專利名稱：有支座沉降時的基于混合監測的索系統的健康監測方法
技術領域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結構等結構有一個共同點，就是它們有許多承受拉伸載荷的 部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結構的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的 桿件為支承部件，為方便起見本發明將該類結構表述為“索結構”。在有支座沉降時，本發明 基于混合監測來識別索結構的支承系統(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸 載荷的桿件，為方便起見，本專利將該類結構的全部支承部件統一稱為“索系統”，但實際上 索系統不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)中的受損索(對桁架結構就是指 受損的僅承受拉伸載荷的桿件)，屬工程結構健康監測領域。
背景技術：
索系統通常是索結構的關鍵組成部分，它的失效常常帶來整個結構的失效，基于 結構健康監測技術來識別索結構的索系統中的受損索(如前所述也指僅承受拉伸載荷的 桿件)是一種極具潛力的方法。索系統的健康狀態發生變化后，會引起結構的可測量參數 的變化，例如會引起索力的變化，會影響索結構的變形或應變，會影響索結構的形狀或空間 坐標，會引起過索結構的每一點的任意假想直線的角度坐標的變化(例如結構表面任意一 點的切平面中的任意一根過該點的直線的角度坐標的變化，或者結構表面任意一點的法線 的角度坐標的變化)，所有的這些變化都包含了索系統的健康狀態信息，因此可以通過對這 些不同類型的結構的特征參量的變化的混合監測來判斷結構的健康狀態，本發明將所有被 監測的結構特征參量統稱為“被監測量”，由于此時被監測量是由結構的不同類型的可測量 參數混合組成，本發明稱此為混合監測，被監測量除了受索系統健康狀態的影響外，還會受 索結構支座沉降(常常會發生)的影響，目前還沒有一種公開的、有效的健康監測系統和方 法解決了此問題。在有支座沉降時，為了能對索結構的索系統的健康狀態有可靠的監測和判斷，必 須有一個能夠合理有效的建立索結構的被監測量的變化同索系統中所有索的健康狀況間 的關系的方法，基于該方法建立的健康監測系統可以給出更可信的索系統的健康評估。
發明內容
技術問題本發明的目的是在索結構支座有沉降時，針對索結構中索系統的健康 監測問題，公開了一種有支座沉降時的基于混合監測的索系統的健康監測方法。技術方案本發明由三大部分組成。分別是建立索系統健康監測系統所需的知識 庫和參量的方法、基于知識庫(含參量)和基于對多類參量的混合監測及實測索結構支座 坐標的索系統健康狀態評估方法、健康監測系統的軟件和硬件部分。本發明的第一部分建立用于索系統健康監測的知識庫和參量的方法。具體如 下1.建立索結構的初始力學計算基準模型A。(例如有限元基準模型)和當前力學計 算基準模型Attj(例如有限元基準模型)的方法。在本發明中A。是不變的。Attj是不斷更新的。建立Α。、建立和更新Attj的方法如下。建立A。時，根據索結構完工之時的索結構的實測數據(包括索結構形狀數據、索力數據、拉桿拉力數據、索結構支座坐標數據、索結構模態數據等實測數據，對斜拉橋、懸索 橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據、索的無損檢測數據等能夠表達索的健康 狀態的數據)和設計圖、竣工圖，利用力學方法(例如有限元法)建立A。；如果沒有索結構 完工之時的結構的實測數據，那么就在建立健康監測系統前對結構進行實測，得到索結構 的實測數據(包括索結構形狀數據、索力數據、拉桿拉力數據、索結構支座坐標數據、索結 構模態數據等實測數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據、 索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據)，根據此數據和索結構的設計圖、竣工 圖，利用力學方法(例如有限元法)建立A。。不論用何種方法獲得A。，基于A。計算得到的索 結構計算數據(對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據)必須非 常接近其實測數據，誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用A。計算所得的模擬情況下的 應變計算數據、索力計算數據、索結構形狀計算數據和位移計算數據、索結構角度數據等， 可靠地接近所模擬情況真實發生時的實測數據。對應于A。的索結構支座坐標數據組成初 始索結構支座坐標向量U。。在索結構服役過程中，不斷實測獲得索結構支座坐標當前數據(所有數據組成當 前索結構實測支座坐標向量Ut,向量Ut的定義方式與向量U相同)。為方便起見，將上一次 更新當前力學計算基準模型時的索結構支座坐標當前數據記為當前索結構支座坐標向量 Ut0O建立和更新At。的方法是在初始時刻，At。就等于A。，Uttj就等于U。；在索結構服役過程 中，不斷實測獲得索結構支座坐標數據得到當前索結構實測支座坐標向量Ut,如果Ut等于 Ut0,則不需要對At。進行更新；如果Ut不等于Ut0,則需要對At。進行更新，此時Ut與U0的差就 是索結構支座關于初始位置(對應于A。)的支座位移(用支座位移向量V表示支座位移，在 重力方向的位移就是支座沉降)，更新Attj的方法是對A。中的索結構支座施加位移約束(其 數值取自支座位移向量V)后得到更新的當前力學計算基準模型Kt0,更新At0的同時，Ut0所 有元素數值也用Ut所有元素數值代替，即更新了 U。這樣就得到了正確地對應于Attj的U。 被監測的多類參量可以包括索力、應變、角度和空間坐標，分別敘述如下設索系統中共有N根索，結構的被監測的索力數據由結構上M1個指定索的M1個索 力數據來描述，結構索力的變化就是所有指定索的索力的變化。每次共有M1個索力測量值 或計算值來表征結構的索力信息。M1是一個不小于0的整數。