專利名稱：支座廣義位移時基于角度監測的識別松弛索的方法
技術領域：
在有支座廣義位移(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、γ、ζ軸的角坐標)時，本發明基于角度等量的監測來識別索支承結構(特別是大型索結構， 例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(指所有支承索)中的需調整索力的支承索，并給出具體的索長調整量，屬工程結構安全領域。
背景技術：
索系統通常是索結構(特別是大型索結構，例如大型斜拉橋、懸索橋)的關鍵組成部分，由于松弛等原因，新結構竣工一段時間后支承索的索力通常會發生變化，結構長期服役后其支承索的松弛也會引起支承索索力的變化，這些變化都將引起結構內力的變化，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需調整索力的支承索是非常必要的。支承索系統的健康狀態發生變化(例如發生松弛、損傷等)后，除了會引起索力的變化外，還會引起結構的其它可測量參數的變化，例如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)，實際上結構角度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角度數據判斷結構的健康狀態，可以基于角度監測(本發明將被監測的角度數據稱為“被監測量”，后面提到“被監測量”就是指被監測的角度數據)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。因此可以基于被監測量監測來識別需調整索力的索，這樣在支座廣義位移時，就必須有一個能夠合理有效的建立被監測量同所有索的特征參數間(具體根據索的特征參數來表征需調整索力的索)的關系的方法，基于該方法建立的需調整索力的支承索的識別結果才會更可信。
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中的、需調整索力的支承索的識別問題，公開了一種基于角度等量的監測的、能夠合理有效地識別需調整索力的支承索的結構健康監測方法。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，但索結構支座有了旋轉，也會引起結構內力的變化，當然也就會引起索力的變化。本發明的主要目的之一就是在支座廣義位移時，要識別出自由長度發生了變化的支承索，并識別出它們的自由長度的改變量，此改變量為該索的索力調整提供了直接依據。支承索自由長度發生變化的原因不是單一的，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。技術方案本發明由兩大部分組成。分別是一、建立用于識別索系統中的、需調整索力的支承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廣義位移的、基于被監測量等量的監測的、識別索結構的需調整索力的支承索的方法。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系統中的、需調整索力的支承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廣義位移的、 基于被監測量等量的監測的、識別索結構的需調整索力的支承索的方法?？砂慈缦路椒ㄟM行，以獲得更準確的索系統的健康狀態評估。第一步首先建立索系統初始虛擬損傷向量式(因為支承索實際上可能是松弛而沒有損傷，為表示區別，這里稱“虛擬損傷”，后同)、建立索結構的初始力學計算基準模型A0 (例如有限元基準模型，在本發明中A。是不變的)。設索系統中共有#根索，索系統“初始虛擬損傷向量記為之”(如式(1)所示)，用 d0表示索結構(用索結構的初始力學計算基準模型A。表示)的索系統的健康狀態。d0 = [^1 de2 · · · dej · · · d^J(1)
式(1)中doj U =1, 2，3，…….，N)表示Α。中的索系統的第J根索的初始虛擬損傷值，dOJ為Q時表示第根索無損傷無松弛，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于 0與100%之間時表示第J根索喪失相應比例的承載能力。式(1)中Γ表示向量的轉置(后同)。建立索系統初始虛擬損傷向量(依據式(1)記為時，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索系統初始虛擬損傷向量式。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d0的各元素數值取0。建立索結構的初始力學計算基準模型A0 (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A。是不變的。Attj是不斷更新的。 建立A。和Attj的方法如下
根據索結構竣工之時的索結構的設計圖、竣工圖和實測數據(包括索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據、索結構形狀數據、結構角度數據、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)，利用力學方法(例如有限元法)建立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。對應于A。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。A。和U0是不變的。“結構的全部被監測的角度數據”由結構上^個指定點的、過每個指定點的Z個指定直線的、每個指定直線的//個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、 所有指定直線的所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有#歷個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息。f和#不得小于支承索的數量見為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的角度數據”簡稱為“被監測量”。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(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。 式(1)中
權利要求
1. 一種支座廣義位移時基于角度監測的識別松弛索的方法，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.確定指定的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的被測量直線，給所有指定的被測量直線編號；確定每一被測量直線的被測量的角度坐標分量，給所有被測量角度坐標分量編號；上述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角度數據”由上述所有被測量角度坐標分量組成；為方便起見，將“結構的被監測的角度數據”簡稱為“被監測量”；測量點的數量不得小于索的數量；所有被測量角度坐標分量的數量之和不得小于索的數量；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虛擬損傷向量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d1。的各元素數值取0 ；d.在建立初始虛擬損傷向量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.在建立初始虛擬損傷向量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.建立索結構的初始力學計算基準模型A。，建立初始索結構支座廣義坐標向量U。，建立索結構當前力學計算基準模型Attj;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、索結構支座廣義坐標數據、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，以及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%;對應于A。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 ；A。和U0是不變的；為敘述方便，命名“索結構當前力學計算基準模型#?！?，在結構服役過程中Attj根據需要會不斷更新，開始時，Attj等于A。；同樣為敘述方便，命名“索結構實測支座廣義坐標向量卬”， 在結構服役過程中，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卬”，向量Ut的元素與向量U。