專利名稱：有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)明將該類結(jié)構(gòu)表述為“索結(jié)構(gòu)”。在有支座沉降時，本發(fā)明 基于混合監(jiān)測來識別索結(jié)構(gòu)的支承系統(tǒng)(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(jié)構(gòu)的全部支承部件統(tǒng)一稱為“索系統(tǒng)”，但實際上 索系統(tǒng)不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)中的受損索(對桁架結(jié)構(gòu)就是指 受損的僅承受拉伸載荷的桿件)，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它的失效常常帶來整個結(jié)構(gòu)的失效，基于 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)來識別索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索(如前所述也指僅承受拉伸載荷的 桿件)是一種極具潛力的方法。索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化后，會引起結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù) 的變化，例如會引起索力的變化，會影響索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變，會影響索結(jié)構(gòu)的形狀或空間 坐標(biāo)，會引起過索結(jié)構(gòu)的每一點的任意假想直線的角度坐標(biāo)的變化(例如結(jié)構(gòu)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(biāo)的變化，或者結(jié)構(gòu)表面任意一點的法線 的角度坐標(biāo)的變化)，所有的這些變化都包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，因此可以通過對這 些不同類型的結(jié)構(gòu)的特征參量的變化的混合監(jiān)測來判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，本發(fā)明將所有被 監(jiān)測的結(jié)構(gòu)特征參量統(tǒng)稱為“被監(jiān)測量”，由于此時被監(jiān)測量是由結(jié)構(gòu)的不同類型的可測量 參數(shù)混合組成，本發(fā)明稱此為混合監(jiān)測，被監(jiān)測量除了受索系統(tǒng)健康狀態(tài)的影響外，還會受 索結(jié)構(gòu)支座沉降(常常會發(fā)生)的影響，目前還沒有一種公開的、有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)和方 法解決了此問題。在有支座沉降時，為了能對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測和判斷，必 須有一個能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測量的變化同索系統(tǒng)中所有索的健康狀況間 的關(guān)系的方法，基于該方法建立的健康監(jiān)測系統(tǒng)可以給出更可信的索系統(tǒng)的健康評估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是在索結(jié)構(gòu)支座有沉降時，針對索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康 監(jiān)測問題，公開了一種有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法。技術(shù)方案本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識 庫和參量的方法、基于知識庫(含參量)和基于對多類參量的混合監(jiān)測及實測索結(jié)構(gòu)支座 坐標(biāo)的索系統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法、健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。本發(fā)明的第一部分建立用于索系統(tǒng)健康監(jiān)測的知識庫和參量的方法。具體如 下1.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。(例如有限元基準(zhǔn)模型)和當(dāng)前力學(xué)計 算基準(zhǔn)模型Attj(例如有限元基準(zhǔn)模型)的方法。在本發(fā)明中A。是不變的。Attj是不斷更新的。建立Α。、建立和更新Attj的方法如下。建立A。時，根據(jù)索結(jié)構(gòu)完工之時的索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)(包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、懸索 橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)、索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康 狀態(tài)的數(shù)據(jù))和設(shè)計圖、竣工圖，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立A。；如果沒有索結(jié)構(gòu) 完工之時的結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對結(jié)構(gòu)進行實測，得到索結(jié)構(gòu) 的實測數(shù)據(jù)(包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié) 構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)、 索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù))，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工 圖，利用力學(xué)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(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)(對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))必須非 常接近其實測數(shù)據(jù)，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(yīng)變計算數(shù)據(jù)、索力計算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀計算數(shù)據(jù)和位移計算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)角度數(shù)據(jù)等， 可靠地接近所模擬情況真實發(fā)生時的實測數(shù)據(jù)。對應(yīng)于A。的索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初 始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U。。在索結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)(所有數(shù)據(jù)組成當(dāng) 前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut,向量Ut的定義方式與向量U相同)。為方便起見，將上一次 更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型時的索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)記為當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量 Ut0O建立和更新At。的方法是在初始時刻，At。就等于A。，Uttj就等于U。；在索結(jié)構(gòu)服役過程 中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut,如果Ut等于 Ut0,則不需要對At。進行更新；如果Ut不等于Ut0,則需要對At。進行更新，此時Ut與U0的差就 是索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初始位置(對應(yīng)于A。)的支座位移(用支座位移向量V表示支座位移，在 重力方向的位移就是支座沉降)，更新Attj的方法是對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加位移約束(其 數(shù)值取自支座位移向量V)后得到更新的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Kt0,更新At0的同時，Ut0所 有元素數(shù)值也用Ut所有元素數(shù)值代替，即更新了 U。這樣就得到了正確地對應(yīng)于Attj的U。 被監(jiān)測的多類參量可以包括索力、應(yīng)變、角度和空間坐標(biāo)，分別敘述如下設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個指定索的M1個索 力數(shù)據(jù)來描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定索的索力的變化。