結構的被監測的應變數據可由結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方 向的應變來描述，結構應變數據的變化就是K2個指定點的所有被測應變的變化。每次共有 <formula>formula see original document page 6</formula>個應變測量值或計算值來表征結構應變。M2是一個不小于0的整數。結構的被監測的角度數據由結構上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線 的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、所有指 定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有<formula>formula see original document page 6</formula>個角度坐標分 量測量值或計算值來表征結構的角度信息。M3是一個不小于0的整數。結構的被監測的形狀數據由結構上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向 的空間坐標來描述，結構形狀數據的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化。每次共 有虬<formula>formula see original document page 6</formula>個坐標測量值或計算值來表征結構形狀。M4是一個不小于0的整數。
綜合上述被監測量，整個結構共有M (M = Mi+M2+M3+M4)個被監測量，定義參量K (K =M1+K2+K3+K4)，K和M不得小于索的數量N。由于M個被監測量是不同類型的，所以本發明 稱為“基于混合監測來識別需調整索力的支承索的方法”。為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”。本發明中用被監測量初始向量C。表示索結構的所有被監測量的初始值組成的向量(見式(1))。要求在獲得A。的同時獲得C。。因在前述條件下，基于索結構的計算基準模 型計算所得的被監測量可靠地接近于初始被監測量的實測數據，在后面的敘述中，將用同 一符號來表示該計算值和實測值。<formula>formula see original document page 7</formula>
M ;M ≥ N)是索結構中第j個被監測量的初始量，該分量依據編號規則對應于特定的第j個 被監測量。T表示向量的轉置(后同)。本發明中用被監測量當前數值向量C是由索結構中所有被監測量的當前值組成 的向量(定義見式(2))。<formula>formula see original document page 7</formula>
M ;M ≥ N)是索結構中第j個被監測量的當前值，該分量q依據編號規則與Cty.對應于同一 “被監測量”。2.建立和更新索結構單位損傷被監測量變化矩陣AC的方法。索結構單位損傷被監測量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當前力學計算基 準模型Attj的同時，更新索結構單位損傷被監測量變化矩陣AC。具體方法如下在索結構的當前力學計算基準模型Attj的基礎上進行若干次計算，計算次數數值 上等于所有支承索的數量。每一次計算假設索系統中只有一根支承索有單位損傷Du(例 如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷)，每一次計算中出現損傷的索不同于其它 次計算中出現損傷的索，每一次計算都利用力學方法(例如有限元法)計算索結構的所有 被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組成一個被監測量 計算當前向量(當假設第i根索有單位損傷時，可用式(3)表示被監測量計算當前向量 CtO ；每一次計算得到被監測量計算當前向量減去被監測量初始向量，所得向量就是此條件 下(以有單位損傷的支承索的位置或編號等為標記)的被監測量變化向量(當第i根索有 單位損傷時，用S Ci表示被監測量變化向量，定義見式(4)，式(4)為式(3)減去式(1)所 得)，被監測量變化向量的每一元素表示由于計算時假定有單位損傷的那根索的單位損傷 而引起的該元素所對應的被監測量的改變量；有N根索就有N個被監測量變化向量，由于有 M個被監測量，所以每個被監測量變化向量有M個元素，由這N個被監測量變化向量依次組 成有MXN個元素的單位損傷被監測量變化矩陣AC，AC的定義如式(5)所示。<formula>formula see original document page 7</formula>(3)式(3)中元素<formula>formula see original document page 7</formula>表示由
于第i根索有單位損傷時，依據編號規則所對應的第j個被監測量的當前計算量。<formula>formula see original document page 7</formula>(4)<formula>formula see original document page 8</formula>表示僅由于第i根索有單位損傷而引
起的、依據編號規則所對應的第j個被監測量的計算當前數值的變化(代數值)。被監測量 變化向量S Ci實際上是矩陣AC中的一列，也就是說式(5)也可以寫成式(6)。Δ C = [ δ C1 δ C2... δ Ci... δ CN](6)3.被監測量當前數值向量C(計算或實測)同被監測量初始向量C。、單位損傷被 監測量變化矩陣△(、單位損傷標量D1^P當前損傷向量d間的近似線性關系，如式(7)或式 (8)所示。索系統當前損傷向量d的定義參見式(9)。C = Co+1/du△C.D(7)C-Co=1/du△C.d(8)d = [d1 d2…di··dn]I(9)式(9)中屯(1 = 1，2，3，.......，N)是索系統中第i根索(或拉桿)的當前損傷；
