專利名稱：基于角度監測的識別受損索松弛索支座角位移的遞進方法
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角位移(例如支座繞坐標軸x、Y、z的轉動，實際上就是支座繞坐標軸Χ、Υ、Ζ的角位移)，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，基于角度監測、采用遞進式方法來識別支座角位移、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：
支座角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角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。當支座出現角位移時、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、包含了支座角位移信息，也就是說可以利用結構的可測量參數來識別支座角位移、受損索和松弛索。為了能對索結構的索系統的健康狀態和支座角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角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角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角度監測的、采用遞進式方法的、能夠合理有效地識別支座角位移、受損索和松弛索的健康監測方法。技術方案設索的數量和支座角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角位移為“被評估對象”，給被評估對象連續編號，本發明用用變量J·表示這一編號，J‘=l，2，3，···，見因此可以說有#個被評估對象。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
5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，但索結構支座有了角位移，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。本發明由兩大部分組成。分別是一、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；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被評估對象健康監測的知識庫和參量的方法。可按如下步驟依次循環往復地、遞進式進行
第一步每一次循環開始時，首先需要建立或已建立本次循環開始時的被評估對象初始健康狀態向量i//(i=l，2，3，…)、建立索結構的初始力學計算基準模型Α。(例如有限元基準模型，在本發明中A。是不變的)、建立索結構的力學計算基準模型Ai (例如有限元基準模型，i=l，2，3，…)。字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，在本發明中字母i僅表示循環次數，即第i次循環。第i次循環開始時需要的索結構“初始健康狀態向量dj” (如式(1)所示)，用dj 表示第i次循環開始時索結構(用力學計算基準模型Ai表示)的索結構的初始健康狀態。之2 · · 4. · · · d^J(1)
式(1)中Clioj (i=l, 2，3，···,· j =1, 2，3，…….，H)表示第i次循環開始時、力學計算基準模型Ai中的索系統的第j個被評估對象的當前健康狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉桿)，那么式表示其當前損傷，式為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，如果該被評估對象是一個支座的一個角位移分量，那么式表示其當前角位移數值。式(1)中Γ表示向量的轉置(后同)。第一次循環開始時建立初始健康狀態向量(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以及支座角位移測量建立被評估對象初始健康狀態向量<>。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，向量的中與索相關的各元素數值取0。第i次(i=2，3，4，5，6…)循環開始時需要的被評估對象初始健康狀態向量 Wij，是在前一次(即第i-Ι次，i=2，3，4，5，6···)循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。第i次循環開始時需要建立的力學計算基準模型或已建立的力學計算基準模型記為A、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、索結構支座角坐標數據、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
6數據、索結構支座角坐標數據、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。A。是不變的，只在第一次循環開始時建立。第一次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為A1，A1就等于A。。A1對應的被評估對象的健康狀態由d1。描述。第i次(i=2，3，4，5，6…)循環開始時需要的力學計算基準模型Ai,是在前一次(即第i-Ι次，i=2，3，4，5，6…)循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。已有力學計算基準模型A1和被評估對象初始健康狀態向量 < 后，模型A1中的各被評估對象的健康狀態由向量表達。在A1的基礎上，將所有被評估對象的健康狀態數值變更為0，力學模型A1更新為一個所有被評估對象的健康狀態都為0的力學模型(記為A°)， 力學模型A°實際上是完好無損無支座角位移的索結構對應的力學模型。不妨稱模型A°為索結構的無損傷無支座角位移模型A°。“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。#和#不得小于見為方便起見，在本發明中將“結構的被監測的角度數據”簡稱為“被監測量”。在后面提到“被監測量的某某矩陣或某某向量”時，也可讀成“被監測的角度的某某矩陣或某某
向量”。本發明中用被監測量初始數值向量CV’(i=l，2，3，···)表示第i次(i=l，2，3， 4，5，6…)循環開始時所有指定的被監測量的初始值(參見式(2))，的全稱為“第i次循環被監測量的初始數值向量”。CigC^3 · · * · C^jr(2)
式(2)中C^(i=l，2，3，…汝=1，2，3，···.，M; M^N;)是第i次循環開始時、索結構中第A個被監測量。向量是由前面定義的#個被監測量依據一定順序排列而成，對此排列順序并無特殊要求，只要求后面所有相關向量也按此順序排列數據即可。第一次循環開始時，“第1次循環被監測量的初始數值向量C/’(見式(2))由實測數據組成，由于根據模型A1計算所得被監測量的初始數值可靠地接近于相對應的實測數值，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計算值組成向量和實測值組成向量。第i次(i=2，3，4，5，6…)循環開始時需要的“第i次循環被監測量的初始數值向量〈”，是在前一次(即第i-Ι次，i=2，3，4，5，6…)循環結束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。第二步每一次循環需建立“單位損傷被監測量數值變化矩陣”和“名義單位損傷向量”，第i次循環建立的“單位損傷被監測量數值變化矩陣”記為」廣'，第i次循環建立的 “名義單位損傷向量”記為V ，i=l，2，3，···。第一次循環建立的索結構“單位損傷被監測量數值變化矩陣”記為」夕。建立」夕的過程如下
