專利名稱：基于應變監測識別受損索支座廣義位移的健康監測方法
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”。在索結構的服役過程中， 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)會受損，同時索結構的支座也可能出現廣義位移(例如支座廣義位移指支座沿X、Y、Z軸的線位移及支座繞Χ、Υ、Ζ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X、Y、Z軸的角坐標)，這些變化對索結構的安全是一種威脅，本發明基于結構健康監測技術，基于應變監測來識別支座廣義位移和索結構的索系統中的受損索，屬工程結構健康監測領域。
背景技術：
支座廣義位移對索結構安全是一項重大威脅，同樣的，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支座廣義位移和索結構的索系統中的受損索是一種極具潛力的方法。當支座出現廣義位移時、或索系統的健康狀態發生變化時、或者兩種情況同時發生時，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，實際上這些可測量參數的變化包含了索系統的健康狀態信息、包含了支座廣義位移信息，也就是說可以利用結構的可測量參數來識別支座廣義位移和受損索。為了能對索結構的索系統的健康狀態和支座廣義位移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可測量參數的變化同支座廣義位移和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支座廣義位移評估和索系統的健康評估。
發明內容
技術問題本發明公開了一種基于應變監測的、能夠合理有效地識別支座廣義位移和受損索的健康監測方法。技術方案設索的數量和支座廣義位移分量的數量之和為見為敘述方便起見，本發明統一稱被評估的索和支座廣義位移為“被評估對象”，給被評估對象連續編號，本發明用用變量i表示這一編號，i=l, 2，3，…，N，因此可以說有#個被評估對象。本發明由三大部分組成。分別是建立被評估對象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)的被評估對象健康狀態評估方法、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被評估對象健康監測的知識庫和參量的方法。具體如下
1.建立索結構的力學計算基準模型A。(例如有限元基準模型)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。“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I 個應變測量值或計算值來表征結構應變信息。#和I一般不得小于#。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,2 ···€；.··· ComJ(1)
式(1)中C^.C/=1，2，3，…….，M; M^JV)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。r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 = [C1 C2 · · · Cj · · · CmJ(2)
式(2)中 .(/=1，2，3，…….，Μ; M^JV)是索結構中第^/個被監測量的當前值， 該分量Cj依據編號規則與Coj對應于同一 “被監測量”。
2.建立索結構被監測量單位變化矩陣」C的方法。建立索結構被監測量單位變化矩陣」C的具體方法如下
在索結構的力學計算基準模型Α。的基礎上進行若干次計算，計算次數數值上等于見每一次計算假設只有一個被評估對象有單位損傷或單位廣義位移，具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索有單位損傷(例如取5%、10%,20%或30% 等損傷為單位損傷)，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的廣義位移分量，就假設該支座在該廣義位移方向發生單位廣義位移(例如取1毫米、2毫米、3毫米等為單位線位移， 取十萬分之一弧度、十萬分之二弧度、十萬分之三弧度等為單位角位移)，用化,.記錄這一單位損傷或單位廣義位移，其中i表示發生單位損傷或單位廣義位移的被評估對象的編號。 用“單位損傷或單位廣義位移向量久”(如式(3)所示)記錄所有的單位損傷或單位廣義位移。每一次計算中出現單位損傷或單位廣義位移的被評估對象不同于其它次計算中出現單位損傷或單位廣義位移的被評估對象，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個被監測量有單位損傷或單位廣義位移時，可用式 (4)表示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后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位廣義位移數值，所得向量就是此條件下(以有單位損傷或單位廣義位移的被評估對象的編號為標記)的被監測量變化向量(當第i個被評估對象有單位損傷或單位廣義位移時，用SCi表示被監測量變化向量，定義見式(5)，式(5)為式(4)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或單位廣義位移的那個被評估對象的單位變化而引起的該元素所對應的被監測量的改變量；有#個被評估對象就有#個被監測量變化向量，由于有I個被監測量，所以每個被監測量變化向量有I個元素，由這#個被監測量變化向量依次組成有個元素的被監測量單位變化矩陣」G」C的定義如式(6)所示。
權利要求
1.一種基于應變監測識別受損索支座廣義位移的健康監測方法，其特征在于所述方法包括a.為敘述方便起見，統一稱被評估的支承索和支座廣義位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座廣義位移分量的數量之和為N，即被評估對象的數量為N ；確定被評估對象的編號規則，按此規則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；用變量i表示這一編號，i = 1,2,3,... ,N；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；本發明將“結構的被監測的應變數據”簡稱為“被監測量”；所有被監測量的數量之和不得小于N;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廣義坐標數據；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數據建立索結構的力學計算基準模型A。；e.在力學計算基準模型A。的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構被監測量單位變化矩陣AC;f.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 ；g.定義被評估對象當前狀態向量d，被評估對象當前狀態向量d的元素個數等于被評估對象的數量，被評估對象當前狀態向量d的元素和被評估對象之間是一一對應關系，被評估對象當前狀態向量d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或廣義位移；h.依據被監測量的當前數值向量C同被監測量初始向量C。、索結構被監測量單位變化矩陣AC和待求的被評估對象當前狀態向量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就可以算出被評估對象當前狀態向量d ；由于被評估對象當前狀態向量d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或廣義位移，所以根據被評估對象當前狀態向量確定有哪些索受損及其損傷程度，可以確定支座廣義位移，即實現了支座廣義位移的評估和索結構中索系統的健康狀態評估；C = C0+ Δ C · d 式 1
2.根據權利要求1所述的基于應變監測識別受損索支座廣義位移的健康監測方法，其特征在于在步驟e中，在力學計算基準模型A。的基礎上，通過若干次力學計算獲得索結構被監測量單位變化矩陣△ C的具體方法為el.在索結構的力學計算基準模型Α。的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于N ；每一次計算假設只有一個被評估對象有單位損傷或單位廣義位移，具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索有單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的廣義位移分量，就假設該支座在該廣義位移方向發生單位廣義位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位廣義位移，其中i表示發生單位損傷或單位廣義位移的被評估對象的編號；每一次計算中出現單位損傷或單位廣義位移的被評估對象不同于其它次計算中出現單位損傷或單位廣義位移的被評估對象，每一次計算都利用力學方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；e2.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后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位廣義位移數值，得到一個被監測量變化向量，有N個被評估對象就有N個被監測量變化向量；e3.由這N個被監測量變化向量依次組成有N列的索結構被監測量單位變化矩陣AC; 索結構被監測量單位變化矩陣AC的每一列對應于一個被監測量變化向量。
全文摘要
基于應變監測識別受損索支座廣義位移的健康監測方法基于應變監測，根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據等建立索結構的力學計算基準模型，在力學計算基準模型的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構被監測量單位變化矩陣；依據被監測量的當前數值向量同被監測量初始向量、索結構被監測量單位變化矩陣和待求的被評估對象當前狀態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識別出支座廣義位移和受損索。
文檔編號G01B21/32GK102323087SQ20111014308
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