有支座沉降時基于角度監測的識別松弛的支承索的方法

專利名稱：有支座沉降時基于角度監測的識別松弛的支承索的方法
技術領域：
在有支座沉降時，本發明基于角度等量的監測來識別索支承結構(特別是大型索
結構，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(指所有支承索)中的需調整索力的支承索，并給出具體的索長調整量，屬工程結構安全領域。
背景技術：
索系統通常是索結構(特別是大型索結構，例如大型斜拉橋、懸索橋)的關鍵組成部分，由于松弛等原因，新結構竣工一段時間后支承索的索力通常會發生變化，結構長期服役后其支承索的松弛也會引起支承索索力的變化，這些變化都將引起結構內力的變化，對結構的安全造成不良影響，嚴重時將會引起結構的失效，因此準確及時地識別需調整索力的支承索是非常必要的。 支承索系統的健康狀態發生變化(例如發生松弛、損傷等)后，除了會引起索力的變化外，還會引起結構的其它可測量參數的變化，例如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)，實際上結構角度的變化包含了索系統的健康狀態信息，也就是說可以利用結構角度數據判斷結構的健康狀態，可以基于角度監測(本發明將被監測的角度數據稱為"被監測量"，后面提到"被監測量"就是指被監測的角度數據)來識別受損索，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。因此可以基于被監測量監測來識別需調整索力的索，這樣在有支座沉降時，就必須有一個能夠合理有效的建立被監測量同所有索的特征參數間(具體根據索的特征參數來表征需調整索力的索)的關系的方法，基于該方法建立的需調整索力的支承索的識別結果才會更可信。

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中的、需調整索力的支承索的識別問題，公開了一種基于角度等量的監測的、能夠合理有效地識別需調整索力的支承索的結構健康監測方法。 技術方案依據支承索的索力變化的原因，可將支承索的索力變化分為三種情況一是支承索受到了損傷，例如支承索出現了局部裂紋和銹蝕等等；二是支承索并無損傷，但索力也發生了變化，出現這種變化的主要原因之一是支承索自由狀態(此時索張力也稱索力為0)下的索長度(稱為自由長度，本發明專指支承索兩支承端點間的那段索的自由長度)發生了變化；三是支承索并無損傷，但索結構支座有了位移(其中在重力方向的分量就被稱為沉降)，也會引起結構內力的變化，當然也就會引起索力的變化。本發明的主要目的之一就是在有支座位移時，要識別出自由長度發生了變化的支承索，并識別出它們的自由長度的改變量，此改變量為該索的索力調整提供了直接依據。支承索自由長度發生變化的
6原因不是單一的，為了方便，本發明將自由長度發生變化的支承索統稱為松弛索。
本發明由兩大部分組成。分別是一、建立用于識別索系統中的、需調整索力的支
承索的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)、基于實測索結構
支座坐標的、基于被監測量等量的監測的、識別索結構的需調整索力的支承索的方法。二、
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識別索系統中的、需調整索力的支承索的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)、基于實測索結構支座坐標的、基于被監測量等量的監測的、識別索結構的需調整索力的支承索的方法。可按如下方法進行，以獲得更準確的索系統的健康狀態評估。 第一步首先建立索系統初始虛擬損傷向量d。(因為支承索實際上可能是松弛而沒有損傷，為表示區別，這里稱"虛擬損傷"，后同)、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，在本發明中A。是不變的)。
設索系統中共有N根索，索系統"初始虛擬損傷向量記為d。"(如式(1)所示)，用d。表示索結構(用索結構的初始力學計算基準模型A。表示)的索系統的健康狀態。
d。= [dol d。2 ... d。j ... d。N]T (1) 式(1)中d。j(j = 1，2，3，.......， N)表示A。中的索系統的第j根索的初始虛擬
損傷值，d。j為0時表示第j根索無損傷無松弛，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時表示第j根索喪失相應比例的承載能力。式(1)中T表示向量的轉置(后同)。 建立索系統初始虛擬損傷向量(依據式(1)記為d。)時，利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立索系統初始虛擬損傷向量d。。如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，或者可以認為結構初始狀態為無損傷無松弛狀態時，向量d。的各元素數值取0。 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At。(例如有限元基準模型)的方法。在本發明中A。是不變的。At。是不斷更新的。建立A。和At。的方法如下 根據索結構竣工之時的索結構的設計圖、竣工圖和實測數據(包括索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據、索結構形狀數據、結構角度數據、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)，利用力學方法(例如有限元法)建立A。；如果沒有索結構竣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
7據組成初始索結構支座坐標向量U。。 A。和U。是不變的。"結構的全部被監測的角度數據"由結構上K個指定點的、過每個指定點的L個指定直線的、每個指定直線的H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M(M二KXLXH)個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息。K和M不得小于支承索的數量N。為方便起見，在本發明中將"結構的被監測的角度數據"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(l))。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。 C。= [Col C。2 ... Coj ... C。M]T (1) 式(1)中C。j (j = 1， 2， 3，.......， 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))。 C = [Q C2 ... Cj ... CM]T (2) 式(2)中Cj(j = 1，2，3，.......， M;M^N)是索結構中第j個被監測量的當前