每次共有M1個索力測量值 或計算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M1是一個不小于0的整數(shù)。結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方 向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化。每次共有 <formula>formula see original document page 6</formula>個應(yīng)變測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變。M2是一個不小于0的整數(shù)。結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線 的、每個指定直線的H3個角度坐標(biāo)分量來描述，結(jié)構(gòu)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(biāo)分量的變化。每次共有<formula>formula see original document page 6</formula>個角度坐標(biāo)分 量測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息。M3是一個不小于0的整數(shù)。結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向 的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個指定點的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共 有虬<formula>formula see original document page 6</formula>個坐標(biāo)測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)形狀。M4是一個不小于0的整數(shù)。
綜合上述被監(jiān)測量，整個結(jié)構(gòu)共有M (M = Mi+M2+M3+M4)個被監(jiān)測量，定義參量K (K =M1+K2+K3+K4)，K和M不得小于索的數(shù)量N。由于M個被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明 稱為“基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法”。為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”。本發(fā)明中用被監(jiān)測量初始向量C。表示索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)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(jié)構(gòu)的計算基準(zhǔn)模 型計算所得的被監(jiān)測量可靠地接近于初始被監(jiān)測量的實測數(shù)據(jù)，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>
M ;M ≥ N)是索結(jié)構(gòu)中第j個被監(jiān)測量的初始量，該分量依據(jù)編號規(guī)則對應(yīng)于特定的第j個 被監(jiān)測量。T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。本發(fā)明中用被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C是由索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前值組成 的向量(定義見式(2))。<formula>formula see original document page 7</formula>
M ;M ≥ N)是索結(jié)構(gòu)中第j個被監(jiān)測量的當(dāng)前值，該分量q依據(jù)編號規(guī)則與Cty.對應(yīng)于同一 “被監(jiān)測量”。2.建立和更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC的方法。索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計算基 準(zhǔn)模型Attj的同時，更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC。具體方法如下在索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進行若干次計算，計算次數(shù)數(shù)值 上等于所有支承索的數(shù)量。每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根支承索有單位損傷Du(例 如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷)，每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它 次計算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計算都利用力學(xué)方法(例如有限元法)計算索結(jié)構(gòu)的所有 被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組成一個被監(jiān)測量 計算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i根索有單位損傷時，可用式(3)表示被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量 CtO ；每一次計算得到被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量，所得向量就是此條件 下(以有單位損傷的支承索的位置或編號等為標(biāo)記)的被監(jiān)測量變化向量(當(dāng)?shù)趇根索有 單位損傷時，用S Ci表示被監(jiān)測量變化向量，定義見式(4)，式(4)為式(3)減去式(1)所 得)，被監(jiān)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的那根索的單位損傷 而引起的該元素所對應(yīng)的被監(jiān)測量的改變量；有N根索就有N個被監(jiān)測量變化向量，由于有 M個被監(jiān)測量，所以每個被監(jiān)測量變化向量有M個元素，由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組 成有MXN個元素的單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC，AC的定義如式(5)所示。<formula>formula see original document page 7</formula>(3)式(3)中元素<formula>formula see original document page 7</formula>表示由
于第i根索有單位損傷時，依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的第j個被監(jiān)測量的當(dāng)前計算量。<formula>formula see original document page 7</formula>(4)<formula>formula see original document page 8</formula>表示僅由于第i根索有單位損傷而引
起的、依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的第j個被監(jiān)測量的計算當(dāng)前數(shù)值的變化(代數(shù)值)。被監(jiān)測量 變化向量S Ci實際上是矩陣AC中的一列，也就是說式(5)也可以寫成式(6)。Δ C = [ δ C1 δ C2... δ Ci... δ CN](6)3.被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C(計算或?qū)崪y)同被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被 監(jiān)測量變化矩陣△(、單位損傷標(biāo)量D1^P當(dāng)前損傷向量d間的近似線性關(guān)系，如式(7)或式 (8)所示。索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的定義參見式(9)。C = Co+1/du△C.D(7)C-Co=1/du△C.d(8)d = [d1 d2…di··dn]I(9)式(9)中屯(1 = 1，2，3，.......，N)是索系統(tǒng)中第i根索(或拉桿)的當(dāng)前損傷；
