当前实际损伤向 量d1的第k个元素d\表示第i次循环中第k个被评估对象的当前实际健康状态。
[0080] Cl1k表示第i次循环中第k个被评估对象的当前实际健康状态:如果该被评估对象 是索系统中的一根支承索,那么(1\表示其当前实际损伤,d\为0时表示无损伤,为100% 时表示该支承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。
[0081] 第十三步:健康监测系统中的计算机定期自动或由人员操作健康监测系统生成索 系统健康情况报表。
[0082] 第十四步:在指定条件下,健康监测系统中的计算机自动操作通信报警设备向监 控人员、业主和(或)指定的人员报警。
[0083] 第十五步:建立标识向量B1,如果标识向量B1的元素全为0,则回到第六步继续进 行对索系统的健康监测和计算;如果标识向量B1的元素不全为0,则完成后续步骤后,进入 下一次循环。
[0084] 第十六步:计算得到下一次(即第i+1次,i= 1,2, 3, 4,…)循环所需的初始损 伤向量d1+1。的每一个元素d1+1Jk= 1,2, 3,……,N);在初始力学计算基准模型A。的基础 上,先对A。中的索结构支座施加支座线位移约束,支座线位移约束的数值就取自支座线位 移向量V中对应元素的数值,再对A。中的索结构施加温度变化,施加的温度变化的数值就 取自稳态温度变化向量S,再令索的健康状况为d1'后得到的就是下一次、即第i+1次(i= 1,2,3,4,"*)循环所需的力学计算基准模型A1+1;下一次(即第i+1次,i= 1,2,3,4,"*) 循环所需的当前初始索结构稳态温度数据向量T1'等于T。下一次(即第i+1次,i= 1,2, 3, 4,…)循环所需的当前初始索结构支座空间坐标向量U1'等于U\。得到A1+1、d1'、 U1'和T,后,通过力学计算得到A1+1中所有被监测量的、当前的具体数值,这些具体数值 组成下一次、即第i+1次循环所需的被监测量当前初始数值向量c1'。
[0085] 第十七步:回到第六步,开始由第六步到第十七步的循环。
【主权项】
1.精简线位移混合监测受损索载荷递进式识别方法,其特征在于所述方法包括: a.当索结构承受的载荷虽有变化,但索结构正在承受的载荷没有超出索结构初始许用 载荷时,本方法适用;索结构初始许用载荷指索结构在竣工时的许用载荷,能够通过常规力 学计算获得;本方法统一称被评估的支承索和载荷为"被评估对象",设被评估的支承索的 数量和载荷的数量之和为N,即"被评估对象"的数量为N ;本方法用名称"核心被评估对象" 专指"被评估对象"中的被评估的支承索,本方法用名称"次要被评估对象"专指"被评估对 象"中的被评估的载荷;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;本方法用变量k表示这一编号,k = 1,2, 3,…,N ;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根支承索, 显然核心被评估对象的数量就是Q ;索结构的被监测的索力数据由索结构上M1个指定支承 索的M1个索力数据来描述,索结构索力的变化就是所有指定支承索的索力的变化;每次共 有M 1个索力测量值或计算值来表征索结构的索力信息!M1是一个不小于O不大于Q的整数; 确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点,索结构的被监测的应变数据可由索结构 上K 2个指定点的、及每个指定点的L 2个指定方
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