值，該分量Cj依據編號規則與C。j對應于同一"被監測量"。 第二步建立索結構的當前力學計算基準模型At。(例如有限元基準模型，在健康監測系統運行過程中At。是不斷更新的)和當前索結構實測支座坐標向量Ut。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U、向量W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Ut。。建立和更新At。的方法是在健康監測系統第一次開始工作的時刻，索結構的當前力學計算基準模型At。就等于A。。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U、如果W等于UV則不需要對r。進行更新；如果W不等于UV則需要對At。進行更新，此時Ut與U。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當前支座位移向量V中對應元素的數值，對A。中的索結構支座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型AV更新At。后，W。所有元素數值用W所有元素數值代替，即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對應于At。的W。。 第三步建立"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC"和"名義虛擬單位損傷向量Du"， A C和Du是不斷更新的，即在更新當前力學計算基準模型At。的同時，更新虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣A C和名義虛擬單位損傷向量Du。 建立和更新更新虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC和名義虛擬單位損傷向量Du的過程如下 在索結構的當前力學計算基準模型At。的基礎上進行若干次計算，計算次數數值上等于所有索的數量。每一次計算假設索系統中只有一根索在原有虛擬損傷(原有虛擬損傷可以為O，也可以不為0)的基礎上再增加虛擬單位損傷(例如取5%、10%、20%或30%等損傷為虛擬單位損傷)。為方便計算，設定虛擬單位損傷時可以都是把結構健康狀態當成是完全健康的，并在此基礎上設定虛擬單位損傷(在后續步驟中、計算出的、索的損傷數值-一 稱為名義虛擬損傷d。，都是相對于將索的健康狀態當成是完全健康而言的，因此必須依據后文給出的公式將計算出的名義虛擬損傷換算成真實虛擬損傷)。每一次計算中出現虛擬損傷的索不同于其它次計算中出現的虛擬損傷的索，并且每一次假定有虛擬損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用"名義虛擬單位損傷向量Du"(如式(3)所示)記錄所有索的假定的虛擬單位損傷，記為Du，每一次計算都利用力學方法(例如有限元法)計算索結構的、在前面已指定的M個被監測量的當前計算值，每一次計算所得M個被監測量的當前計算值組成一個"被監測量的計算當前數值向量"(當假設第j根索有單位損傷時，可用式(4)表示所有指定的M個被監測量的計算當前數值向量Ctj);每一次計算得到的被監測量的計算當前數值向量減去被監測量的初始數值向量C。，所得向量就是此條件下(以有虛擬單位損傷的索的位置或編號等為標記)的"被監測量的數值變化向量"(當第j根索有虛擬單位損傷時，用S Cj表示被監測量的數值變化向量，S Cj的定義見式(5)、式(6)和式(7)，式(5)為式(4)減去式(2)后再除以向量Du的第j個元素Duj所得)，被監測量的數值變化向量S Cj的每一元素表示由于計算時假定有虛擬單位損傷的那根索(例如第j根索)的虛擬單位損傷(例如Duj)，而引起的該元素所對應的被監測量的數值改變量相對于假定的虛擬單位損傷Duj的變化率；有N根索就有N個"被監測量的數值變化向量"，每個被監測量的數值變化向量有M( —般的，M > N)個元素，由這N個"被監測量的數值變化向量"依次組成有MXN個元素的"單位損傷被監測量變化矩陣AC" (M行
N列)，每一個向量S Cj (j = 1， 2， 3，........， N)是矩陣A C的一列，A C的定義如式(8)所示。 Du= [Dul ... Duj ... DjT (3) 式(3)中名義虛擬單位損傷向量Du的元素Duj(j = 1，2，3，.......， N)表示假定
的第j根索的虛擬單位損傷數值，向量Du中的各元素的數值可以相同也可以不同。
Ctj= [Ctkl Ctk2 ... Ctjk ... CtjM]T (4) 式(4)中元素Ctjk(j = 1，2，3，.......，N ;k = 1，2，3，.......，M ;M > N)表示第
j根索有虛擬單位損傷時，依據編號規則所對應的第k個指定的被監測量的計算當前數值。 5C,^^ (5) 式(5)中下標j (j = 1， 2， 3，.......， N)表示第j根索有虛擬單位損傷，式中Duj是
向量Du中的第j個元素。向量SCj的定義如式(6)所示，SCj的第k(k二 1，2，3，.......，
M;M^N)個元素SCjk表示建立矩陣AC時，假定第j根索有虛擬單位損傷時計算所得第k個被監測量的改變量相對于假定的虛擬單位損傷Duj的變化率，其定義如式(7)所示。
SCj二[SCbSCj2 ...SCjk ...SCjM]T (6) ^^=^^ (7) 式(7)中各量的定義已在前面敘述過。 AC=[SdSC2 ...SCj ...S CN] (8)
9
式(8)中向量S Cj (j = 1， 2， 3，.......，N)表示由于第j根索有虛擬單位損傷Duj
而引起的、所有被監測量的相對數值變化。矩陣AC的列(下標j)的編號規則與前面向量 d。的元素的下標j的編號規則相同。 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， 一旦監測到W不 等于Ut。，則需要回到第二步對r。進行更新，對A進行更新后再進入本步對A C進行更新。 實際上A C是不斷更新的，即在更新當前力學計算基準模型At。之后，更新虛擬單位損傷被 監測量數值變化矩陣AC。 第四步識別索系統的當前健康狀態。具體過程如下。 索系統"被監測量的當前(計算或實測)數值向量C"同"被監測量的初始數值向 量C。"、"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC"和"當前名義虛擬損傷向量d。"間的近 似線性關系，如式(9)或式(10)所示。
C = C0+ A C dc (9)
C-C0 = AC dc (10) 式(9)和式(10)中被監測量的當前(計算或實測)數值向量C的定義類似于被 監測量的初始數值向量C。的定義，見式(11);索系統"當前名義虛擬損傷向量d。"的定義見 式(12)。 C = C2 ... Ck ... CM]T (11) 式(n)中元素Ck(k二 1，2，3，.......，M;M^N)是索結構的、依據編號規則所對
應的編號為k的被監測量的當前數值。 dc= [dcl dc2 ... dcj ... dcN]T (12) 式(12)中d。j(j = 1，2，3，.......，N)是索系統第j根索的當前名義虛擬損傷值，
向量d。的元素的下標j的編號規則與矩陣AC的列的編號規則相同。 當索實際損傷不太大時，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(9)或式(10)所表示的這樣一種線性關系同實際情況的誤差較小，誤差可用誤差 向量e(式(13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關系的誤差。
e = abs ( A C dc_C+C0) (13) 式(13)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。
由于式(9)或式(10)所表示的線性關系存在一定誤差，因此不能簡單根據式(9) 或式(10)和"被監測量的當前(實測)數值向量C"來直接求解得到"當前名義虛擬損傷 向量d。"。如果這樣做了，得到的向量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。因此獲得向量d。的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準確地 確定虛擬受損索的位置及其虛擬損傷程度)成為一個合理的解決方法，可用式(14)來表達 這一方法。 abs ( A C dc_C+C0)《g (14) 式(14)中abs()是取絕對值函數，向量g描述偏離理想線性關系(式(9)或式
(10))的合理偏差，由式(15)定義。 g = [gl g2 ... gk ... gM]T (15) 式(15)中gk(k = 1，2，3，.......，M)描述了偏離式(9)或式(10)所示的理想線
性關系的最大允許偏差。向量g可根據式(13)定義的誤差向量e試算選定。
在"被監測量的初始數值向量C。"(實測或計算得到)、"虛擬單位損傷被監測量數