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(yīng)比例的承載能力。若設(shè)索損傷為100%時表示索徹底喪失承載能力，那么當(dāng)實際損傷不太大時(例 如不大于30%的損傷)，由于索結(jié)構(gòu)材料仍然處在線彈性階段，索結(jié)構(gòu)的變形也較小，式 (7)或式(8)所表示的這樣一種線性關(guān)系同實際情況的誤差較小。用式(10)定義的線性關(guān) 系誤差向量e表示式(7)或式(8)所示線性關(guān)系的誤差。e = abs(1/du△C*d-C+C.)(10)式(10)中abs()是取絕對值函數(shù)，對括號內(nèi)求得的向量的每一個元素取絕對值。本發(fā)明的第二部分基于知識庫(含參量)和實測被監(jiān)測量的索系統(tǒng)健康狀態(tài)評 估方法。由于式(7)或式(8)所表示的線性關(guān)系存在一定誤差，因此不能簡單根據(jù)式(7) 或式(8)和實測被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C來直接求解得到當(dāng)前損傷向量d。如果這樣做了， 得到的當(dāng)前損傷向量d中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)較大的負值，也就是負損傷，這明顯是不合理 的。因此獲得當(dāng)前損傷向量d的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準(zhǔn)確的從索系 統(tǒng)中確定受損索的位置及其損傷程度)成為一個合理的解決方法，可用式(11)來表達這一 方法。abs(1/du△C.d-C + C.)<g(11)式(11)中abs()是取絕對值函數(shù)，向量g描述偏離理想線性關(guān)系(式(7)或式(8))的合理偏差，由式(12)定義。<formula>formula see original document page 9</formula>(12)式(12)中&(」=1，2，3，.......，
M)描述了偏離式(7)或式(8)所示的理想線性關(guān)系的最大允許偏差。向量g可根據(jù)式(10) 定義的誤差向量e試算選定。在被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣Δ C、實測被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值 向量C和單位損傷Du(計算AC前設(shè)定，是標(biāo)量)已知時，可以利用合適的算法(例如多目 標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(11)，獲得當(dāng)前損傷向量d的可接受的解，從而確定受損索的位置和損 傷程度。本發(fā)明的第三部分健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括監(jiān)測系統(tǒng)(包括被監(jiān)測量監(jiān)測系統(tǒng)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng))、信 號采集器和計算機等。要求實時或準(zhǔn)實時監(jiān)測每一個被監(jiān)測量，要求實時或準(zhǔn)實時監(jiān)測每 一個索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)。軟件應(yīng)當(dāng)具用下列功能軟件部分首先根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)實時或準(zhǔn)實時分 析得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量被監(jiān)測量當(dāng)前數(shù)值向量C，然后讀取預(yù)先存儲的索 結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。、初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U。、當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型AV當(dāng)前 索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量υ1。、索系統(tǒng)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣△ C、被監(jiān)測量初始向量C。和 單位損傷值Du，比較當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut0,當(dāng)Ut 和Uttj相同時，依據(jù)合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(11)，得到索系統(tǒng)的當(dāng)前損 傷向量d的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地從索系統(tǒng)中確定受損索的位 置及其損傷程度的解；當(dāng)Ut和Ut0不相同時，先對當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型At0和當(dāng)前索結(jié)構(gòu) 支座坐標(biāo)向量Ut0進行更新，再在新Attj的基礎(chǔ)上按照前述“建立和更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被 監(jiān)測量變化矩陣△ C的方法”更新AC，同樣依據(jù)合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解 式(11)，得到索系統(tǒng)的當(dāng)前損傷向量d的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地 從索系統(tǒng)中確定受損索的位置及其損傷程度的解。本發(fā)明方法具體包括a.設(shè)共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號，該 編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu) 的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上軋個指定索的M1個索力數(shù)據(jù)來描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所 有指定索的索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息^是 一個不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的 應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng) 變數(shù)據(jù)的變化就是K2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化；每次共有M2個應(yīng)變測量值或計算 值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2為K2和L2之積；M2是不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被 監(jiān)測角度的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個指定點的、過每個指定點的 L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標(biāo)分量來描述，結(jié)構(gòu)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(biāo)分量的變化；每次共有M3個角度坐標(biāo)分量測 量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和H3之積；M3是一個不小于0的整數(shù)；確 定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個指定點的所有坐標(biāo)分量的變化；每次共有M4個坐標(biāo)測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和 K4之積；M4是一個不小于O的整數(shù)；綜合上述混合監(jiān)測的被監(jiān)測量，整個結(jié)構(gòu)共有M個被監(jiān) 測量，M為MpM2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù) 量N ；由于M個被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的 索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法”；為方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時結(jié)構(gòu)的被 監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”；c.直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量初始向量 C0 ；在實測得到被監(jiān)測量初始向量C。的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、結(jié) 構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)，初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu) 支座坐標(biāo)向量U。；d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)、索的無損檢測數(shù)據(jù)和初始 索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U0建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。并第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng) 前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型#。