在索結構的力學計算基準模型A1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，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角位移分量，就假設該支座在該角位移方向發生單位角位移(例如取十萬分之一弧度、十萬分之二弧度、十萬分之三弧度等為單位角位移)。為敘述方便，本發明將假定的支承索的損傷和支座角位移統稱為單位損傷。為方便計算，每一次循環中設定單位損傷時可以都是把該次循環開始時的結構健康狀態當成是完全健康的，并在此基礎上設定單位損傷(在后續步驟中、計算出的、被評估對象的健康狀態數值一稱為名義健康狀態向量(i=l, 2，3，…)，都是相對于將該次循環開始時的、 將索結構的健康狀態當成是完全健康而言的，因此必須依據后文給出的公式將計算出的名義健康狀態數值換算成真實健康狀態數值)。同一次循環的每一次計算中出現單位損傷的被評估對象不同于其它次計算中出現單位損傷的被評估對象，并且每一次假定有單位損傷的被評估對象的單位損傷值可以不同于其他被評估對象的單位損傷值，用“名義單位損傷向量眾 ”(如式(3)所示)記錄各次循環中所有被評估對象的假定的單位損傷，第一次循環時記為爐 。每一次計算都利用力學方法(例如有限元法)計算索結構的、在前面已指定的# 個被監測量的當前計算值，每一次計算所得I個被監測量的當前計算值組成一個“被監測量的計算當前數值向量”(當假設第J個被評估對象有單位損傷時，可用式(4)表示所有指定的#個被監測量的計算當前數值向量C^.);每一次計算得到的被監測量的計算當前數值向量減去被監測量的初始數值向量ty所得向量就是此條件下(以有單位損傷的被評估對象的編號為標記)的“被監測量的數值變化向量”(當第J·個被評估對象有單位損傷時，用 SC^表示被監測量的數值變化向量，的定義見式(5)、式(6)和式(7)，式(5)為式(4) 減去式(2)后再除以向量爐 的第J個元素所得)，被監測量的數值變化向量的每一元素表示由于計算時假定有單位損傷的那個被評估對象(例如第J個被評估對象)有單位損傷(例如^7.)，而引起的該元素所對應的被監測量的數值改變量相對于假定的單位損傷 Duj的變化率；有#個被評估對象就有#個“被監測量的數值變化向量”，每個被監測量的數值變化向量有I (一般的，I夕個元素，由這#個“被監測量的數值變化向量”依次組成有
個元素的“單位損傷被監測量數值變化矩陣」夕”(#行#列入每一個向量SC1jU=Y, 2，3，……·， ΛΟ是矩陣」夕的一列，」夕的定義如式(8)所示。
權利要求
1. 一種基于角度監測的識別受損索松弛索支座角位移的遞進方法，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角位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座角位移分量的數量之和為見即被評估對象的數量為# ；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J·表示這一編號，J‘=l，2，3，···，N-,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，在本發明中將“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c.利用被評估對象的無損檢測數據等能夠表達被評估對象的健康狀態的數據建立被評估對象初始健康狀態向量；如果沒有被評估對象的無損檢測數據時，向量^/^的各元素數值取0 ；向量的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；本發明用i表示循環次數，i=l, 2，3，……；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的初始健康狀態向量^ij可以具體化為cf0 ；d.在建立初始健康狀態向量的同時，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；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的被監測量的初始數值向量可以具體化為C10 ；在實測得到被監測量初始數值向量的同時， 實測得到索結構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標數據；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^ ；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厶；向量/^；和向量厶是不變的；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；e.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Ai ；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的索結構的力學計算基準模型Ai可以具體化為A1 ；f.在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣」Cf，，和“名義單位損傷向量D^ ；g.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”;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；實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量戶；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；h.定義當前名義健康狀態向量和當前實際健康狀態向量Ji,兩個損傷向量的元素個數等于被評估對象的數量，當前名義健康狀態向量的元素數值代表對應被評估對象的當前名義損傷程度或支座角位移，當前實際健康狀態向量J y的元素數值代表對應被評估對象的當前實際損傷程度或支座角位移，兩個損傷向量的元素的元素個數等于被評估對象的數量，兩個損傷向量的元素和被評估對象之間是一一對應關系，兩個損傷向量的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；i.依據“被監測量的當前數值向量夕”同“被監測量的初始數值向量 、“單位損傷被監測量數值變化矩陣」廣‘”和“當前名義健康狀態向量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< 外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義健康狀態向量;
2.根據權利要求1所述的基于角度監測的識別受損索松弛索支座角位移的遞進方法， 其特征在于在步驟f中，在力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣」廣‘”和“名義單位損傷向量眾 ”的具體方法為fl.在索結構的力學計算基準模型Ai的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于#;依據被評估對象的編號規則，依次進行計算；每一次計算假設只有一個被評估對象在原有損傷或角位移的基礎上再增加單位損傷或單位角位移，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角位移分量，就假設該支座在該角位移方向再增加單位角位移，每一次計算中再增加單位損傷或單位角位移的被評估對象不同于其它次計算中再增加單位損傷或單位角位移的被評估對象，用“名義單位損傷向量眾 ”記錄記錄所有假定的再增加的單位損傷或單位角位移，其中i表示第i次循環，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數值向量；f2.每一次計算得到的被監測量計算當前數值向量減去被監測量初始數值向量后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位角位移數值，得到一個被監測量變化向量，有#個被評估對象就有#個被監測量變化向量；f3.由這#個被監測量變化向量按照#個被評估對象的編號規則，依次組成有#列的索結構被監測量單位變化矩陣」夕。
全文摘要
基于角度監測的識別受損索松弛索支座角位移的遞進方法，考慮到了被監測量的當前數值向量同被監測量的初始數值向量、單位損傷被監測量變化矩陣和當前名義健康狀態向量間的線性關系是近似的，為克服此缺陷，本發明給出了使用線性關系分段逼近非線性關系的方法，將大區間分割成連續的一個個小區間，在每一個小區間內上述線性關系都是足夠準確的，在每一個小區間內可以利用多目標優化算法等合適的算法快速識別出支座角位移、受損索和松弛索。
文檔編號G01B21/32GK102297782SQ20111012274
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者關慶港, 韓玉林 申請人:東南大學