值變化矩陣AC"(計算得到)和"被監測量的當前數值向量C"(實測得到)已知時，可以
利用合適的算法(例如多目標優化算法)求解式(14)，獲得"當前名義虛擬損傷向量d。"的
可接受的解，然后"當前實際虛擬損傷向量d"(定義見式(16))的元素可以根據式(17)計
算得到，也就是得到了"當前實際虛擬損傷向量d"，從而可由d確定虛擬受損索的位置和虛
擬損傷程度，然后根據下面將敘述的方法確定松弛索的位置和松弛程度，也就是確定了需
調整索力的索及其索長調整量。 d = [4 d2 ... dj ... dN]T (16) 式(16)中dj(j = 1，2，3，.......，N)表示第j根索的實際虛擬損傷值，其定義見
式(17) ， dj為0時表示第j根索無損傷無松弛，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介 于0與100%之間時表示第j根索喪失相應比例的承載能力，向量d的元素的編號規則與式 (1)中向量d。的元素的編號規則相同。
dj = l-(l-d。j) (l-dcj) (17) 式(17)中d。j(j = 1，2，3，.......， N)是向量d。的第j個元素，dcj是向量dc的
第j個元素。 下面敘述得到了索當前實際虛擬損傷向量d后，如何確定松弛索的位置和松弛程度。 設索系統中共有N根支承索，結構索力數據由N根支承索的索力來描述。可用"初
始索力向量F。"表示索結構中所有支承索的初始索力(定義見式(18))。因為基于索結構的
計算基準模型計算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的實測數據，在后面的敘述中，
將用同一符號來表示該計算值和實測值。 F。= [Fol F。2 ... F。j ... F。N]T (18) 式(18)中F。(j = 1，2，3，.......，N)是索結構中第j根支承索的初始索力，該元
素依據編號規則對應于指定支承索的索力。向量F。是常量。在建立索結構的初始力學計 算基準模型A。時使用了向量F。。 本發明中用"當前索力向量F"表示實測得到的索結構中所有支承索的當前索力 (定義見式(19))。 F = [F! F2 ... Fj ... FN]T (19) 式(19)中Fj(j = 1，2，3，.......， N)是索結構中第j根支承索的當前索力。 本發明中，在支承索初始狀態(無損傷、無松弛)下，且支承索處于自由狀態(自 由狀態指索力為0，后同)時，支承索的長度稱為初始自由長度，用"初始自由長度向量1。" 表示索結構中所有支承索的初始自由長度(定義見式(20))。
1。= [lol1。2 ...loj ...UT (20) 式(20)中1。j(j = 1，2，3，.......，N)是索結構中第j根支承索的初始自由長度。
向量1。是常量，在開始時確定后，就不再變化。 本發明中，用"當前自由長度向量l"表示索結構中所有支承索的當前自由長度 (定義見式(21))。 1 = 12 ...lj ...1N]T (21) 式(21)中l，.(j = 1，2，3，.......，N)是索結構中第j根支承索的當前自由長度。
本發明中，用"自由長度改變向量Al"(或稱支承索當前松弛程度向: 結構中所有支承索的自由長度的改變量(定義見式(22)和式(23))。
)表示索
<formula>formula see original document page 12</formula>是當前索結構中第j根支承索的自由長
度的改變量，其定義見式(23)， Alj不為0的索為松弛索，Alj的數值為索的松弛量，并表 示索系統第j根支承索的當前松弛程度，也是調整索力時該索的索長調整量。<formula>formula see original document page 12</formula>
在本發明中通過將松弛索同受損索進行力學等效來進行松弛索的松弛程度識別， 等效的力學條件是 —、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數及材料的力 學特性參數相同； 二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同。 滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同
的，即如果用等效的受損索代替松弛索后，索結構不會發生任何變化，反之亦然。 本發明中，同第j個支承索(其當前松弛程度用A lj定義)進行等效的虛擬受損
的支承索的當前實際虛擬損傷程度用dj表示(dj的定義見式(16)和式(17))。松弛的第j
個支承索的當前松弛程度Alj(Alj的定義見式(22))同等效的受損索的當前實際虛擬損
傷程度dj之間的關系由前述兩項力學等效條件確定。A lj同dj之間的具體關系可以采用
多種方法實現，例如可以直接根據前述等效條件確定(參見式(24))，也可采用基于Ernst
等效彈性模量代替式(24)中的E進行修正后確定(參見式(25))，也可以采用基于有限元
法的試算法等其它方法來確定。<formula>formula see original document page 12</formula> 式(24)和式(25)中E是該支承索的彈性模量，A是該支承索的橫截面面積，Fj是 該支承索的當前索力，dj是該支承索的當前實際虛擬損傷程度，"是該支承索的單位長度 的重量，ljx是該支承索的兩個支承端點的水平距離。式(25)中[]內的項是該支承索的 Ernst等效彈性模量，由式(24)或式(25)可以就可以確定支承索當前松弛程度向量Al。 式(25)是對式(24)的修正。 本發明的第二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 (監測被監測量、監測索結構支座坐標、監測索力、監測支承索兩支承端點的水平距離)、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、監測每一個支承索的索力、 監測每一個支承索兩支承端點的水平距離。軟件應當具用下列功能軟件部分應當能夠完 成本發明的第一部分所設定的過程，即完成本發明中所需要的、可以用計算機實現的監測、 記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能。
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.確定指定的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的被測量直線， 給所有指定的被測量直線編號；確定每一被測量直線的被測量的角度坐標分量，給所有被 測量角度坐標分量編號；上述編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；"結構的全部被 監測的角度數據"由上述所有被測量角度坐標分量組成；為方便起見，在本發明中將"結構 的被監測的角度數據"簡稱為"被監測量";測量點的數量不得小于索的數量；所有被測量角 度坐標分量的數量之和不得小于索的數量； c.利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立初始虛擬損傷向 量d。。如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，向量《的各元 素數值取0。 d.在建立初始虛擬損傷向量d。的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監測量 的初始數值，組成被監測量的初始數值向量C。； e.在建立初始虛擬損傷向量d。和被監測量的初始數值向量C。的同時，直接測量 計算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量F。；同時，依據結構設計數據、竣工數 據得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量1。