专利名称：基于索力监测识别受损索松弛索支座广义位移的递进方法
技术领域：
斜拉桥、悬索桥、桁架结构等结构有一个共同点，就是它们有许多承受拉伸载荷的部件，如斜拉索、主缆、吊索、拉杆等等，该类结构的共同点是以索、缆或仅承受拉伸载荷的杆件为支承部件，为方便起见本发明将该类结构表述为“索结构”。在索结构的服役过程中， 索结构的支承系统(指所有承载索、及所有起支承作用的仅承受拉伸载荷的杆件，为方便起见，本专利将该类结构的全部支承部件统一称为“索系统”，但实际上索系统不仅仅指支承索，也包括仅承受拉伸载荷的杆件)会受损，同时索结构的支座也可能出现广义位移(例如支座广义位移指支座沿X、Y、Z轴的线位移及支座绕Χ、Υ、Ζ轴的角位移；对应于支座广义位移，支座广义坐标指支座关于X、Y、Z轴的坐标及支座关于X、Y、Z轴的角坐标)，这些变化对索结构的安全是一种威胁，本发明基于结构健康监测技术，基于索力监测、采用递进式方法来识别支座广义位移、识别索结构的索系统中的受损索、识别需调整索力的支承索，并给出具体的索长调整量，属工程结构健康监测领域。
背景技术：
支座广义位移对索结构安全是一项重大威胁，同样的，索系统通常是索结构的关键组成部分，它的失效常常带来整个结构的失效，基于结构健康监测技术来识别支座广义位移和索结构的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。当支座出现广义位移时、或索系统的健康状态发生变化时、或者两种情况同时发生时，会引起结构的可测量参数的变化， 例如会引起索力的变化，会影响索结构的变形或应变，会影响索结构的形状或空间坐标，会引起过索结构的每一点的任意假想直线的角度坐标的变化(例如结构表面任意一点的切平面中的任意一根过该点的直线的角度坐标的变化，或者结构表面任意一点的法线的角度坐标的变化)，所有的这些变化都包含了索系统的健康状态信息，实际上这些可测量参数的变化包含了索系统的健康状态信息、包含了支座广义位移信息，也就是说可以利用结构的可测量参数来识别支座广义位移、受损索和松弛索。为了能对索结构的索系统的健康状态和支座广义位移有可靠的监测和判断，必须有一个能够合理有效的建立索结构的可测量参数的变化同支座广义位移和索系统中所有索的健康状况间的关系的方法，基于该方法建立的健康监测系统可以给出更可信的支座广义位移评估和索系统的健康评估。
发明内容
技术问题本发明公开了一种基于索力监测的、采用递进式方法的、能够合理有效地识别支座广义位移、受损索和松弛索的健康监测方法。技术方案设索的数量和支座广义位移分量的数量之和为见为叙述方便起见，本发明统一称被评估的索和支座广义位移为“被评估对象”，给被评估对象连续编号，本发明用用变量J·表示这一编号，J‘=l，2，3，···，见因此可以说有#个被评估对象。依据支承索的索力变化的原因，可将支承索的索力变化分为三种情况一是支承索受到了损伤，例如支承索出现了局部裂纹和锈蚀等等；二是支承索并无损伤，但索力也发生了变化，出现这种变化的主要原因之一是支承索自由状态(此时索张力也称索力为0)下的索长度(称为自由长度，本发明专指支承索两支承端点间的那段索的自由长度)发生了变化；三是支承索并无损伤，但索结构支座有了广义位移，也会引起结构内力的变化，当然也就会引起索力的变化。为了方便，本发明将自由长度发生变化的支承索统称为松弛索。设索系统中共有。根支承索，结构索力数据包括这C根支承索的索力，显然。小于被评估对象的数量#。仅仅通过Q个支承索的Q个索力数据来求解未知的#个被评估对象的状态是不可能的，本发明在监测全部C根支承索索力的基础上，增加对不少于GV-仍个其他被监测量。增加的不少于GV- Q)个的其他被监测量仍然是索力，叙述如下
在结构上人为增加丛( 不小于N-⑴根索，新增加的丛根索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，可以小很多，例如小10倍，新增加的丛根索的索力应当较小，例如其横截面正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的丛根索不会发生疲劳损伤，新增加的丛根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛，新增加的丛根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的丛根索不会发生损伤和松弛，在结构健康监测过程中将监测这新增加的丛根索的索力。综合上述被监测量，整个结构共有if根索的I个被监测量，I不得小于被评估对象的数量见为方便起见，在本发明中将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。给Ji 个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。本发明由两大部分组成。分别是一、建立被评估对象健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)和实测索结构的应变(或变形)的被评估对象健康状态评估方法；二、健康监测系统的软件和硬件部分。本发明的第一部分建立用于被评估对象健康监测的知识库和参量的方法。可按如下步骤依次循环往复地、递进式进行
第一步每一次循环开始时，首先需要建立或已建立本次循环开始时的被评估对象初始健康状态向量i//(i=l，2，3，…)、建立索结构的初始力学计算基准模型Α。(例如有限元基准模型，在本发明中A。是不变的)、建立索结构的力学计算基准模型Ai (例如有限元基准模型，i=l，2，3，…)。字母i除了明显地表示步骤编号的地方外，在本发明中字母i仅表示循环次数，即第i次循环。第i次循环开始时需要的索结构“初始健康状态向量dj” (如式(1)所示)，用dj 表示第i次循环开始时索结构(用力学计算基准模型Ai表示)的索结构的初始健康状态。
权利要求