Cli為0時表示無損傷，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時表示 喪失相應比例的承載能力。若設索損傷為100%時表示索徹底喪失承載能力，那么當實際損傷不太大時(例 如不大于30%的損傷)，由于索結構材料仍然處在線彈性階段，索結構的變形也較小，式 (7)或式(8)所表示的這樣一種線性關系同實際情況的誤差較小。用式(10)定義的線性關 系誤差向量e表示式(7)或式(8)所示線性關系的誤差。e = abs(1/du△C*d-C+C.)(10)式(10)中abs()是取絕對值函數，對括號內求得的向量的每一個元素取絕對值。本發明的第二部分基于知識庫(含參量)和實測被監測量的索系統健康狀態評 估方法。由于式(7)或式(8)所表示的線性關系存在一定誤差，因此不能簡單根據式(7) 或式(8)和實測被監測量當前數值向量C來直接求解得到當前損傷向量d。如果這樣做了， 得到的當前損傷向量d中的元素甚至會出現較大的負值，也就是負損傷，這明顯是不合理 的。因此獲得當前損傷向量d的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準確的從索系 統中確定受損索的位置及其損傷程度)成為一個合理的解決方法，可用式(11)來表達這一 方法。abs(1/du△C.d-C + C.)<g(11)式(11)中abs()是取絕對值函數，向量g描述偏離理想線性關系(式(7)或式(8))的合理偏差，由式(12)定義。<formula>formula see original document page 9</formula>(12)式(12)中&(」=1，2，3，.......，
M)描述了偏離式(7)或式(8)所示的理想線性關系的最大允許偏差。向量g可根據式(10) 定義的誤差向量e試算選定。在被監測量初始向量C。、單位損傷被監測量變化矩陣Δ C、實測被監測量當前數值 向量C和單位損傷Du(計算AC前設定，是標量)已知時，可以利用合適的算法(例如多目 標優化算法)求解式(11)，獲得當前損傷向量d的可接受的解，從而確定受損索的位置和損 傷程度。本發明的第三部分健康監測系統的軟件和硬件部分。硬件部分包括監測系統(包括被監測量監測系統、索結構支座坐標監測系統)、信 號采集器和計算機等。要求實時或準實時監測每一個被監測量，要求實時或準實時監測每 一個索結構支座坐標。軟件應當具用下列功能軟件部分首先根據監測系統傳來的數據實時或準實時分 析得到當前索結構實測支座坐標向量被監測量當前數值向量C，然后讀取預先存儲的索 結構的力學計算基準模型A。、初始索結構支座坐標向量U。、當前力學計算基準模型AV當前 索結構支座坐標向量υ1。、索系統單位損傷被監測量變化矩陣△ C、被監測量初始向量C。和 單位損傷值Du，比較當前索結構實測支座坐標向量Ut和當前索結構支座坐標向量Ut0,當Ut 和Uttj相同時，依據合適的算法(例如多目標優化算法)求解式(11)，得到索系統的當前損 傷向量d的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從索系統中確定受損索的位 置及其損傷程度的解；當Ut和Ut0不相同時，先對當前力學計算基準模型At0和當前索結構 支座坐標向量Ut0進行更新，再在新Attj的基礎上按照前述“建立和更新索結構單位損傷被 監測量變化矩陣△ C的方法”更新AC，同樣依據合適的算法(例如多目標優化算法)求解 式(11)，得到索系統的當前損傷向量d的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地 從索系統中確定受損索的位置及其損傷程度的解。本發明方法具體包括a.設共有N根索，首先確定索的編號規則，按此規則將索結構中所有的索編號，該 編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定混合監測時指定的將被監測索力的支承索，設索系統中共有N根索，結構 的被監測的索力數據由結構上軋個指定索的M1個索力數據來描述，結構索力的變化就是所 有指定索的索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結構的索力信息^是 一個不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測應變的被測量點，結構的被監測的 應變數據可由結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應變來描述，結構應 變數據的變化就是K2個指定點的所有被測應變的變化；每次共有M2個應變測量值或計算 值來表征結構應變，M2為K2和L2之積；M2是不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被 監測角度的被測量點，結構的被監測的角度數據由結構上K3個指定點的、過每個指定點的 L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指 定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化；每次共有M3個角度坐標分量測 量值或計算值來表征結構的角度信息，M3為K3、L3和H3之積；M3是一個不小于0的整數；確 定混合監測時指定的將被監測的形狀數據，結構的被監測的形狀數據由結構上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結構形狀數據的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化；每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結構形狀，M4為K4和 K4之積；M4是一個不小于O的整數；綜合上述混合監測的被監測量，整個結構共有M個被監 測量，M為MpM2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數 量N ；由于M個被監測量是不同類型的，所以本發明稱為“有支座沉降時的基于混合監測的 索系統的健康監測方法”；為方便起見，在本發明中將本步所列出的“混合監測時結構的被 監測的所有參量”簡稱為“被監測量”；c.