；同時，依據結構設計數據、 竣工數據或實測得到索結構的初始幾何數據；同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所 有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積； f.建立索結構的初始力學計算基準模型A。，建立初始索結構支座坐標向量U。，建 立索結構當前力學計算基準模型At。；依據索結構竣工之時的索結構的實測數據，該實測數 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、 所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積等實測數據，索的無損檢測數據等能夠表達索的 健康狀態的數據，依據設計圖和竣工圖，利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模 型A。；如果沒有索結構竣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該索 結構進行實測，同樣得到索結構的實測數據，根據此數據和索結構的設計圖、竣工圖，同樣 利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型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必須非常接近其實測數據，其間的差異不得大于5X;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。 ；A。和U。是不變的；為敘述方便，命名
"索結構當前力學計算基準模型AV，，在結構服役過程中At。根據需要會不斷更新，開始時， At。等于A。；同樣為敘述方便，命名"索結構實測支座坐標向量Ut"，在結構服役過程中，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"，向量ut的元素與向量u。相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐
標；為敘述方便起見，將上一次更新#。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W。；開始時，At。等于A。， W。等于U。 ；A。對應的索的健康狀態由d。描述； g.健康監測系統開始工作時，令At。等于A。；在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，根據當前索結構實測支座坐標向量Ut，在必要時更新索結構當前力學計算基準模型At。 和當前索結構支座坐標向量Ut。；
h.在索結構當前力學計算基準模型At。的基礎上進行若干次力學計算，通過計算 獲得索結構虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣△ C和名義虛擬單位損傷向量Du ;
i.實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量F ;同時，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"。實測計 算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量 的差就是兩個支承端點水平距離。給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使 用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前和之后出現的各向量的、編號相同的元素， 表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息； j.定義待求的當前名義虛擬損傷向量d。和當前實際虛擬損傷向量d。損傷向量 d。、 d。和d的元素個數等于索的數量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量 的元素數值代表對應索的虛擬損傷程度或健康狀態； k.依據"被監測量的當前數值向量C"同"被監測量的初始數值向量C。"、"虛擬單
位損傷被監測量數值變化矩陣A C"和"當前名義虛擬損傷向量d。"間存在的近似線性關系，
該近似線性關系可表達為式l，式1中除d。外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前
名義虛擬損傷向量d。； C = C0+ A C dc 式1 1.利用式2表達的當前實際虛擬損傷向量d的元素dj同初始虛擬損傷向量d。的 元素d。j和當前名義虛擬損傷向量d。的元素d。j間的關系，計算得到當前實際虛擬損傷向量 d的所有元素。 dj = l-(l-d。j) (l-dcj) 式2式2中j = 1，2，3， ......，N。 由于當前實際虛擬損傷向量d的元素數值代表對應索的當前實際虛擬損傷程度， 即實際松弛程度或實際損傷程度，當前實際虛擬損傷向量d中數值不為0的元素對應的支 承索就是有問題的支承索，有問題的支承索可能是松弛索、也可能是受損索，其數值反應了 松弛或損傷的程度； m.從第1步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。
n.利用在第1步獲得的當前實際虛擬損傷向量d得到松弛索的當前實際虛擬損 傷程度，利用在第i步獲得的當前索力向量F，利用在第i步獲得的所有支承索的兩個支承 端點的空間坐標，利用在第e步獲得的初始自由長度向量1。，利用在第e步獲得的所有索的 彈性模量、密度、初始橫截面面積數據，通過將松弛索同受損索進行力學等效來計算松弛索 的、與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學條件是一、兩等效的索的無松 弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數、密度及材料的力學特性參數相同；二、松弛 或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同。滿足上述兩個等效條件 時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替 受損索后，索結構不會發生任何變化，反之亦然。依據前述力學等效條件求得那些被判定為 松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長度的改變量，也就是確定了那些需調整索 力的支承索的索長調整量。這樣就實現了支承索的松弛識別和損傷識別。計算時所需索力 由當前索力向量F對應元素給出。 在步驟g中，根據當前索結構實測支座坐標向量Ut，在必要時更新索結構當前力學 計算基準模型At。和當前索結構支座坐標向量W。的具體方法為
gl.實測得到當前索結構實測支座坐標向量W后，比較W和Ut。，如果W等于Ut。， 則不需要對At。進行更新； g2.實測得到當前索結構實測支座坐標向量Ut后，比較Ut和Ut。，如果Ut不等于Ut。， 則需要對At。進行更新，更新方法是先計算W與U。的差，W與U。的差就是當前索結構支座 關于在建立A。時的索結構支座的當前支座位移，用當前支座位移向量V表示支座位移，當 前支座位移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應關系，當前支座位移向量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當前支座位移向量V中對應元素的數值，對A。中的索結構支 座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型At。，更新At。的 同時，W。所有元素數值也用W所有元素數值代替，即更新了 ut。，這樣就得到了正確地對應 于#。的W。。 在步驟h中，在索結構當前力學計算基準模型At。的基礎上進行若干次力學計算， 通過計算獲得索結構虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC和名義虛擬單位損傷向量Du 的具體方法為 hl.