，索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)至少包括索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、初 始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn) 模型Attj時，索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj就等于索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。； 對應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐 標(biāo)向量K，第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型At0時，Ut0就等于U0 ；e.從這里進入由第e步到第k步的循環(huán)；在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測得到索結(jié) 構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量 Ut;f.根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut,在必要時更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型 At0和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut0 ；g.在當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索 結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣△ C和單位損傷標(biāo)量Du ；h.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實測數(shù)值，組成被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù) 值向量C ；i.定義索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素個數(shù)等于索的數(shù)量， 索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素數(shù) 值代表對應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；j.依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量C。、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān) 測量變化矩陣△ C、單位損傷標(biāo)量Dl^n待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d間存在的近似線性關(guān) 系，該近似線性關(guān)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就可以算出索 系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d;由于當(dāng)前損傷向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度，所以根據(jù)當(dāng) 前損傷向量確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測；若當(dāng) 前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(yīng)的索是完好的，沒有損傷的；若其 數(shù)值為100%，則表示該元素所對應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能力；若其數(shù)值介于0和100% 之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力；
<formula>formula see original document page 11</formula>式 1式 1k.回到第e步，開始有第e步到第k步的下一次循環(huán)。在步驟f中，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut,在必要時更新當(dāng)前力學(xué)計算基 準(zhǔn)模型At0和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut0的具體方法為fl.在步驟e中實測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut后，比較Ut和于U。如 果Ut等于Ut0,則At0和Ut0保持不變；f2.在步驟e中實測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut后，比較Ut和U。如果 Ut不等于Ut0,則需要對At。和Ut0進行更新，更新方法是先計算Ut與U0的差，Ut與U0的差 就是索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初始位置的當(dāng)前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位 移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，支座位移向量V中一個元素的數(shù) 值對應(yīng)于一個指定支座的一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座 沉降量；更新At。的方法是對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座位移約束，當(dāng)前支座位移約束 的數(shù)值就取自支座位移向量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加支座位移約束 后得到更新的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型#。，更新Attj的同時，Uttj所有元素數(shù)值也用第e步的 Ut所有元素數(shù)值對應(yīng)代替，即更新了 U。這樣就得到了正確地對應(yīng)于At。的K。在步驟g中，在當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上，通過若干次力學(xué)計算獲得索 結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣△(和單位損傷標(biāo)量Du的具體方法為gl.索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣Δ C是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計 算基準(zhǔn)模型Attj和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Uttj的同時，必須同時更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān) 測量變化矩陣△ C和單位損傷標(biāo)量Du ；g2.在索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，計算次 數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索 有單位損傷標(biāo)量Du，每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)損傷的索，每一 次計算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前 計算值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量；g3.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量得到一個被 監(jiān)測量變化向量；有N根索就有N個被監(jiān)測量變化向量；g4.由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化 矩陣△(;索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC的每一列對應(yīng)于一個被監(jiān)測量變化向量。有益效果本發(fā)明公開的方法在索結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)沉降的情況下、在多根索同步 受損時可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測評估出索系統(tǒng)的健康狀態(tài)(包括所有受損索的位置和損傷程 度)，本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法對存在支座沉降時的索系統(tǒng)的有效健康監(jiān)測是非常有益的。