直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量初始向量 C0 ；在實測得到被監測量初始向量C。的同時，實測得到索結構的所有索的初始索力數據、結 構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標數據，初始索結構支座坐標數據組成初始索結構 支座坐標向量U。；d.根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據、索的無損檢測數據和初始 索結構支座坐標向量U0建立索結構的初始力學計算基準模型A。并第一次建立索結構的當 前力學計算基準模型#。，索結構的實測數據至少包括索結構的所有索的初始索力數據、初 始索結構支座坐標數據和索結構的初始幾何數據；第一次建立索結構的當前力學計算基準 模型Attj時，索結構的當前力學計算基準模型Attj就等于索結構的初始力學計算基準模型A。； 對應于索結構的當前力學計算基準模型Attj的索結構支座坐標數據組成當前索結構支座坐 標向量K，第一次建立索結構的當前力學計算基準模型At0時，Ut0就等于U0 ；e.從這里進入由第e步到第k步的循環；在結構服役過程中，不斷實測得到索結 構支座坐標當前數據，所有索結構支座坐標當前數據組成當前索結構實測支座坐標向量 Ut;f.根據當前索結構實測支座坐標向量Ut,在必要時更新當前力學計算基準模型 At0和當前索結構支座坐標向量Ut0 ；g.在當前力學計算基準模型Attj的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索 結構單位損傷被監測量變化矩陣△ C和單位損傷標量Du ；h.實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成被監測量的當前數 值向量C ；i.定義索系統當前損傷向量d，索系統當前損傷向量d的元素個數等于索的數量， 索系統當前損傷向量d的元素和索之間是一一對應關系，索系統當前損傷向量d的元素數 值代表對應索的損傷程度或健康狀態；j.依據被監測量的當前數值向量C同被監測量初始向量C。、索結構單位損傷被監 測量變化矩陣△ C、單位損傷標量Dl^n待求的索系統當前損傷向量d間存在的近似線性關 系，該近似線性關系可表達為式1，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出索 系統當前損傷向量d;由于當前損傷向量d的元素數值代表對應索的損傷程度，所以根據當 前損傷向量確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現了索結構中索系統的健康監測；若當 前索損傷向量的某一元素的數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷的；若其 數值為100%，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力；若其數值介于0和100% 之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力；
<formula>formula see original document page 11</formula>式 1式 1k.回到第e步，開始有第e步到第k步的下一次循環。在步驟f中，根據當前索結構實測支座坐標向量Ut,在必要時更新當前力學計算基 準模型At0和當前索結構支座坐標向量Ut0的具體方法為fl.在步驟e中實測得到當前索結構實測支座坐標向量Ut后，比較Ut和于U。如 果Ut等于Ut0,則At0和Ut0保持不變；f2.在步驟e中實測得到當前索結構實測支座坐標向量Ut后，比較Ut和U。如果 Ut不等于Ut0,則需要對At。和Ut0進行更新，更新方法是先計算Ut與U0的差，Ut與U0的差 就是索結構支座關于初始位置的當前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位 移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應關系，支座位移向量V中一個元素的數 值對應于一個指定支座的一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座 沉降量；更新At。的方法是對A。中的索結構支座施加當前支座位移約束，當前支座位移約束 的數值就取自支座位移向量V中對應元素的數值，對A。中的索結構支座施加支座位移約束 后得到更新的當前力學計算基準模型#。，更新Attj的同時，Uttj所有元素數值也用第e步的 Ut所有元素數值對應代替，即更新了 U。這樣就得到了正確地對應于At。的K。在步驟g中，在當前力學計算基準模型Attj的基礎上，通過若干次力學計算獲得索 結構單位損傷被監測量變化矩陣△(和單位損傷標量Du的具體方法為gl.索結構單位損傷被監測量變化矩陣Δ C是不斷更新的，即在更新當前力學計 算基準模型Attj和當前索結構支座坐標向量Uttj的同時，必須同時更新索結構單位損傷被監 測量變化矩陣△ C和單位損傷標量Du ；g2.在索結構的當前力學計算基準模型Attj的基礎上進行若干次力學計算，計算次 數數值上等于所有索的數量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索 有單位損傷標量Du，每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中出現損傷的索，每一 次計算得到索結構中所有被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監測量的當前 計算值組成一個被監測量計算當前向量；g3.每一次計算得到的被監測量計算當前向量減去被監測量初始向量得到一個被 監測量變化向量；有N根索就有N個被監測量變化向量；g4.由這N個被監測量變化向量依次組成有N列的索結構單位損傷被監測量變化 矩陣△(;索結構單位損傷被監測量變化矩陣AC的每一列對應于一個被監測量變化向量。有益效果本發明公開的方法在索結構支座出現沉降的情況下、在多根索同步 受損時可以非常準確地監測評估出索系統的健康狀態(包括所有受損索的位置和損傷程 度)，本發明公開的系統和方法對存在支座沉降時的索系統的有效健康監測是非常有益的。
