专利名称：支座广义位移时基于混合监测的索系统递进式健康监测方法
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”。在有支座广义位移(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Χ、Υ、Ζ轴的角坐标)时，本发明公开了一种递进式方法、基于混合监测来识别索结构的支承系统(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)中的受损索 (对桁架结构就是指受损的仅承受拉伸载荷的杆件)的方法，属工程结构健康监测领域。
背景技术：
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索结构的索系统中的受损索(如前所述也指仅承受拉伸载荷的杆件)是一种极具潜力的方法。索系统的健康状态发生变化后，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，因此可以通过对这些不同类型的结构的特征参量的变化的混合监测来判断结构的健康状态，本发明将所有被监测的结构特征参量统称为“被监测量”，由于此时被监测量是由结构的不同类型的可测量参数混合组成，本发明称此为混合监测，被监测量除了受索系统健康状态的影响外，还会受索结构支座广义位移(常常会发生)的影响，目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。在有支座广义位移时，为了能对索结构的索系统的健康状态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被监测量的变化同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索系统的健康评估。
发明内容
技术问题本发明的目的是在索结构支座有广义位移时，针对索结构中索系统的健康监测问题，提供一种基于对多类参量的混合监测的、能够合理有效地监测索结构中索系统的递进式健康监测方法。技术方案本发明由两大部分组成。分别是一、建立索系统健康监测系统所需的知识库和参量的方法，以及基于知识库(含参量)和基于对多类参量的混合监测及实测索结
6构支座广义位移的索系统递进式健康状态评估方法；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索系统健康监测系统所需的知识库和参量的方法，以及基于知识库(含参量)和基于对多类参量的混合监测及实测索结构支座广义位移的索系统递进式健康状态评估方法。可按如下步骤依次循环往复地、递进式进行，以获得更准确的索系统的健康状态评估。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索系统初始损伤向量(i=l，2，3，…)、建立索结构的初始力学计算基准模型A。(例如有限元基准模型，在本发明中A。是不变的)、建立索结构的当前力学计算基准模型Α"。(例如有限元基准模型，在每一次循环中Α"。是不断更新的)、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。设索系统中共有#根索，第i次循环开始时需要的索系统初始损伤向量记为 //(如式(1)所示)，用表示该次循环开始时索结构(用力学计算基准模型Ai表示)的索系统的健康状态。
权利要求
1. 一种支座广义位移时基于混合监测的索系统递进式健康监测方法，其特征是该方法包括a.设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；b.确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化；每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息M1是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化；每次共有M2个应变测量值或计算值来表征结构应变，M2为K2和L2之积；M2是不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、 所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化；每次共有M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积；M3是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M4为K4和L4之积；M4是一个不小于0的整数；综合上述混合监测的被监测量，整个结构共有M个被监测量， M为礼、M2、M3和M4之和，定义参量K，K为虬、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的数量N ； 由于M个被监测量是不同类型的，所以本发明称为“支座广义位移时基于混合监测的索系统的健康监测方法”；为方便起见，将本步所列出的“混合监测时结构的被监测的所有参量” 简称为“被监测量”；c.利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始损伤向量 d1。；如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状态为无损伤状态时，向量d1。的各元素数值取0 ；本步中Cl10的上标1表示第一次循环，关于循环次数的表示方法在步骤f中具体说明；d.在建立索系统初始损伤向量Cl10的同时，直接测量计算得到索结构的所有指定的被监测量，组成“被监测量的初始数值向量C1。” ；本步中C1。的上标1表示第一次循环，关于循环次数的表示方法在步骤f中具体说明；e.在建立索系统初始损伤向量d1。和被监测量的初始数值向量C1。的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据，实测得到索结构的初始几何数据；f.建立索结构的初始力学计算基准模型A。，建立初始索结构支座广义坐标向量U。，建立第一次循环开始时需要的索结构的力学计算基准模型A1 ；本步中A1的上标1表示第一次循环；依据索结构竣工之时的索结构的实测数据，该实测数据包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座广义坐标数据、索结构模态数据等实测数据，索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据，依据设计图和竣工图，利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型A。；如果没有索结构竣工之时的结构的实测数据，那么就在建立健康监测系统前对该索结构进行实测，同样得到索结构的实测数据，根据此数据和索结构的设计图、竣工图，同样利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型A。；不论用何种方法获得A。，基于A。计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据，其间的差异不得大于5% ；对应于A。的索结构支座广义坐标数据组成初始索结构支座广义坐标向量U0 ；A。 和U0是不变的，只在第一次循环开始时建立；第i次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为Ai,其中i表示循环次数，即第i次循环；因此第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为A1，本方法中A1就等于A。；为叙述方便，命名“索结构当前力学计算基准模型A"。”，在每一次循环中A"。根据需要会不断更新，每一次循环开始时，A"。等于 Ai ；同样为叙述方便，命名“索结构实测支座广义坐标向量U"”，在每一次循环中，不断实测获得索结构支座广义坐标当前数据，所有索结构支座广义坐标当前数据组成当前索结构实测支座广义坐标向量U"，向量Uti的元素与向量U0相同位置的元素表示相同支座的相同方向的广义坐标；为叙述方便起见，对于第i次循环，将上一次更新A"。