健康監測系統第一次開始工作時，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結 構虛擬單位損傷被監測量變化矩陣AC和名義虛擬單位損傷向量Du ;以后，如果步驟g中對 At。進行了更新，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構虛擬單位損傷被監測量變化 矩陣A C和名義虛擬單位損傷向量Du，如果在步驟g中沒有對At。進行更新，則在此處直接 轉入步驟i進行后續工作； h2.在索結構當前力學計算基準模型At。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在 原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷，每一次計算中出現虛擬單位損傷的索不同于 其它次計算中出現虛擬單位損傷的索，并且每一次假定有虛擬單位損傷的索的虛擬單位損 傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用"名義虛擬單位損傷向量Du"記錄所有索的假 定的單位損傷，每一次計算得到所有被監測量的當前數值，每一次計算得到的所有被監測 量的當前數值組成一個"被監測量的計算當前數值向量"。當假設第j根索有單位損傷時， 可用Ctj表示對應的"被監測量的當前計算數值向量Ctj"。在本步驟中給各向量的元素編號 時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一 個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監測量或同一對象的相關信息；
h3.每一次計算得到的那個"被監測量的當前計算數值向量Ctj"減去"被監測量的 初始數值向量C。"得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的虛擬 單位損傷值后得到一個"被監測量的數值變化向量";有N根索就有N個"被監測量的數值 變化向量"； h4.由這N個"被監測量的數值變化向量"依次組成有N列的"虛擬單位損傷被監 測量數值變化矩陣AC";"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC"的每一列對應于一個 "被監測量的數值變化向量";"虛擬單位損傷被監測量變化矩陣"的列的編號規則與當前名 義虛擬損傷向量d。和當前實際虛擬損傷向量d的元素編號規則相同。 有益效果本發明公開的系統和方法在索結構支座出現沉降的情況下、在有較多
15的索同步受損或松弛的條件下可以非常準確地監測評估出索系統的健康狀態(包括所有 松弛索和受損索的位置、及其松弛程度或損傷程度)。本發明公開的系統和方法對索系統的 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
有效地監測索結構的索系統的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。 在索結構支座出現沉降的情況下，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(包括索的松弛程度和受損程度)。具體實施時，下列步驟是可采取
的各種步驟中的一種。
第一步確定被監測量的類型、位置和數量，并編號。具體過程為 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。 確定指定的被測量點(即所有表征結構角度位移的指定點，設有K個指定點)，給 所有指定點編號；確定過每一測量點的被測量直線(設過每一測量點有L個指定直線)，給 所有指定的被測量直線編號；確定每一被測量直線的被測量的角度坐標分量(設每一被測 量直線有H個角度坐標分量)，給所有被測量角度坐標分量編號。上述編號在后續步驟中同 樣將用于生成向量和矩陣。"結構的全部被監測的角度數據"由上面確定的結構上K個指定 點的、過每個指定點的L個指定直線的、每個指定直線的H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 M(M = KXLXH)個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息。K和M不得小于 支承索的數量N。為方便起見，在本發明中將"結構的被監測的角度數據"稱為"被監測量"。 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。 第二步利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立初始虛擬損 傷向量d。。如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，或者可以 認為結構初始狀態為無損傷、無松弛狀態時，向量d。的各元素數值取0。
第三步在建立初始虛擬損傷向量d。的同時，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"被監測量的初始數值向量C。"；同時，直接測量計算得到索結構的
所有支承索的初始索力，組成"初始索力向量F。"；同時，依據結構設計數據、竣工數據得到
所有索的初始自由長度，組成"支承索初始自由長度向量1。"；同時，實測或根據結構設計、 竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積。 第四步在建立初始虛擬損傷向量d1。的同時，可以采用成熟的測量方法進行索力 測量、應變測量、角度測量和空間坐標測量。直接測量或測量后計算得到索結構初始幾何形 狀數據(對于斜拉橋就是其初始橋型數據)，索結構的初始幾何形狀數據可以是所有索的 端點的空間坐標數據加上結構上一系列的點的空間坐標數據，目的在于根據這些坐標數據 確定索結構的幾何特征。對斜拉橋而言，初始幾何形狀數據可以是所有索的端點的空間坐 標數據加上橋梁兩端上若干點的空間坐標數據，這就是所謂的橋型數據。
16
建立索結構的初始力學計算基準模型A。，建立初始索結構支座坐標向量U。，建立 索結構當前力學計算基準模型At。；依據索結構竣工之時的索結構的實測數據，該實測數據 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、所 有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積等實測數據，索的無損檢測數據等能夠表達索的健 康狀態的數據，依據設計圖和竣工圖，利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型 A。；如果沒有索結構竣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該索結 構進行實測，同樣得到索結構的實測數據，根據此數據和索結構的設計圖、竣工圖，同樣利 用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型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必須非常接近其實測數據，其間的差異不得大于5% ;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。 ；A。和U。是不變的；為敘述方便，命名