具體實施例方式在有支座沉降時，針對索結構的索系統的健康監測，本發明公開了一種能夠合理 有效地監測索結構中索系統中每一根索的健康狀況的系統和方法。本發明的實施例的下面 說明實質上僅僅是示例性的，并且目的絕不在于限制本發明的應用或使用。本發明采用一種算法，該算法用于監測索結構中的索系統的健康狀態。具體實施時，下列步驟是可采取的各種步驟中的一種。第一步設共有N根索，首先確定索的編號規則，按此規則將索結構中所有的索編 號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣。確定混合監測時指定的將被監測索力的支承索，設索系統中共有N根索，結構的 被監測的索力數據由結構上M1個指定索的M1個索力數據來描述，結構索力的變化就是所有 指定索的索力的變化。每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結構的索力信息。M1是 一個不小于0的整數。實際選定被監測索力的索時，可以選擇那些索力易于測量的索為被 監測索。確定混合監測時指定的將被監測應變的被測量點，結構的被監測的應變數據可由 結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應變來描述，結構應變數據的變化 就是K2個指定點的所有被測應變的變化。每次共有M2個應變測量值或計算值來表征結構 應變，M2* K2和L2之積。M2是一個不小于0的整數。每一個將被監測應變的被測量點可 以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)附近的一個點，該 點一般不應當是應力集中點，以避免出現過大的應變測量值，這些點一般也不應當全部是 混合監測時指定的被監測索力的索的固定端點或在其附近。確定混合監測時指定的將被監測角度的被測量點，結構的被監測的角度數據由結 構上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量 來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的 變化。每次共有M3個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息，M3為K3、L3和 H3之積。M3是一個不小于0的整數。每一個指定點可以就是每一根索的固定端點(例如是 斜拉橋的拉索在橋面上的固定端)或其附近的一個點，被監測角度數據的點一般不應該全 部選擇為“混合監測中指定的被監測索力的索的固定端點或在其附近的點”和“混合監測 中指定的被監測應變的點或在其附近的點”；在每一指定點可以僅僅測量一個指定直線的 一個角度坐標，例如測量過指定點的結構表面法線或切線相對于重力加速度方向的角度坐 標，這里實際上就是傾角測量。確定混合監測時指定的將被監測的形狀數據，結構的被監測的形狀數據由結構上 K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結構形狀數據的變化就 是K4個指定點的所有坐標分量的變化。每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結構形 狀，M4* K4和L4之積。M4是一個不小于0的整數。每一個指定點可以就是每一根索的固定 端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)；這里選定的被監測點不應該全部選用“混 合監測中指定的被監測索力的索的固定端點或在其附近的點”、“混合監測中指定的被監測 應變的點或在其附近的點”和“混合監測中指定的被監測角度數據的點或在其附近的點”。綜合上述被監測量，整個結構就混合監測而言共有M個被監測量，M為ΜρΜ2、Μ3和 M4之和，定義參量K，K為Mi、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數量N。由于M個被監測 量是不同類型的，所以本發明稱為“基于混合監測來識別需調整索力的支承索的方法”。為 方便起見，在本發明中將本步所列出的“混合監測時結構的被監測的所有參量”簡稱為“被 監測量”。第二步直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量初 始向量C。；在實測得到被監測量初始向量C。的同時，實測得到索結構的所有索的初始索力數據、結構的初始幾何數據(對于斜拉橋就是其初始橋型數據)和初始索結構支座坐標數 據，初始索結構支座坐標數據組成初始索結構支座坐標向量U。。第三步根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據(包括結構初始幾何 形狀數據、應變數據、所有索的初始索力、結構模態數據等數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋 的橋型數據、應變數據、索力數據、橋的模態數據)、索的無損檢測數據和初始索結構支座坐 標向量U。建立索結構的初始力學計算基準模型A。并第一次建立索結構的當前力學計算基 準模型Attj;第一次建立索結構的當前力學計算基準模型Attj時，索結構的當前力學計算基準 模型Attj與索結構的初始力學計算基準模型A。相同；對應于索結構的當前力學計算基準模 型Attj的索結構支座坐標數據組成當前索結構支座坐標向量Ut0 ；第一次建立索結構的當前 力學計算基準模型Attj時，Ut0就等于U0 ；基于初始力學計算基準模型A。計算得到結構的計 算數據必須非常接近其實測數據，誤差一般不得大于5%。