專利名稱：一種基于索力監測的索結構健康監測方法
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位移，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，基于索力監測來識別支座 位移、識別索結構的索系統中的受損索、識別需調整索力的支承索，并給出具體的索長調整 量，屬工程結構健康監測領域。
背景技術：
支座位移對索結構安全是一項重大威脅，同樣的，索系統的損傷和松弛也將對結 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支座位移、受損 索和松弛索(即需調整索力的支承索)是非常必要的。索結構出現支座位移、受損索和松弛索后會引起結構的可測量參數的變化，例如 會引起索力的變化，實際上索力的變化包含了索結構的健康狀態信息，也就是說可以利用 結構索力數據判斷結構的健康狀態，可以基于索力監測(本發明將被監測的索力稱為“被 監測量”，后面提到“被監測量”就是指被監測的索力)來識別支座位移、受損索和松弛索。
發明內容
技術問題本發明公開了一種基于索力監測的索結構健康監測方法，在索結構支 座出現位移的情況下、在有較多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結構的健康狀態(包括所有支座位移、所有松弛索和受損索的位置、 及其松弛程度或損傷程度)。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。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。設索的數量和支座位移分量的數量之和為N。為敘述方便起見，本發明統一稱被評 估的索和支座位移為“被評估對象”，給被評估對象連續編號，該編號在后續步驟中將用于 生成向量和矩陣。本發明用用變量i表示這一編號，i = 1，2，3，...，N，因此可以說有N個 被評估對象。
設索系統中共有Q根支承索，結構索力數據包括這Q根支承索的索力，顯然Q小于 被評估對象的數量N。僅僅通過Q個支承索的Q個索力數據來求解未知的N個被評估對象 的狀態是不可能的，本發明在監測全部Q根支承索索力的基礎上，增加對不少于(N-Q)個其 他被監測量。增加的不少于(N-Q)個的其他被監測量仍然是索力，敘述如下在結構上人為增加M2 (M2不小于N-Q)根索，新增加的M2根索的剛度同索結構的任意一根支承索的剛度相比，可以小很多，例如小10倍，新增加的M2根索的索力應當較小，例 如其橫截面正應力應當小于其疲勞極限，這些要求可以保證新增加的M2根索不會發生疲勞 損傷，新增加的M2根索的兩端應當充分錨固，保證不會出現松弛，新增加的M2根索應當得到 充分的防腐蝕保護，保證新增加的M2根索不會發生損傷和松弛，在結構健康監測過程中將 監測這新增加的M2根索的索力。綜合上述被監測量，整個結構共有M(M = Q+M2)根索的M個被監測量，M不得小于 被評估對象的數量N。為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”。給M 個被監測量連續編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣。本發明由兩大部分組成。分別是一、建立用于識別支座位移、受損索和松弛索的 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)、基于被監測量等量的監 測的、識別索結構的支座位移、受損索和松弛索的方法。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結構支座位移、受損索和松弛索的健康監測 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、識別索結構的支座位移、受損索和松弛索的方法。可按如下方法 進行，以獲得更準確的索結構的健康狀態評估。第一步首先建立索結構初始健康狀態向量d。、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)。索結構“初始健康狀態向量記為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)的健康狀態。d。= [Clol 屯…Cloi···(!。N]T (1)式(1)中Ui = 1,2,3,.......，N)表示A。中的索結構的第i個被評估對象的
初始健康狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉桿)，那么cU表示其初始損 傷，doi為0時表示無損傷，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時 表示喪失相應比例的承載能力，如果經無損檢測查明該索沒有損傷，那么Cltji表示該索與Cltji 損傷值力學等效的松弛，具體松弛量的計算方法在后面說明；如果該被評估對象是一個支 座的一個位移分量，那么Cltji表示其初始位移數值。式(1)中T表示向量的轉置(后同)。建立索結構初始健康狀態向量(依據式(1)記為d。)時，利用索結構完工之時或 健康監測系統開始工作之時的索結構的支座坐標的實測數據和設計圖、竣工圖確定索結構 初始健康狀態向量d。的對應于支座位移的各元素數值；利用索的無損檢測數據等能夠表達 索的健康狀態的數據確定索結構初始健康狀態向量d。的對應于索的各元素數值；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。的對應于索的各元素數值取O。建立索結構的力學計算基準模型A。(例如有限元基準模型)的方法如下首先在索結構上增加M2 (M2不小于N-Q)根索，新增加的M2根索的剛度同結構的任意一根支承索的剛度相比，可以應當小很多，例如小10倍，在結構健康監測過程中將監測 這新增加的M2根索的索力。在結構健康監測系統開始工作前實測得到這新增加的M2根索 的索力。同時測量得到新增加的M2根索的幾何參數和力學參數，測量得到新增加的M2根索 的兩個在索結構上安裝端點的坐標。稱上述信息為新增加的M2根索的所有信息。新增加的M2根索的所有信息已知后，再建立A。。建立A。時，根據已知的新增加的 M2根索的所有信息，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。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(2))。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。<formula>formula see original document page 7</formula>