时的索结构支座广义坐标当前数据记为当前索结构支座广义坐标向量U"。；第一次循环开始时，A"。等于A1，Utl0 等于U。；支座广义坐标包括线量和角量两种；g.实测获得索结构支座广义坐标当前数据，所有索结构支座广义坐标当前数据组成当前索结构实测支座广义坐标向量U"，根据当前索结构实测支座广义坐标向量U"，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A"。和当前索结构支座广义坐标向量U"。；h.在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵ACi和名义单位损伤向量Diu ；i.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C1”。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；j.定义索系统当前名义损伤向量 < 和当前实际损伤向量dS损伤向量的元素个数等于索的数量，损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；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ci。”、“单位损伤被监测量变化矩阵ACi"和“当前名义损伤向量屮。”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f。外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前名义损伤向量屮。；C =C:+AC·《式 11.利用式2表达的当前实际损伤向量Cli同初始损伤向量Cli0和当前名义损伤向量C^ 的元素间的关系，计算得到当前实际损伤向量Cli的所有元素。《=1-(1-<)(1-《)式 2式2中j = 1,2,3,……，N。由于当前实际损伤向量Cli的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前实际损伤向量Cli就能确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前实际损伤向量的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的； 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0和 100%之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力；m.在求得当前名义损伤向量屮。后，按照式3建立标识向量Fi，式4给出了标识向量Fi 的第j个元素的定义；F'= [F； F； ... F； .. . ^f 式 3il，计<^巧式式4中元素Fij是标识向量Fi的第j个元素，Diuj是名义单位损伤向量Diu的第j个元素，d、是索系统当前名义损伤向量f。的第j个元素，它们都表示第j根索的相关信息，式 4中 j = 1,2,3,……，N;η.如果标识向量Fi的元素全为0，则回到步骤g继续本次循环；如果标识向量Fi的元素不全为0，则进入下一步、即步骤ο ；ο.根据式5计算得到下一次、即第i+Ι次循环所需的初始损伤向量di+1。的每一个元素
2.根据权利要求1所述的支座广义位移时基于混合监测的索系统的递进式健康监测方法，其特征在于在步骤g中，根据当前索结构实测支座广义坐标向量U"，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A"。和当前索结构支座广义坐标向量U"。的具体方法为gl.实测得到当前索结构实测支座广义坐标向量Uti后，比较Uti和U"。，如果Uti等于 U"。，则不需要对A"。进行更新；g2.实测得到当前索结构实测支座广义坐标向量Uti后，比较Uti和U"。，如果Uti不等于 U"。，则需要对A"。进行更新，更新方法是先计算Uti与U0的差，Uti与U0的差就是当前索结构支座关于在建立A。时的索结构支座的当前支座广义位移，用当前支座广义位移向量V表示支座广义位移，当前支座广义位移向量V中的元素与支座广义位移分量之间是一一对应关系，当前支座广义位移向量V中一个元素的数值对应于一个指定支座的绕一个指定方向的广义位移；更新A"。的方法是在A。的基础上令索的健康状况为索系统初始损伤向量屮。， 再进一步对Α。中的索结构支座施加当前支座广义位移约束，当前支座广义位移约束的数值就取自当前支座广义位移向量V中对应元素的数值，对A。中的索结构支座施加当前支座广义位移约束后，最终得到的就是更新的当前力学计算基准模型A"。，更新Ati0的同时，Uti0所有元素数值也用Uti所有元素数值代替，即更新了 U"。，这样就得到了正确地对应于A"。的U"。。
3.根据权利要求1所述的支座广义位移时基于混合监测的索系统的递进式健康监测方法，其特征在于在步骤h中，在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵ACi和名义单位损伤向量Diu的具体方法为hi.在第i次循环开始时，直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵Δ Ci和名义单位损伤向量Diu ；在其它时刻，当步骤g中对A"。进行更新后，必须按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵△ Ci和名义单位损伤向量Diu，如果在步骤g中没有对A"。进行更新，则在此处直接转入步骤i进行后续工作； h2.在索结构当前力学计算基准模型Α"。的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索在原有损伤的基础上再增加单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，并且每一次假定有损伤的索的单位损伤值可以不同于其他索的单位损伤值，用“名义单位损伤向量Di/记录所有索的假定的单位损伤，每一次计算得到索结构中所有指定被监测量的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”；当假设第j根索有单位损伤时，可用C、表示对应的“被监测量的计算当前数值向量”;在本步骤中给各向量的元素编号时，应同本发明中其它向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素， 表达了同一被监测量或同一对象的相关信息；h3.每一次计算得到的那个“被监测量的计算当前数值向量Cit/减去“被监测量的初始数值向量Cit/'得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量δ Ci/'；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”；h4.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“单位损伤被监测量变化矩阵ACi";“单位损伤被监测量变化矩阵ACi"的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”；“单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义损伤向量 < 和当前实际损伤向量Cli的元素编号规则相同。
全文摘要
支座广义位移时基于混合监测的索系统的递进式健康监测方法基于混合监测、通过监测结构支座广义坐标来决定是否需要再次更新结构的力学计算基准模型，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损伤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算出当前索损伤向量的非劣解，据此可以比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。
文档编号G01M99/00GK102221478SQ20111014313
公开日2011年10月19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