第四步在結構服役過程中，不斷實測得到索結構支座坐標當前數據，所有數據組 成當前索結構實測支座坐標向量Ut ；第五步根據當前索結構實測支座坐標向量Ut,在必要時更新當前力學計算基準 模型Attj和當前索結構支座坐標向量U。在第四步實測得到的當前索結構實測支座坐標向 量Ut后，比較Ut和Ut0,如果Ut等于Ut0,則At0和Ut0保持不變；如果Ut不等于Ut0,則需要對 At0和Ut0進行更新，更新方法是先計算Ut與U0的差，Ut與U0的差就是索結構支座關于初 始位置的當前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位移向量V中的元素與支座 位移分量之間是一一對應關系，支座位移向量V中一個元素的數值對應于一個指定支座的 一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新Attj的方法是 對A。中的索結構支座施加當前支座位移約束，當前支座位移約束的數值就取自支座位移向 量V中對應元素的數值，對A。中的索結構支座施加支座位移約束后得到更新的當前力學計 算基準模型Attj，更新Attj的同時，Uttj所有元素數值也用第四步的Ut所有元素數值對應代替， 即更新了 U。這樣就得到了正確地對應于Attj的U。第六步在當前力學計算基準模型Attj的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲 得索結構單位損傷被監測量變化矩陣AC和單位損傷標量Du。具體方法為索結構單位損 傷被監測量變化矩陣△(是不斷更新的，即在更新當前力學計算基準模型Attj和當前索結構 支座坐標向量Uttj的同時，必須同時更新索結構單位損傷被監測量變化矩陣AC和單位損 傷標量Du ；在索結構的當前力學計算基準模型Attj的基礎上進行若干次力學計算，計算次數 數值上等于所有索的數量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索有 單位損例如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷)，每一次計算中出現損傷的 索不同于其它次計算中出現損傷的索，每一次計算得到索結構中所有被監測量的當前計算 值，每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組成一個被監測量計算當前向量C;每 一次計算得到被監測量計算當前向量減去被監測量初始向量得到一個被監測量變化向量； 有N根索就有N個被監測量變化向量；由這N個被監測量變化向量依次組成有N列的單位 損傷被監測量變化矩陣AC ；單位損傷被監測量變化矩陣的每一列對應于一個被監測量變 化向量。第七步建立線性關系誤差向量e和向量g。利用前面的數據(被監測量初始向量C。、單位損傷被監測量變化矩陣△ C)，在第六步進行每一次計算的同時，即在每一次計算假設索系統中只有一根索有單位損傷Du，每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中 出現損傷的索，每一次計算都利用力學方法(例如采用有限元法)計算索結構中索系統中 所有指定被監測量的當前數值，每一次計算組成一個被監測量計算當前向量C的同時，每 一次計算組成一個損傷向量d，該損傷向量d的所有元素中只有一個元素的數值取Du，其它 元素的數值取0，損傷向量d中數值是Du的元素對應于該次計算時唯一受損索的單位損傷 程度Du;將C、C。、AC、Du、d帶入式(10)，得到一個線性關系誤差向量e，每一次計算得到一 個線性關系誤差向量e ；有N根索就有N次計算，就有N個線性關系誤差向量e，將這N個線 性關系誤差向量e相加后得到一個向量，將此向量的每一個元素除以N后得到的新向量就 是最終的線性關系誤差向量e。向量g等于最終的誤差向量e。第八步安裝索結構健康監測系統的硬件部分。硬件部分至少包括被監測量監 測系統(例如含角度測量分系統、索力測量分系統、應變測量分系統、空間坐標測量分系 統、信號調理器等)、索結構支座坐標監測系統(例如用全站儀進行測量)、信號(數據)采 集器、計算機和通信報警設備。每一個被監測量、每一個索結構的支座坐標都必須被監測系 統監測到，監測系統將監測到的信號傳輸到信號(數據)采集器；信號經信號采集器傳遞到 計算機；計算機則負責運行索結構的索系統的健康監測軟件，包括記錄信號采集器傳遞來 的信號；當監測到索有損傷時，計算機控制通信報警設備向監控人員、業主和(或)指定的 人員報警。第九步將被監測量初始向量C。、單位損傷被監測量變化矩陣AC、單位損傷標量 DuS數以數據文件的方式保存在運行健康監測系統軟件的計算機硬盤上。第十步編制并在計算機上安裝運行有支座沉降時索結構的索系統健康監測系統 軟件，該軟件將完成本發明“有支座沉降時索結構的索系統健康監測”任務所需要的監測、 記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能(即本具體實施方法中所有可以用計算機完成的 工作)第十一步實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成“被監測量 的當前數值向量C”；第十二步依據被監測量的當前數值向量C同被監測量初始向量C。、單位損傷被 監測量變化矩陣△(、單位損傷標量D1^P索系統當前損傷向量d(由所有索當前損傷量組 成)間存在的近似線性關系(式(7))，按照多目標優化算法計算索系統當前損傷向量d的 非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從所有索中確定受損索的位置及其損傷 程度的解。可以采用的多目標優化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標優化、基于人 工神經網絡的多目標優化、基于粒子群的多目標優化算法、基于蟻群算法的多目標優化、約 束法(Constrain Method)、力口權法(Weighted Sum Method)、目標規劃法(Goal Attainment Method)等等。由于各種多目標優化算法都是常規算法，可以方便地實現，本實施步驟僅以 目標規劃法為例給出求解當前損傷向量d的過程，其它算法的具體實現過程可根據其具體 算法的要求以類似的方式實現。按照目標規劃法，式(7)可以轉化成式(13)和式(14)所示的多目標優化問題，式 (13)中Y是一個實數，R是實數域，空間區域Ω限制了向量d的每一個元素的取值范圍 (本實施例要求向量d的每一個元素不小于0，不大于1)。式(13)的意思是尋找一個最小的實數Y，使得式(14)得到滿足。式(14)中G(d)由式(15)定義，式(14)中加權向量W 與Y的積表示式(14)中G(d)與向量g之間允許的偏差，g的定義參見式(12)，其值已在 第七步計算得到。實際計算時向量W可以與向量g相同。目標規劃法的具體編程實現已經 有通用程序可以直接采用。使用目標規劃法就可以求得索系統當前損傷向量d。