式(2)中CQj(j = 1，2，3，.......，M ;M彡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(3))。<formula>formula see original document page 7</formula>
式(3)中C」(j = 1，2，3，.......，M ;M彡N)是索結構中第j個被監測量的當前
值，該分量依據編號規則與對應于同一“被監測量”。第二步建立索結構被監測量單位變化矩陣Δ C的方法。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 N。每一次計算假設只有一個被評估對象在原健康狀態(用索結構初始健康狀態向量d。表 示)的基礎上再增加有單位損傷或單位位移(本發明稱為健康狀態有單位變化，或簡稱有 單位變化)，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增 加單位損傷(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位移分量，就假設該支座在該位移方向增加發生單位位移(例如10mm， 20mm, 30mm等為單位位移)，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示假設增加發 生單位損傷或單位位移的被評估對象的編號。用“單位損傷或單位位移向量Du”(如式(4) 所示)記錄所有的單位損傷或單位位移。每一次計算中出現單位損傷或單位位移的被評估 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 傷或單位位移時，可用式(5)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位移數值， 所得向量就是此條件下(以有單位損傷或單位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位移時，用δ C1表示被監測量變化向 量，定義見式(6)，式(6)為式(5)減去式(2)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N個被評估對象就有N個被監測量變化向量，由于有M個被監測 量，所以每個被監測量變化向量有M個元素，由這N個被監測量變化向量依次組成有MXN 個元素的被監測量單位變化矩陣Δ C，Δ C的定義如式(7)所示。Du= [Dul Dy. Dui…DJt(4)式(4)中單位損傷或單位位移向量Du的元素Dui (i = 1,2,3,.......，N)表示第
i個被評估對象的單位損傷或單位位移數值，向量Du中的各元素的數值可以相同也可以不 同。C;=[Q C;2 · · · C; · · · CimJ(5)式(5)中元素Ct/(i = 1,2,3,.......，N ;j = 1,2,3,.......，M ;M 彡 N)表示由
于第i個被評估對象有單位損傷或單位位移時，依據編號規則所對應的第j個被監測量的 當前計算量。SCi=ST-C0/DUI(6) <formula>formula see original document page 8</formula>式(7)中Δ Cjji (i = 1,2,3,.......，N ;j = 1,2,3,.......，M ;M 彡 N)表示僅由
于第i個被評估對象有單位變化(單位損傷或單位位移)而引起的、依據編號規則所對應 的第j個被監測量的計算當前數值的變化(代數值)。被監測量變化向量S Ci實際上是矩 陣AC中的一列，AC也可以用δ Ci定義，如式⑶中。Δ C = [ δ C1 δ C2... δ Ci... δ CN](8)式(8)中向量SCi(i = l，2，3，.......，N)表示由于第i個被評估對象有單位變化Dui而引起的、所有被監測量的相對數值變化。矩陣AC的列(下標i)的編號規則與前 面向量d。的元素的下標i的編號規則相同。第三步在索結構服役過程中，不斷實測獲得索結構被監測量的當前數據，組成索 結構“被監測量的當前(計算或實測)數值向量C”。第四步識別索結構的當前健康狀態(識別支座位移、受損索和松弛索)。具體過 程如下。被監測量當前數值向量C (計算或實測)同被監測量初始向量C。、被監測量單位變 化矩陣△(和被評估對象當前健康狀態向量d間的近似線性關系，如式(9)或式(10)所示。C = C。+ Δ C · dc(9)C-C0 = Δ C · 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)；索結構“被評估對象當前健康狀態向量d。”的 定義見式(12)。C = [C1 C2 …Cj-CJt(11)式(11)中元素Cj (j = 1,2,3,.......，M;M彡N)是索結構的、依據編號規則所對
應的編號為j的被監測量的當前數值。dc= [dcl dc2…dci…dcN]T (12)式(12)中cUG = 1，2，3，.......，N)是索結構第i個被評估對象的當前健康狀
態。向量d。的元素的下標i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 ( Δ 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“被評估對象當前健 康狀態向量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、負松弛或負支座沉降，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支座位移、確定受損索的位置及其損傷程度、確定松弛索 的位置及其松弛程度)成為一個合理的解決方法，可用式(14)來表達這一方法。abs ( Δ C · dc_C+C0)彡 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...gj"..gM]T (15)式(15)中gj(j = 1,2,3,.......，Μ)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)、“索結構被監測量單位變化 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“被評估對象當前健康狀態向量d。”的可接受的解，然后“當前實際健康狀態向量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“當前實際健康狀態向量d”，當前實際健康狀態向量d表達了計入初 始健康狀態的索結構的實際健康狀態。