相同位置的元素表示相同支座的相同方向的廣義坐標；為敘述方便起見，將上一次更新Attj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Uttj ；開始時，Attj等于A。，Ut0 等于U。 ’A0對應的索的健康狀態由d。描述；支座廣義坐標包括線量和角量兩種；g.健康監測系統開始工作時，令Attj等于A。；在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Ut,根據當前索結構實測支座廣義坐標向量Ut,在必要時更新索結構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Ut0 ；h.在索結構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虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣△ C和名義虛擬單位損傷向量Du ；i.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”;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，給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前和之后出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；j.定義待求的當前名義虛擬損傷向量d。和當前實際虛擬損傷向量d。損傷向量d。、cf 和d的元素個數等于索的數量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量的元素數值代表對應索的虛擬損傷程度或健康狀態；k.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。”、“虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣Δ C”和“當前名義虛擬損傷向量d?！遍g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就可以算出當前名義虛擬損傷向量d。；C = C0+ Δ C · dc式 11.利用式2表達的當前實際虛擬損傷向量d的元素dj同初始虛擬損傷向量d。的元素 dOJ和當前名義虛擬損傷向量d。的元素、間的關系，計算得到當前實際虛擬損傷向量d的所有元素，dj = l-(l-dOJ) (l-dCJ.)式 2式2中j = 1,2,3,……，N，由于當前實際虛擬損傷向量d的元素數值代表對應索的當前實際虛擬損傷程度，即實際松弛程度或實際損傷程度，當前實際虛擬損傷向量d中數值不為0的元素對應的支承索就是有問題的支承索，有問題的支承索可能是松弛索、也可能是受損索，其數值反應了松弛或損傷的程度；m.從第1步中識別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。η.利用在第1步獲得的當前實際虛擬損傷向量d得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第i步獲得的當前索力向量F，利用在第i步獲得的所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，利用在第e步獲得的初始自由長度向量1。，利用在第e步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、 與當前實際虛擬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和損傷識別，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所述的支座廣義位移時基于角度監測的識別松弛索的方法，其特征在于在步驟g中，根據當前索結構實測支座廣義坐標向量Ut,在必要時更新索結構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Ut0的具體方法為gl.實測得到當前索結構實測支座廣義坐標向量Ut后，比較Ut和Ut0,如果Ut等于Ut0, 則不需要對Attj進行更新；g2.實測得到當前索結構實測支座廣義坐標向量Ut后，比較Ut和Ut0,如果Ut不等于 Ut0,則需要對At0進行更新，更新方法是先計算Ut與U0的差，Ut與U0的差就是當前索結構支座關于在建立A。時的索結構支座的當前支座廣義位移，用當前支座廣義位移向量V表示支座廣義位移，當前支座廣義位移向量V中的元素與支座廣義位移分量之間是一一對應關系，當前支座廣義位移向量V中一個元素的數值對應于一個指定支座的一個指定方向的旋轉，其中支座廣義位移在重力方向的分量就是支座廣義位移量；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當前支座廣義位移向量V中對應元素的數值，對A。中的索結構支座施加當前支座廣義位移約束后， 最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型#。，更新Attj的同時，Uttj所有元素數值也用 Ut所有元素數值代替，即更新了 U。這樣就得到了正確地對應于At0的U。
3.根據權利要求1所述的支座廣義位移時基于角度監測的識別松弛索的方法，其特征在于在步驟h中，在索結構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虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣△ C和名義虛擬單位損傷向量DuW 具體方法為hi.健康監測系統第一次開始工作時，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構虛擬單位損傷被監測量變化矩陣Δ C和名義虛擬單位損傷向量Du ；以后，如果步驟g中對At0 進行了更新，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構虛擬單位損傷被監測量變化矩陣Δ C和名義虛擬單位損傷向量Du，如果在步驟g中沒有對At0進行更新，則在此處直接轉入步驟i進行后續工作；h2.在索結構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N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎上再增加虛擬單位損傷，每一次計算中出現虛擬單位損傷的索不同于其它次計算中出現虛擬單位損傷的索，并且每一次假定有虛擬單位損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用“名義虛擬單位損傷向量Du”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到所有被監測量的當前數值，每一次計算得到的所有被監測量的當前數值組成一個“被監測量的計算當前數值向量”；當假設第j根索有單位損傷時，可用k表示對應的“被監測量的當前計算數值向量Ct/’，在本步驟中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對象的相關信息；h3.每一次計算得到的那個“被監測量的當前計算數值向量Ct/減去“被監測量的初始數值向量C。”得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的虛擬單位損傷值后得到一個“被監測量的數值變化向量”；有N根索就有N個“被監測量的數值變化向量，，;h4.由這N個“被監測量的數值變化向量”依次組成有N列的“虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣△ C”； “虛擬單位損傷被監測量數值變化矩陣AC”的每一列對應于一個“被監測量的數值變化向量”；“虛擬單位損傷被監測量變化矩陣”的列的編號規則與當前名義虛擬損傷向量d。和當前實際虛擬損傷向量d的元素編號規則相同。
全文摘要
支座廣義位移時基于角度監測的識別松弛索的方法基于角度監測、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。依據應變當前向量同應變初始向量、虛擬單位損傷應變變化矩陣和當前虛擬損傷向量間的近似線性關系，可計算識別出虛擬受損索，在使用無損檢測方法鑒別出真實受損索后，剩下的虛擬受損索就是松弛索即需調整索力的索，依據松弛程度同虛擬損傷程度間的關系就可確定需調整的索長。
文檔編號G01M99/00GK102323091SQ201110143128
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
