專利名稱：支座廣義位移時基于應變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”。在有支座廣義位移(例如支座廣義位移指支座沿χ、γ、ζ軸的線位移及支座繞x、Y、z軸的角位移；對應于支座廣義位移，支座廣義坐標指支座關于x、Y、z軸的坐標及支座關于Χ、Υ、Ζ軸的角坐標)時，本發明基于應變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，例如索結構的變形或應變會發生變化，實際上應變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應變數據判斷結構的健康狀態，可以基于應變監測(本發明將被監測的應變稱為“被監測量”，后面提到“被監測量”就是指被監測的應變)來識別受損索， 被監測量除了受索系統健康狀態的影響外，還會受索結構支座廣義位移(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。在支座廣義位移時，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變形或應變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廣義位移時，針對索結構中索系統的健康監測問題，公開了一種基于應變監測的、能夠合理有效地監測索結構中支座廣義位移時基于應變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)和實測索結構的應變(或變形)及實測索結構支座廣義位移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Α。(例如有限元基準模型)和當前力學計算基準模型#。(例如有限元基準模型)的方法。在本發明中Α。是不變的。Attj是不斷更新的。建立A。、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、索結構支座廣義坐標數據、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、索結構支座廣義坐標數據、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A0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A0的索結構支座廣義坐標數據組成初始索結構支座廣義坐標向量U0。在索結構服役過程中，不斷實測獲得索結構支座廣義坐標當前數據(所有數據組成當前索結構實測支座廣義坐標向量Lf,向量Lf的定義方式與向量V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廣義坐標當前數據記為當前索結構支座廣義坐標向量C。。建立和更新Attj的方法是在初始時刻，Attj就等于A。，V。就等于V。； 在索結構服役過程中，不斷實測獲得索結構支座廣義坐標數據得到當前索結構實測支座廣義坐標向量 Λ如果If等于If0,則不需要對At0進行更新；如果If不等于If0,則需要對At0 進行更新，此時If與U。的差就是索結構支座關于初始位置(對應于Α。)的支座廣義位移，更新Attj的方法是對Α。中的索結構支座施加位移約束(其數值取自支座廣義位移向量K)后得到更新的當前力學計算基準模型#。，更新At0的同時，Lf0所有元素數值也用If所有元素數值代替，即更新了 V。，這樣就得到了正確地對應于Attj的V。。“結構的全部被監測的應變數據”可由結構上f個指定點的、及每個指定點的Z個指定方向的應變來描述，結構應變數據的變化就是K個指定點的所有應變的變化。每次共有個應變測量值或計算值來表征結構應變信息。#和#一般不得小于索的數量為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的應變數據”簡稱為“被監測量”。在后面提到“被監測量的某某矩陣或某某向量”時，也可讀成“應變的某某矩陣或某某向量”。本發明中用被監測量初始向量G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Α。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。
權利要求
1. 一種支座廣義位移時基于應變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.確定指定的被監測點，被監測點即表征結構應變信息的所有指定點，并給所有指定點編號；確定被監測點的被監測的應變方向，并給所有指定的被監測應變編號；“被監測應變編號”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應變數據”由上述所有被監測應變組成；將“結構的被監測的應變數據”簡稱為“被監測量”；被監測點的數量不得小于索的數量；所有被監測量的數量之和不得小于索的數量；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C；； 在實測得到被監測量初始向量G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、初始索結構支座廣義坐標數據，初始索結構支座廣義坐標數據組成初始索結構支座廣義坐標向量仏；支座廣義坐標包括線量和角量兩種；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廣義坐標向量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、初始索結構支座廣義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的索結構支座廣義坐標數據組成當前索結構支座廣義坐標向量 /。，第一次建立索結構的當前力學計算基準模型Attj時，V。就等于 Ua-,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廣義坐標當前數據，所有索結構支座廣義坐標當前數據組成當前索結構實測支座廣義坐標向量M ；f.根據當前索結構實測支座廣義坐標向量V，在必要時更新當前力學計算基準模型 At0和當前索結構支座廣義坐標向量Lf0 ；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和單位損傷標量久；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J的元素和索之間是一一對應關系，索系統當前損傷向量J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」〔單位損傷標量久和待求的索系統當前損傷向量J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i/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由于當前損傷向量i/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；
2.根據權利要求1所述的支座廣義位移時基于應變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廣義坐標向量 Λ在必要時更新當前力學計算基準模型Attj和當前索結構支座廣義坐標向量V。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廣義坐標向量M后，比較M和于讓。，如果"等于If0,則Attj和If0保持不變；f2.在步驟e中實測得到當前索結構實測支座廣義坐標向量M后，比較M和If0,如果 Lf不等于If0,則需要對At0和C。進行更新，更新方法是先計算V與^的差，V與^的差就是索結構支座關于初始位置的當前支座廣義位移，用支座廣義位移向量Z表示支座廣義位移，支座廣義位移向量Z中的元素與支座廣義位移分量之間是一一對應關系，支座廣義位移向量Z中一個元素的數值對應于一個指定支座的繞一個指定方向的廣義位移；更新Attj 的方法是對A。中的索結構支座施加當前支座廣義位移約束，當前支座廣義位移約束的數值就取自支座廣義位移向量Z中對應元素的數值，對A。中的索結構支座施加支座廣義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，Lf0所有元素數值也用第e步的If所有元素數值對應代替，即更新了 V。，這樣就得到了正確地對應于Attj的C。。
3.根據權利要求1所述的支座廣義位移時基于應變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」C和單位損傷標量久的具體方法為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和當前索結構支座廣義坐標向量V。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和單位損傷標量久；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#根索就有#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久，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#根索就有#個被監測量變化向量；g4.由這#個被監測量變化向量依次組成有#列的索結構單位損傷被監測量變化矩陣 」C ；索結構單位損傷被監測量變化矩陣」C的每一列對應于一個被監測量變化向量。
全文摘要
支座廣義位移時基于應變監測的索系統的健康監測方法基于應變監測、通過監測結構支座廣義坐標來決定是否需要更新結構的力學計算基準模型，只有當結構支座廣義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廣義位移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，據此可以在支座廣義位移時、比較準確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號G01B21/32GK102323082SQ20111014305
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月31日 優先權日2011年5月31日
發明者韓佳邑, 韓玉林 申請人:東南大學