<formula>formula see original document page 10</formula>
式(16)中dji = 1，2，3，.......，N)表示索結構的第i個被評估對象的當前實
際健康狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉桿)，那么屯表示其當前實際損 傷，屯為0時表示無損傷，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時表 示喪失相應比例的承載能力；確定受損索之后對所有的受損索進行無損檢測，經無損檢測 查明該索沒有損傷，那么屯表示該索與屯損傷值力學等效的松弛，由此就確定了松弛索，具 體松弛量的計算方法在下面說明；如果該被評估對象是一個支座的一個位移分量，那么屯 表示其當前位移數值。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。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(17)中‘(i = 1，2，3，.......，N)是向量d。的第j個元素，dcj是向量dj勺
第j個元素。下面敘述得到了索結構當前實際健康狀態向量d后，如何確定松弛索的位置和松 弛程度。已知索系統中共有Q根支承索，結構索力數據由Q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。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(18)中F。(k= 1,2,3,.......，Q)是索結構中第k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。。依據定義，向量C。包括了向量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))。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(19)中Fk(k= 1,2,3,.......，Q)是索結構中第k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))。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(20)中l。k(k= 1，2，3，.......，Q)是索結構中第k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1”表示索結構中所有支承索的當前自由長度 (定義見式(21))。<formula>formula see original document page 10</formula>
式(21)中lk(k= 1,2,3,.......，Q)是索結構中第k根支承索的當前自由長度。
本發明中，用“自由長度改變向量Δ 1”(或稱支承索當前松弛程度向量)表示索 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))。<formula>formula see original document page 11</formula>式(22)中Alk(k= 1,2,3,.......，Q)是索結構中第k根支承索的自由長度的
改變量，其定義見式(23)，Alk不為0的索為松弛索，Alk的數值為索的松弛量，并表示索 系統第k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 11</formula>向量F。、cf、Fk、l。、l、Δ 1的編號規則相同。確定松弛索之后，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，同編號為k的支承索(其當前松弛程度用八込定義，對應于向量？。』、 Fk、l。、l、Δ 1的第k個元素)進行等效的受損的支承索的當前實際健康狀態用cfk表示(cfk 是支承索當前實際健康狀態向量cf的第k個元素)。松弛的第k個支承索的當前松弛程度 Alk(Alk的定義見式(22))同等效的受損索的當前實際健康狀態cfk之間的關系由前述兩 項力學等效條件確定。△ Ik同cfk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。 [。_ (24)
<formula>formula see original document page 11</formula>式(24)和式(25)中Ek是該支承索的彈性模量，Ak是該支承索的橫截面面積，Fk是 該支承索的當前索力，d\是該支承索的當前實際健康狀態，是該支承索的單位長度的重 量，Ikx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△ 1。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.為敘述方便起見，本發明統一稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座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；本發明用變量i表示這一編號，i = 1,2,3,...,N；b.設索系統中共有Q根支承索，結構索力數據包括這Q根支承索的索力，顯然Q小 于被評估對象的數量N;僅僅通過Q個支承索的Q個索力數據來求解未知的N個被評估對象 的狀態是不可能的，本發明在監測全部Q根支承索索力的基礎上，在結構上人為增加M2根 索，在結構健康監測過程中將監測這新增加的M2根索的索力；綜合上述被監測量，整個結構 共有M根索的M個索力被監測，即有M個被監測量，其中M為Q與M2之和；M不得小于被評 估對象的數量N;新增加的M2根索的剛度同索結構的任意一根支承索的剛度相比，應當小 得多；新增加的M2根索的索力應當比索結構的任意一根支承索的索力小得多，這樣可以保 證即使這新增加的M2根索出現了損傷或松弛，對索結構其他構件的應力、應變、變形的影響 微乎其微；新增加的M2根索的橫截面上正應力應當小于其疲勞極限，這些要求可以保證新 增加的M2根索不會發生疲勞損傷；新增加的M2根索的兩端應當充分錨固，保證不會出現松 弛；新增加的M2根索應當得到充分的防腐蝕保護，保證新增加的M2根索不會發生損傷和松 弛；為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”；給M個被 監測量連續編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；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健康狀態向 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d。