"索結構當前力學計算基準模型AV，，在結構服役過程中At。根據需要會不斷更新，開始時， At。等于A。；同樣為敘述方便，命名"索結構實測支座坐標向量Ut"，在結構服役過程中，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"，向量ut的元素與向量U。相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐 標；為敘述方便起見，將上一次更新#。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W。；開始時，At。等于A。， W。等于U。 ；A。對應的索的健康狀態由d。描述； 第五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(例如含角度測量傳感器、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)、索力監測系統(例如含加速度傳感器、信號調理器等)、各支承索兩支承端點 的水平距離監測系統(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、每一個支承索的索力和每一根支承索兩支承端點的水平距離都必
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；當監測到索有松弛或損傷時，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。 第六步編制并在監控計算機上安裝運行索結構的索系統健康監測系統軟件。該 軟件將完成本發明"有支座沉降時基于角度監測的識別松弛的支承索的方法"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)，并能定期或由人員操作健康監測系統生成索系統健康情況報表，還能依據 設定的條件(例如損傷達到某一值)，自動通知或提示監控人員通知特定的技術人員完成 必要的計算工作。 第七步健康監測系統開始工作時，令At。等于A。；在結構服役過程中不斷實測 (例如用全站儀進行測量)獲得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，根據當前索結構實測支座坐標向量ut，在必要時更
新索結構當前力學計算基準模型At。和當前索結構支座坐標向量Ut。。具體方法是實測得 到當前索結構實測支座坐標向量W后，比較W和UV如果W等于UV則不需要對At。進行 更新；實測得到當前索結構實測支座坐標向量W后，比較W和UV如果W不等于UV則需 要對At。進行更新。更新At。的方法是先計算W與U。的差，W與U。的差就是當前索結構支 座關于在建立A。時的索結構支座的當前支座位移，用當前支座位移向量V表示支座位移，當前支座位移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應關系，當前支座位移向量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當前支座位移向量V中對應元素的數值，對A。中的索結構 支座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型At。，更新At。 的同時，W。所有元素數值也用W所有元素數值代替，即更新了 ut。，這樣就得到了正確地對 應于#。的W。。 第八步在索結構當前力學計算基準模型At。的基礎上進行若干次力學計算，通過 計算獲得索結構虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC和名義虛擬單位損傷向量Du。具 體方法如下 a.健康監測系統第一次開始工作時，直接按步驟b至步驟d所列方法獲得索結構 虛擬單位損傷被監測量變化矩陣A C和名義虛擬單位損傷向量Du ;以后，如果第七步中對 At。進行了更新，直接按步驟b至步驟d所列方法獲得索結構虛擬單位損傷被監測量變化矩 陣A C和名義虛擬單位損傷向量Du，如果在第七步中沒有對At。進行更新，則在此處直接轉 入第九步進行后續工作； b.在索結構當前力學計算基準模型At。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在 原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷，每一次計算中出現虛擬單位損傷的索不同于 其它次計算中出現虛擬單位損傷的索，并且每一次假定有虛擬單位損傷的索的虛擬單位損 傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用"名義虛擬單位損傷向量Du"記錄所有索的假 定的單位損傷，每一次計算得到所有被監測量的當前數值，每一次計算得到的所有被監測 量的當前數值組成一個"被監測量的計算當前數值向量"。當假設第j根索有單位損傷時， 可用Ctj表示對應的"被監測量的當前計算數值向量Ctj"。在本步驟中給各向量的元素編號 時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一 個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監測量或同一對象的相關信息；
c.每一次計算得到的那個"被監測量的當前計算數值向量Ctj"減去"被監測量的 初始數值向量C。"得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的虛擬 單位損傷值后得到一個"被監測量的數值變化向量";有N根索就有N個"被監測量的數值 變化向量"； d.由這N個"被監測量的數值變化向量"依次組成有N列的"虛擬單位損傷被監 測量數值變化矩陣AC";"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC"的每一列對應于一個 "被監測量的數值變化向量";"虛擬單位損傷被監測量變化矩陣"的列的編號規則與當前名 義虛擬損傷向量d。和當前實際虛擬損傷向量d的元素編號規則相同。 在本步驟中及其后給各向量的元素編號時，應同本發明中其它向量使用同一編號 規則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元 素，表達了同一被監測量或同一對象的相關信息。 第九步建立線性關系誤差向量e和向量g。利用前面的數據("被監測量的初始 數值向量C。"、"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC")，在第八步進行每一次計算的同 時，即在每一次計算中假設索系統中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷的同時，每一次計算組成一個"虛擬損傷向量dt"，虛擬損傷向量dt的元素個數等于索 的數量，虛擬損傷向量dt的所有元素中只有一個元素的數值取每一次計算中假設增加虛擬 單位損傷的索的虛擬單位損傷值，dt的其它元素的數值取O，那個不為0的元素的編號與假 定增加虛擬單位損傷的索的對應關系、同其他向量的同編號的元素同該索的對應關系是相 同的；將Ctj、C。、 A C、 dt帶入式(13)(需注意的，式(13)中C用Ctj帶入，4用dt帶入)，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。將向量g保存在運行健康監測系統軟件的計算機硬盤上，供健康監測系 統軟件使用。 將"初始索力向量F。"、"被監測量的初始數值向量C。"、"名義虛擬單位損傷向量 D/、"初始自由長度向量1。"、"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC"和所有索的彈性 模量、初始橫截面面積、索的單位長度重量等參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。 第十步實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量F;同時， 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"。 實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方 向分量的差就是兩個支承端點水平距離。 第十一步依據"被監測量的當前(計算或實測)數值向量C"同"被監測量的初 始數值向量C。"、"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣A C"和"當前名義虛擬損傷向量d。" 