<formula>formula see original document page 15</formula>
索系統當前損傷向量d的元素個數等于索的數量，索系統當前損傷向量d的元素 和索之間是一一對應關系，索系統當前損傷向量d的元素數值代表對應索的損傷程度或健 康狀態。若解得的索系統當前損傷向量d的某一元素的數值為0，表示該元素所對應的索 是完好的，沒有損傷的；若其數值為100%，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能 力；若其數值介于0和100%之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力。第十三步健康監測系統中的計算機定期自動或由人員操作健康監測系統生成索 系統健康情況報表。第十四步在指定條件下，健康監測系統中的計算機自動操作通信報警設備向監 控人員、業主和(或)指定的人員報警。第十五步回到第四步，開始由第四步到第十五步的循環。
權利要求
一種有支座沉降時的基于混合監測的索系統的健康監測方法，其特征在于所述方法包括a.設共有N根索，首先確定索的編號規則，按此規則將索結構中所有的索編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定混合監測時指定的將被監測索力的支承索，設索系統中共有N根索，結構的被監測的索力數據由結構上M1個指定索的M1個索力數據來描述，結構索力的變化就是所有指定索的索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結構的索力信息；M1是一個不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測應變的被測量點，結構的被監測的應變數據可由結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應變來描述，結構應變數據的變化就是K2個指定點的所有被測應變的變化；每次共有M2個應變測量值或計算值來表征結構應變，M2為K2和L2之積；M2是不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測角度的被測量點，結構的被監測的角度數據由結構上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化；每次共有M3個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息，M3為K3、L3和H3之積；M3是一個不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測的形狀數據，結構的被監測的形狀數據由結構上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結構形狀數據的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化；每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結構形狀，M4為K4和L4之積；M4是一個不小于0的整數；綜合上述混合監測的被監測量，整個結構共有M個被監測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數量N；由于M個被監測量是不同類型的，所以本發明稱為“有支座沉降時的基于混合監測的索系統的健康監測方法”；為方便起見，在本發明中將本步所列出的“混合監測時結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”；c.直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量初始向量Co；在實測得到被監測量初始向量Co的同時，實測得到索結構的所有索的初始索力數據、結構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標數據，初始索結構支座坐標數據組成初始索結構支座坐標向量Uo；d.根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據、索的無損檢測數據和初始索結構支座坐標向量Uo建立索結構的初始力學計算基準模型Ao并第一次建立索結構的當前力學計算基準模型Ato，索結構的實測數據至少包括索結構的所有索的初始索力數據、初始索結構支座坐標數據和索結構的初始幾何數據；第一次建立索結構的當前力學計算基準模型Ato時，索結構的當前力學計算基準模型Ato就等于索結構的初始力學計算基準模型Ao；對應于索結構的當前力學計算基準模型Ato的索結構支座坐標數據組成當前索結構支座坐標向量Uto，第一次建立索結構的當前力學計算基準模型Ato時，Uto就等于Uo；e.從這里進入由第e步到第k步的循環；在結構服役過程中，不斷實測得到索結構支座坐標當前數據，所有索結構支座坐標當前數據組成當前索結構實測支座坐標向量Ut；f.根據當前索結構實測支座坐標向量Ut，在必要時更新當前力學計算基準模型Ato和當前索結構支座坐標向量Uto；g.