的各元 素數值取0。d.在建立初始健康狀態向量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.在建立初始健康狀態向量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.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 索結構支座坐標數據建立索結構的力學計算基準模型A。；g.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;h.在結構健康監測過程中，對新增加的M2根索進行無損檢測，從中鑒別出出現損 傷或松弛的索；i.依據被監測量編號規則，從被監測量初始向量C。中去除步驟h中鑒別出的出現 損傷或松弛的索對應的元素；j.依據被監測量編號規則，從索結構被監測量單位變化矩陣AC中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的行；k.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”;然后從 被監測量的當前數值向量C中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的元素；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；1.定義待求的被評估對象當前健康狀態向量d。和當前實際健康狀態向量d ；向量 d。、d。和d的元素個數等于被評估對象的數量，d。、d。和d的元素和被評估對象之間是一一 對應關系，d。、d。和d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或位移、或與松弛程度力 學等效的損傷程度；m.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。”、“索結構 被監測量單位變化矩陣△ C”和“被評估對象當前健康狀態向量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 估對象當前健康狀態向量d。；C = C0+ Δ C · dc式 1η.利用式2表達的當前實際健康狀態向量d的元素Clj同初始健康狀態向量d。的 元素d。」和被評估對象當前健康狀態向量d。的元素d。」間的關系，計算得到當前實際健康狀 態向量d的所有元素。Cli = l-(l-doi) (l-dci)式 2式2中 i = 1,2,3,……，N;由于當前實際健康狀態向量d的元素數值代表對應被評估對象的當前實際健康 狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索，那么該元素表示其當前實際損傷，如果該被 評估對象是一個支座的一個位移分量，那么該元素表示其當前位移數值；當前實際健康狀 態向量d的元素數值為0時，表示對應的支承索無損傷無松弛、或對應的支座位移分量為0， 不為0的元素對應于有問題的支承索或有位移的支座；由此確定了有問題的支承索，確定 了支座位移；O.從步驟η中識別出的有問題的支承索中通過無損檢測方法鑒別出受損索，剩下 的就是松弛索；P.從當前實際健康狀態向量d中取出支承索對應的元素組成支承索當前實際健 康狀態向量d%支承索當前實際健康狀態向量cf有Q個元素，表示Q根支承索的當前實際 損傷值，cf元素的編號規則與向量F0的編號規則相同，即cf和F0相同編號的元素表示相同 支承索的信息；q.利用在步驟ρ獲得的支承索當前實際健康狀態向量(f得到松弛索的當前實際 損傷程度，利用在步驟k獲得的當前索力向量F，利用在步驟k獲得的所有支承索的兩個支 承端點的空間坐標，利用在步驟e獲得的初始自由長度向量1。，利用在步驟e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；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，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△ C的具體方法為gl.在索結構的力學計算基準模型A。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在原健康狀態的基礎上再增加有單位損 傷或單位位移，為敘述方便本發明合稱單位損傷和單位位移為單位變化；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在原有健康狀態的基礎上再增加 單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移 方向在原有健康狀態的基礎上再增加發生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移， 其中i表示發生單位損傷或單位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；g2.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；g3.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。有益效果本發明公開的系統和方法在索結構支座出現位移的情況下、在有較多 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結構的健康狀態(包括所有 支座位移、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 方法對索結構的有效健康監測是非常有益的。