1. 一种基于索力监测识别受损索松弛索支座广义位移的递进方法，其特征在于所述方法包括a.为叙述方便起见，统一称被评估的支承索和支座广义位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座广义位移分量的数量之和为N，即被评估对象的数量为N ；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；用变量j表示这一编号，j = 1,2,3,... ,N；b.设索系统中共有Q根支承索，结构索力数据包括这Q根支承索的索力，显然Q小于被评估对象的数量N ；仅仅通过Q个支承索的Q个索力数据来求解未知的N个被评估对象的状态是不可能的，在监测全部Q根支承索索力的基础上，在结构上人为增加M2根索，在结构健康监测过程中将监测这新增加的M2根索的索力；综合上述被监测量，整个结构共有M根索的M个索力被监测，即有M个被监测量，其中M为Q与M2之和；M不得小于被评估对象的数量N;新增加的M2根索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，应当小得多；新增加的M2根索的索力应当比索结构的任意一根支承索的索力小得多，这样可以保证即使这新增加的M2根索出现了损伤或松弛，对索结构其他构件的应力、应变、变形的影响微乎其微；新增加的M2根索的横截面上正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的M2根索不会发生疲劳损伤；新增加的M2根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的M2 根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M2根索不会发生损伤和松弛；为方便起见， 将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；给M个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；c.利用被评估对象的无损检测数据等能够表达被评估对象的健康状态的数据建立被评估对象初始健康状态向量f。；如果没有被评估对象的无损检测数据时，向量f。的各元素数值取0 ；向量f。的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；本发明用i表示循环次数，i = 1,2,3,......；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的初始健康状态向量屮。可以具体化为d1。；d.在建立初始健康状态向量d1。的同时，直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量的初始数值向量Citj ；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的被监测量的初始数值向量Citj可以具体化为C1。；在实测得到被监测量初始数值向量C1。的同时， 实测得到索结构的初始几何数据和初始索结构支座广义坐标数据；直接测量计算得到所有支承索的初始索力，组成初始索力向量F。；同时，依据结构设计数据、竣工数据得到所有支承索的初始自由长度，组成初始自由长度向量I。；向量F。和向量I。是不变的；同时，实测或根据结构设计、竣工资料得到所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积；支座广义坐标包括线量和角量两种；e.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据、索的无损检测数据和初始索结构支座广义坐标数据建立索结构的力学计算基准模型Ai ；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的索结构的力学计算基准模型Ai可以具体化为A1 ；f.在力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得“单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"和“名义单位损伤向量Di/ ；g.实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成“被监测量的当前数值向量Ci";给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；实测得到索结构的所有支承索的当前索力，组成当前索力向量Fi ；实测计算得到所有支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离；h.在结构健康监测过程中，对新增加的M2根索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的索；i.依据被监测量编号规则，从被监测量的初始数值向量Citj中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；依据被监测量编号规则，从单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；j.定义当前名义健康状态向量f。和当前实际健康状态向量dS两个损伤向量的元素个数等于被评估对象的数量，当前名义健康状态向量 < 的元素数值代表对应被评估对象的当前名义损伤程度或支座广义位移，当前实际健康状态向量Cli的元素数值代表对应被评估对象的当前实际损伤程度或支座广义位移，两个损伤向量的元素的元素个数等于被评估对象的数量，两个损伤向量的元素和被评估对象之间是一一对应关系，两个损伤向量的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；k.依据“被监测量的当前数值向量Ci"同“被监测量的初始数值向量C1。”