間存在的近似線性關系(見式(9))，按照多目標優化算法計算索系統當前名義虛擬損傷向 量d。的非劣解。 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(Constran Method)、力口權法(Weghted Sum Method)、目標規劃法(Goal Atta騰nt 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名義虛擬損傷向量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(9)可以轉化成式(29)和式(30)所示的多目標優化問題，式 (29)中y是一個實數，R是實數域，空間區域Q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l)。式(29)的意思是尋找一個絕對 值最小的實數y，使得式(30)得到滿足。式(30)中G(dc)由式(31)定義，式(30)中加權 向量W與y的積表示式(30)中G(d。)與向量g之間允許的偏差，g的定義參見式(15)，其 值將在第八步計算得到。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。按照目標規劃法就可以求得當前名義損傷向量d。。
minimize y (29)
y g R， dc g Q G(cQ-WY《g (30)
<formula>formula see original document page 20</formula>
求得當前名義虛擬損傷向量d。后，可依據式(17)得到的當前實際虛擬損傷向量 d每一個元素，當前實際虛擬損傷向量d就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從所有索中 確定有問題的索(即虛擬受損索，可能是受損也可能是松弛)的位置及其虛擬損傷程度的 解。若解得的當前實際虛擬損傷向量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，沒有損傷或松弛的；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。
第十二步由于當前實際虛擬損傷向量d的元素數值代表對應索的虛擬損傷程 度，所以根據當前實際虛擬損傷向量就能確定有哪些索可能受損或松弛了及其可能的損傷 程度或松弛程度，但這些索究竟是發生了損傷還是發生了松弛，需進行鑒別。鑒別的方法多 種多樣，可以通過去除支承索的保護層，對支承索進行目視鑒別，或者借助光學成像設備進 行目視鑒別，也可以通過無損檢測方法對支承索是否受損進行鑒別，超聲波探傷就是一種 目前廣泛使用的無損檢測方法。鑒別后那些沒有發現損傷且虛擬損傷程度不為0的支承索 就是發生了松弛的索，就是需調整索力的索，依據式(24)或式(25)可以求得這些索的松弛 程度(即索長調整量)。這樣就實現了包含了損傷識別和松弛識別的索結構的索系統的健
康監領lj o
權利要求
一種有支座沉降時基于角度監測的識別松弛的支承索的方法，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.確定指定的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的被測量直線，給所有指定的被測量直線編號；確定每一被測量直線的被測量的角度坐標分量，給所有被測量角度坐標分量編號；上述編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；“結構的全部被監測的角度數據”由上述所有被測量角度坐標分量組成；為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的角度數據”簡稱為“被監測量”；測量點的數量不得小于索的數量；所有被測量角度坐標分量的數量之和不得小于索的數量；c.利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立初始虛擬損傷向量do；如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，向量d1o的各元素數值取0。d.在建立初始虛擬損傷向量do的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量的初始數值向量Co；e.在建立初始虛擬損傷向量do和被監測量的初始數值向量Co的同時，直接測量計算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo；同時，依據結構設計數據、竣工數據得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量lo；同時，依據結構設計數據、竣工數據或實測得到索結構的初始幾何數據；同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；f.建立索結構的初始力學計算基準模型Ao，建立初始索結構支座坐標向量Uo，建立索結構當前力學計算基準模型Ato；依據索結構竣工之時的索結構的實測數據，該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、所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積等實測數據，以及索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據，依據設計圖和竣工圖，利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型Ao；如果沒有索結構竣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該索結構進行實測，同樣得到索結構的實測數據，根據此數據和索結構的設計圖、竣工圖，同樣利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型Ao；不論用何種方法獲得Ao，基于Ao計算得到的索結構計算數據必須非常接近其實測數據，其間的差異不得大于5％；對應于Ao的索結構支座坐標數據組成初始索結構支座坐標向量Uo；Ao和Uo是不變的；為敘述方便，命名“索結構當前力學計算基準模型Ato”，在結構服役過程中Ato根據需要會不斷更新，開始時，Ato等于Ao；同樣為敘述方便，命名“索結構實測支座坐標向量Ut”，在結構服役過程中，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”，向量Ut的元素與向量Uo相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐標；為敘述方便起見，將上一次更新Ato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Uto；開始時，Ato等于Ao，Uto等于Uo；Ao對應的索的健康狀態由do描述；g.健康監測系統開始工作時，令Ato等于Ao；在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，根據當前索結構實測支座坐標向量Ut，在必要時更新索結構當前力學計算基準模型Ato和當前索結構支座坐標向量Uto；h.在索結構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虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和名義虛擬單位損傷向量Du；i.實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量F；同時，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”。