具體實施例方式本發明公開了一種能夠合理有效地監測索結構的支座位移、識別受損索松弛索的 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。在索結構支座出現位移、出現受損索、松弛索的情況下，本發明采用一種算法，該 算法用于監測索結構的健康狀態(包括識別支座位移、受損索、松弛索)。具體實施時，下列 步驟是可采取的各種步驟中的一種。第一步為敘述方便起見，本發明統一稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座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；本發明用變量i表示這一編號，i = 1,2,3,...,N0 設索系統中共有Q根支承索，結構索力數據包括這Q根支承索的索力，顯然Q小于被評估對象的數量N。僅僅通過Q個支承索的Q個索力數據來求解未知的N個被評估對象 的狀態是不可能的，本發明在監測全部Q根支承索索力的基礎上，增加對不少于(N-Q)個其 他被監測量。增加的不少于(N-Q)個的其他被監測量仍然是索力，敘述如下 在結構上人為增加M2 (M2不小于N-Q)根索，新增加的M2根索的剛度同索結構的任 意一根支承索的抗拉剛度相比，可以小很多，例如小10倍；新增加的M2根索的索力應當比 索結構的任意一根支承索的索力小得多，這樣可以保證即使這新增加的M2根索出現了損傷 或松弛，對索結構其他構件的應力、應變、變形的影響微乎其微；新增加的M2根索的橫截面 上正應力應當小于其疲勞極限，例如只有疲勞極限的二分之一，這些要求可以保證新增加 的M2根索不會發生疲勞損傷；新增加的M2根索的兩端應當充分錨固，保證不會出現松弛； 新增加的M2根索應當得到充分的防腐蝕保護，保證新增加的M2根索不會發生損傷和松弛； 還可以采用多增加索的方式來保證健康監測的可靠性，例如使M2不小于N-Q的2倍，在結 構健康監測過程中只挑選其中的完好的索的索力數據(稱為實際可以使用的被監測量，記 錄其數量為K，K不得小于N)和對應的索結構被監測量單位變化矩陣AC進行健康狀態評 估，由于M2不小于N-Q的2倍，可以保證實際可以使用的；在結構健康監測過程中將監測這 新增加的M2根索的索力。新增加的M2根索應當安裝在結構上、人員易于到達的部位，便于 人員對其進行無損檢測。綜合上述被監測量，整個結構共有M(M = Q+M2)根索的M個被監測量，M不得小于 被評估對象的數量N。給M個被監測量連續編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩 陣。為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”。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健康狀 態向量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。第三步在建立初始健康狀態向量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“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。第四步在建立初始健康狀態向量d。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。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% ’A0是不變的；A。對應的索結構的健康狀態由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 測到索結構健康狀態有變化時，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健康監測系統軟件。該軟件將 完成本發明“一種基于索力監測的索結構健康監測方法”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結構健康情況報表，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△(;具體方法為在索結構的力學計算基準模型A。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在原 健康狀態(用索結構初始健康狀態向量d。表示)的基礎上再增加有單位損傷或單位位移， 為敘述方便本發明合稱單位損傷和單位位移為單位變化，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在原有健康狀態的基礎上再增加單位損傷，如 果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移方向在原有健 康狀態的基礎上再增加發生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示發 生單位損傷或單位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(當假設第i個被監測量有單位損傷或單位位移 時，可用被監測量計算當前向量C/表示)；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；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。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被評估對象的相關信息。第八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。”、“索結構被監測量單位變化矩陣AC”)，在第七步進行每一次計算的同時， 即在每一次計算假設只有一個被評估對象在原健康狀態d。的基礎上再增加有單位損傷或單位位移，計算得到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位移時，用被監測量計算當前向量Cti表示)的同時，每一次計算組成一個“健康狀態向 量dt”，健康狀態向量dt的元素個數等于被評估對象的數量，健康狀態向量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單位變化的被評估對象的單位變化值，dt的 其它元素的數值取O ;(/、(；、屯的編號規則相同，也與AC的行的編號規則相同；將Cti、C。、 AC、dt帶入式(13)(需注意的，式(13)中C用C 帶入，d。