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"和“当前名义健康状态向量Cli/'间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除 < 外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前名义健康状态向量屮。；C=C:+AC!.< 式11.利用式2表达的当前实际健康状态向量Cli同初始损伤向量di。和当前名义健康状态向量C^的元素间的关系，计算得到当前实际健康状态向量Cli的所有元素；^=1-(1-0(1-^) 式 2 式2中j = 1,2,3,……，N;当前实际健康状态向量Cli的元素数值代表对应被评估对象的实际损伤程度或实际支座广义位移，根据当前实际健康状态向量Cli就能确定有哪些索受损及其损伤程度，就能确定实际支座广义位移；若当前实际健康状态向量的某一元素对应于是索系统中的一根索， 且其数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤或松弛的的，若其数值为100%， 则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力，若其数值介于O和100%之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力；如果当前实际健康状态向量的某一元素对应于一个支座的一个广义位移分量，那么表示其当前广义位移数值；m.从第1步中识别出的有问题的支承索中鉴别出受损索，剩下的就是松弛索； η.利用在第1步获得的当前实际虚拟损伤向量Cli得到松弛索的当前实际虚拟损伤程度，利用在第g步获得的当前索力向量Fi,利用在第g步获得的所有支承索的两个支承端点的水平距离，利用在第d步获得的初始自由长度向量I。，利用在第d步获得的所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积数据，通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、 与当前实际虚拟损伤程度等效的松弛程度，等效的力学条件是一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数、密度及材料的力学特性参数相同；二、松弛或损伤后，两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同；满足上述两个等效条件时，这样的两根支承索在结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受损索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然；依据前述力学等效条件求得那些被判定为松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由长度的改变量，也就是确定了那些需调整索力的支承索的索长调整量；这样就实现了支承索的松弛识别；计算时所需索力由当前索力向量Fi 对应元素给出；ο.在求得当前名义健康状态向量 < 后，按照式3建立标识向量Bi,式4给出了标识向量Bi的第j个元素的定义；
2.根据权利要求1所述的基于索力监测识别受损索松弛索支座广义位移的递进方法， 其特征在于在步骤f中，在力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得“单位损伤被监测量数值变化矩阵Δ Ci"和“名义单位损伤向量Di/的具体方法为fl.在索结构的力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于N ；依据被评估对象的编号规则，依次进行计算；每一次计算假设只有一个被评估对象在原有损伤或广义位移的基础上再增加单位损伤或单位广义位移，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索再增加单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的广义位移分量，就假设该支座在该广义位移方向再增加单位广义位移，每一次计算中再增加单位损伤或单位广义位移的被评估对象不同于其它次计算中再增加单位损伤或单位广义位移的被评估对象，用“名义单位损伤向量Di/记录记录所有假定的再增加的单位损伤或单位广义位移，其中i表示第i次循环，每一次计算都利用力学方法计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前数值向量；f2.每一次计算得到的被监测量计算当前数值向量减去被监测量初始数值向量后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位广义位移数值，得到一个被监测量变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量变化向量；f3.由这N个被监测量变化向量按照N个被评估对象的编号规则，依次组成有N列的索结构被监测量单位变化矩阵Δ C全文摘要
基于索力监测识别受损索松弛索支座广义位移的递进方法，即对全部支承索和人为增加的索的索力进行监测，考虑到了被监测量的当前数值向量同被监测量的初始数值向量、单位损伤被监测量变化矩阵和当前名义健康状态向量间的线性关系是近似的，为克服此缺陷，本发明给出了使用线性关系分段逼近非线性关系的方法，将大区间分割成连续的一个个小区间，在每一个小区间内上述线性关系都是足够准确的，在每一个小区间内可以利用多目标优化算法等合适的算法快速识别出支座广义位移、受损索和松弛索。
文档编号G01L5/00GK102323094SQ20111014354
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者韩佳邑, 韩玉林 申请人:东南大学