在當前力學計算基準模型Ato的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ΔC和單位損傷標量Du；h.實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成被監測量的當前數值向量C；i.定義索系統當前損傷向量d，索系統當前損傷向量d的元素個數等于索的數量，索系統當前損傷向量d的元素和索之間是一一對應關系，索系統當前損傷向量d的元素數值代表對應索的損傷程度或健康狀態；j.依據被監測量的當前數值向量C同被監測量初始向量Co、索結構單位損傷被監測量變化矩陣ΔC、單位損傷標量Du和待求的索系統當前損傷向量d間存在的近似線性關系，該近似線性關系可表達為式1，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出索系統當前損傷向量d；由于當前損傷向量d的元素數值代表對應索的損傷程度，所以根據當前損傷向量確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現了索結構中索系統的健康監測；若當前索損傷向量的某一元素的數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷的；若其數值為100％，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力；若其數值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力； <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>o</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>D</mi><mi>u</mi> </msub></mfrac><mi>ΔC</mi><mo>·</mo><mi>d</mi> </mrow>式1k.回到第e步，開始有第e步到第k步的下一次循環。
2.根據權利要求1所述的有支座沉降時的基于混合監測的索系統的健康監測方法，其 特征在于在步驟f中，根據當前索結構實測支座坐標向量Ut,在必要時更新當前力學計算基 準模型At0和當前索結構支座坐標向量Ut0的具體方法為Π.在步驟e中實測得到當前索結構實測支座坐標向量Ut后，比較Ut和于U。如果Ut 等于U。則Attj和Uttj保持不變;f2.在步驟e中實測得到當前索結構實測支座坐標向量Ut后，比較Ut和Ut0,如果Ut不 等于Ut0,則需要對At0和Ut0進行更新，更新方法是先計算Ut與U0的差，Ut與U0的差就是 索結構支座關于初始位置的當前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位移向 量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應關系，支座位移向量V中一個元素的數值對 應于一個指定支座的一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降 量；更新Attj的方法是對A。中的索結構支座施加當前支座位移約束，當前支座位移約束的數 值就取自支座位移向量V中對應元素的數值，對A。中的索結構支座施加支座位移約束后得 到更新的當前力學計算基準模型#。，更新At0的同時，Ut0所有元素數值也用第e步的Ut所 有元素數值對應代替，即更新了 U。這樣就得到了正確地對應于Attj的U。
3.根據權利要求1所述的有支座沉降時的基于混合監測的索系統的健康監測方法，其 特征在于在步驟g中，在當前力學計算基準模型Attj的基礎上，通過若干次力學計算獲得索 結構單位損傷被監測量變化矩陣△(和單位損傷標量Du的具體方法為gl.索結構單位損傷被監測量變化矩陣△(是不斷更新的，即在更新當前力學計算基 準模型Attj和當前索結構支座坐標向量Ut0的同時，必須同時更新索結構單位損傷被監測量 變化矩陣Δ C和單位損傷標量Du ；g2.在索結構的當前力學計算基準模型Attj的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數 值上等于所有索的數量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索有單位損傷標量Du，每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中出現損傷的索，每一次計 算得到索結構中所有被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監測量的當前計算 值組成一個被監測量計算當前向量； g3.每一次計算得到的被監測量計算當前向量減去被監測量初始向量得到一個被監測 量變化向量；有N根索就有N個被監測量變化向量；g4.由這N個被監測量變化向量依次組成有N列的索結構單位損傷被監測量變化矩陣 AC ；索結構單位損傷被監測量變化矩陣AC的每一列對應于一個被監測量變化向量。
全文摘要
有支座沉降時的基于混合監測的索系統的健康監測方法，基于混合監測、通過監測結構支座坐標來決定是否需要更新結構的力學計算基準模型，只有當結構支座坐標發生變化時才更新結構的力學計算基準模型，從而得到新的計入結構支座沉降的結構的力學計算基準模型，在此模型的基礎上計算獲得單位損傷被監測量變化矩陣。依據被監測量的當前數值向量同被監測量初始向量、單位損傷被監測量變化矩陣、單位損傷標量和待求的索系統當前損傷向量間存在的近似線性關系，可以利用多目標優化算法等合適的算法快速算出當前索損傷向量的非劣解，據此可以在有支座沉降時、比較準確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號G01M99/00GK101806663SQ20101012730
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月17日 優先權日2010年3月17日
發明者韓玉林 申請人:東南大學