實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量的差就是兩個支承端點水平距離。給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前和之后出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；j.定義待求的當前名義虛擬損傷向量dc和當前實際虛擬損傷向量d。損傷向量do、dc和d的元素個數等于索的數量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量的元素數值代表對應索的虛擬損傷程度或健康狀態；k.依據“被監測量的當前數值向量C”同“被監測量的初始數值向量Co”、“虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC”和“當前名義虛擬損傷向量dc”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dc外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義虛擬損傷向量dc；C＝Co+ΔC·dc 式1l.利用式2表達的當前實際虛擬損傷向量d的元素dj同初始虛擬損傷向量do的元素doj和當前名義虛擬損傷向量dc的元素dcj間的關系，計算得到當前實際虛擬損傷向量d的所有元素。dj＝1-(1-doj)(1-dcj) 式2式2中j＝1，2，3，……，N；由于當前實際虛擬損傷向量d的元素數值代表對應索的當前實際虛擬損傷程度，即實際松弛程度或實際損傷程度，當前實際虛擬損傷向量d中數值不為0的元素對應的支承索就是有問題的支承索，有問題的支承索可能是松弛索、也可能是受損索，其數值反應了松弛或損傷的程度；m.從第l步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。n.利用在第l步獲得的當前實際虛擬損傷向量d得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第i步獲得的當前索力向量F，利用在第i步獲得的所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，利用在第e步獲得的初始自由長度向量lo，利用在第e步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數據，通過將松弛索同受損索進行力學等效來計算松弛索的、與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數、密度及材料的力學特性參數相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同。滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結構不會發生任何變化，反之亦然。依據前述力學等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長度的改變量，也就是確定了那些需調整索力的支承索的索長調整量；這樣就實現了支承索的松弛識別和損傷識別。計算時所需索力由當前索力向量F對應元素給出。
2. 根據權利要求1所述的有支座沉降時基于角度監測的識別松弛的支承索的方法，其特征在于在步驟g中，根據當前索結構實測支座坐標向量Ut，在必要時更新索結構當前力學計算基準模型At。和當前索結構支座坐標向量W。的具體方法為gl.實測得到當前索結構實測支座坐標向量W后，比較W和UV如果W等于UV則不需要對At。進行更新；g2.實測得到當前索結構實測支座坐標向量W后，比較W和UV如果W不等于UV則需要對At。進行更新，更新方法是先計算W與U。的差，W與U。的差就是當前索結構支座關于在建立A。時的索結構支座的當前支座位移，用當前支座位移向量V表示支座位移，當前支座位移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應關系，當前支座位移向量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當前支座位移向量V中對應元素的數值，對A。中的索結構支座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型At。，更新At。的同時，W。所有元素數值也用W所有元素數值代替，即更新了 UV這樣就得到了正確地對應于A的U:
3. 根據權利要求1所述的有支座沉降時基于角度監測的識別松弛的支承索的方法，其特征在于在步驟h中，在索結構當前力學計算基準模型At。的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC和名義虛擬單位損傷向量Du的具體方法為hl.健康監測系統第一次開始工作時，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構虛擬單位損傷被監測量變化矩陣A C和名義虛擬單位損傷向量Du ;以后，如果步驟g中對At。進行了更新，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構虛擬單位損傷被監測量變化矩陣A C和名義虛擬單位損傷向量Du，如果在步驟g中沒有對At。進行更新，則在此處直接轉入步驟i進行后續工作；h2.在索結構當前力學計算基準模型At。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在原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷，每一次計算中出現虛擬單位損傷的索不同于其它次計算中出現虛擬單位損傷的索，并且每一次假定有虛擬單位損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用"名義虛擬單位損傷向量Du"記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到所有被監測量的當前數值，每一次計算得到的所有被監測量的當前數值組成一個"被監測量的計算當前數值向量"；當假設第j根索有單位損傷時，可用Ctj表示對應的"被監測量的當前計算數值向量Ctj"。在本步驟中給各向量的元素編號時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監測量或同一對象的相關信息；h3.每一次計算得到的那個"被監測量的當前計算數值向量Ctj"減去"被監測量的初始數值向量C。"得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的虛擬單位損傷值后得到一個"被監測量的數值變化向量"；有N根索就有N個"被監測量的數值變化h4.由這N個"被監測量的數值變化向量"依次組成有N列的"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC";"虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC"的每一列對應于一個"被監測量的數值變化向量"；"虛擬單位損傷被監測量變化矩陣"的列的編號規則與當前名義虛擬損傷向量d。和當前實際虛擬損傷向量d的元素編號規則相同。
全文摘要
有支座沉降時基于角度監測的識別松弛的支承索的方法基于角度監測、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。依據應變當前向量同應變初始向量、虛擬單位損傷應變變化矩陣和當前虛擬損傷向量間的近似線性關系，可計算識別出虛擬受損索，在使用無損檢測方法鑒別出真實受損索后，剩下的虛擬受損索就是松弛索即需調整索力的索，依據松弛程度同虛擬損傷程度間的關系就可確定需調整的索長。
文檔編號G01M99/00GK101788402SQ20101012741
公開日2010年7月28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