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個被評估對象就有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。第九步將“初始索力向量F。”、“被監測量的初始數值向量C。”、“初始自由長度向 量1。”、“索結構被監測量單位變化矩陣△ C”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。第十步對新增加的M2根索進行無損檢測，例如超聲波探傷、目視檢查、紅外成像 檢查，從中鑒別出出現損傷或松弛的索。第十一步依據被監測量編號規則，從被監測量初始向量C。中去除第十步中鑒別 出的出現損傷或松弛的索對應的元素；依據被監測量編號規則，從索結構被監測量單位變 化矩陣△(中去除第十步中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的行；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，然后從被監測量的當前 數值向量C中去除第十步中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的元素；依據被監測量編號 規則，從向量g中去除第十步中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的元素。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。第十二步依據“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。”、“索結構被監測量單位變化矩陣△ C”和“被評估對象當前健康狀態向量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被評估對象當前健康 狀態向量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 Attanment 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被評估對象當前健康狀態向量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(26)和式(27)所示的多目標優化問題，式 (26)中γ是一個實數，R是實數域，空間區域Ω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。的對應于支承索每一個元素不小于0，不大于1 ；對應于支座位移的 每一個元素根據支座約束范圍選定，例如安置在橋墩上的橋塔支座不應發生大于2米的位 移)。式(26)的意思是尋找一個絕對值最小的實數Y，使得式(27)得到滿足。式(27)中G(dc)由式(28)定義，式(27)中加權向量W與Y的積表示式(27)中G(d。)與向量g之間 允許的偏差，g的定義參見式(15)，其值在第八步計算得到。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 γ(26)y e R, dc e ΩG(dc)-ffY ^ g(27)G (dc) = abs ( Δ C · dc_C+C。) (28)求得被評估對象當前健康狀態向量d。后，可依據式(17)得到的當前實際健康狀 態向量d每一個元素，當前實際健康狀態向量d就是帶有合理誤差、但可以比較準確地識別 有問題的索(可能是受損也可能是松弛)、可以比較準確地確定所有支座位移的解。若解得 的當前實際健康狀態向量d的每一個元素對應于一個被評估對象的健康狀態，如果該被評 估對象是索系統中的一根索(或拉桿)，那么該元素的數值表示其當前損傷或松弛，如果該 被評估對象是一個支座的一個位移分量，那么該元素的數值表示其當前位移數值。第十三步識別受損索和松弛索。由于當前實際健康狀態向量d的元素數值代表 對應被評估對象的當前實際健康狀態，如果d的一個元素Cli對應于索系統中的一根索(或 拉桿)，那么Cli表示其當前可能的實際損傷，Cli為0時表示無損傷，為100%時表示該索徹 底喪失承載能力，介于0與100%之間時表示喪失相應比例的承載能力，但這根索究竟是發 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Cli數值不為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)。這樣就實現了受 損索識別和松弛索識別。第十四步識別支座位移。當前實際健康狀態向量d的對應于支座位移的元素數 值就是支座位移量。第十五步健康監測系統中的計算機定期自動或由人員操作健康監測系統生成索 系統健康情況報表。第十六步在指定條件下，健康監測系統中的計算機自動操作通信報警設備向監控人員、業主和(或)指定的人員報警。
權利要求
一種基于索力監測的索結構健康監測方法，其特征在于所述方法包括a.稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座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；本發明用變量i表示這一編號，i＝1，2，3，...，N；b.設索系統中共有Q根支承索，結構索力數據包括這Q根支承索的索力，顯然Q小于被評估對象的數量N；僅僅通過Q個支承索的Q個索力數據來求解未知的N個被評估對象的狀態是不可能的，在監測全部Q根支承索索力的基礎上，在結構上人為增加M2根索，在結構健康監測過程中將監測這新增加的M2根索的索力；綜合上述被監測量，整個結構共有M根索的M個索力被監測，即有M個被監測量，其中M為Q與M2之和；M不得小于被評估對象的數量N；新增加的M2根索的剛度同索結構的任意一根支承索的剛度相比，應當小得多；新增加的M2根索的索力應當比索結構的任意一根支承索的索力小得多，這樣可以保證即使這新增加的M2根索出現了損傷或松弛，對索結構其他構件的應力、應變、變形的影響微乎其微；新增加的M2根索的橫截面上正應力應當小于其疲勞極限，這些要求可以保證新增加的M2根索不會發生疲勞損傷；新增加的M2根索的兩端應當充分錨固，保證不會出現松弛；新增加的M2根索應當得到充分的防腐蝕保護，保證新增加的M2根索不會發生損傷和松弛；將“結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”；給M個被監測量連續編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；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健康狀態向量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do的各元素數值取0。d.在建立初始健康狀態向量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.在建立初始健康狀態向量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.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坐標數據建立索結構的力學計算基準模型Ao；g.在力學計算基準模型Ao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ΔC；h.在結構健康監測過程中，對新增加的M2根索進行無損檢測，從中鑒別出出現損傷或松弛的索；i.依據被監測量編號規則，從被監測量初始向量Co中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的元素； j.依據被監測量編號規則，從索結構被監測量單位變化矩陣ΔC中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的行；k.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”；然后從被監測量的當前數值向量C中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的元素；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；l.定義待求的被評估對象當前健康狀態向量dc和當前實際健康狀態向量d；向量do、dc和d的元素個數等于被評估對象的數量，do、dc和d的元素和被評估對象之間是一一對應關系，do、dc和d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或位移、或與松弛程度力學等效的損傷程度；m.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”、“索結構被監測量單位變化矩陣ΔC”和“被評估對象當前健康狀態向量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就可以算出被評估對象當前健康狀態向量dc；C＝Co+ΔC·dc式1n.利用式2表達的當前實際健康狀態向量d的元素dj同初始健康狀態向量do的元素doj和被評估對象當前健康狀態向量dc的元素dcj間的關系，計算得到當前實際健康狀態向量d的所有元素。di＝1-(1-doi)(1-dci)式2式2中i＝1，2，3，……，N；由于當前實際健康狀態向量d的元素數值代表對應被評估對象的當前實際健康狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索，那么該元素表示其當前實際損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個位移分量，那么該元素表示其當前位移數值；當前實際健康狀態向量d的元素數值為0時，表示對應的支承索無損傷無松弛、或對應的支座位移分量為0，不為0的元素對應于有問題的支承索或有位移的支座；由此確定了有問題的支承索，確定了支座位移；o.從步驟n中識別出的有問題的支承索中通過無損檢測方法鑒別出受損索，剩下的就是松弛索；p.從當前實際健康狀態向量d中取出支承索對應的元素組成支承索當前實際健康狀態向量dc，支承索當前實際健康狀態向量dc有Q個元素，表示Q根支承索的當前實際損傷值，dc元素的編號規則與向量Fo的編號規則相同，即dc和Fo相同編號的元素表示相同支承索的信息；q.利用在步驟p獲得的支承索當前實際健康狀態向量dc得到松弛索的當前實際損傷程度，利用在步驟k獲得的當前索力向量F，利用在步驟k獲得的所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，利用在步驟e獲得的初始自由長度向量lo，利用在步驟e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；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所述的一種基于索力監測的索結構健康監測方法，其特征在于在步 驟g中，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的具體方法為gl.在索結構的力學計算基準模型A。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在原健康狀態的基礎上再增加有單位損傷或 單位位移，為敘述方便本發明合稱單位損傷和單位位移為單位變化；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在原有健康狀態的基礎上再增加單位 損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移方向 在原有健康狀態的基礎上再增加發生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中 i表示發生單位損傷或單位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 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；g2.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；g3.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
一種基于索力監測的索結構健康監測方法，該方法基于索力監測，即對全部支承索和人為增加的索的索力進行監測，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健康狀態向量間存在的近似線性關系，可以識別出索結構的健康狀態的變化，即識別出支座位移、受損索和松弛索。
文檔編號G01M99/00GK101806668SQ20101014011
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者張居鎖, 韓玉林 申請人:東南大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