具體實施例方式在有支座沉降時，針對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測，本發(fā)明公開了一種能夠合理 有效地監(jiān)測索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中每一根索的健康狀況的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例的下面 說明實質(zhì)上僅僅是示例性的，并且目的絕不在于限制本發(fā)明的應(yīng)用或使用。本發(fā)明采用一種算法，該算法用于監(jiān)測索結(jié)構(gòu)中的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。具體實施時，下列步驟是可采取的各種步驟中的一種。第一步設(shè)共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編 號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的 被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個指定索的M1個索力數(shù)據(jù)來描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有 指定索的索力的變化。每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M1是 一個不小于0的整數(shù)。實際選定被監(jiān)測索力的索時，可以選擇那些索力易于測量的索為被 監(jiān)測索。確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由 結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化 就是K2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化。每次共有M2個應(yīng)變測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu) 應(yīng)變，M2* K2和L2之積。M2是一個不小于0的整數(shù)。每一個將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點可 以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)附近的一個點，該 點一般不應(yīng)當(dāng)是應(yīng)力集中點，以避免出現(xiàn)過大的應(yīng)變測量值，這些點一般也不應(yīng)當(dāng)全部是 混合監(jiān)測時指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點或在其附近。確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測角度的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié) 構(gòu)上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標(biāo)分量 來描述，結(jié)構(gòu)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(biāo)分量的 變化。每次共有M3個角度坐標(biāo)分量測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和 H3之積。M3是一個不小于0的整數(shù)。每一個指定點可以就是每一根索的固定端點(例如是 斜拉橋的拉索在橋面上的固定端)或其附近的一個點，被監(jiān)測角度數(shù)據(jù)的點一般不應(yīng)該全 部選擇為“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點或在其附近的點”和“混合監(jiān)測 中指定的被監(jiān)測應(yīng)變的點或在其附近的點”；在每一指定點可以僅僅測量一個指定直線的 一個角度坐標(biāo)，例如測量過指定點的結(jié)構(gòu)表面法線或切線相對于重力加速度方向的角度坐 標(biāo)，這里實際上就是傾角測量。確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上 K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就 是K4個指定點的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有M4個坐標(biāo)測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)形 狀，M4* K4和L4之積。M4是一個不小于0的整數(shù)。每一個指定點可以就是每一根索的固定 端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)；這里選定的被監(jiān)測點不應(yīng)該全部選用“混 合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點或在其附近的點”、“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測 應(yīng)變的點或在其附近的點”和“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測角度數(shù)據(jù)的點或在其附近的點”。綜合上述被監(jiān)測量，整個結(jié)構(gòu)就混合監(jiān)測而言共有M個被監(jiān)測量，M為ΜρΜ2、Μ3和 M4之和，定義參量K，K為Mi、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù)量N。由于M個被監(jiān)測 量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法”。為 方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被 監(jiān)測量”。第二步直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量初 始向量C。；在實測得到被監(jiān)測量初始向量C。的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)(對于斜拉橋就是其初始橋型數(shù)據(jù))和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù) 據(jù)，初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U。。第三步根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)初始幾何 形狀數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、所有索的初始索力、結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，對斜拉橋、懸索橋而言是橋 的橋型數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))、索的無損檢測數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐 標(biāo)向量U。建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。并第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基 準(zhǔn)模型Attj;第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj時，索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn) 模型Attj與索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。相同；對應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模 型Attj的索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut0 ；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前 力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj時，Ut0就等于U0 ；基于初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。計算得到結(jié)構(gòu)的計 算數(shù)據(jù)必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。第四步在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測得到索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)組 成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut ；第五步根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut,在必要時更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn) 模型Attj和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U。在第四步實測得到的當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向 量Ut后，比較Ut和Ut0,如果Ut等于Ut0,則At0和Ut0保持不變；如果Ut不等于Ut0,則需要對 At0和Ut0進行更新，更新方法是先計算Ut與U0的差，Ut與U0的差就是索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初 始位置的當(dāng)前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位移向量V中的元素與支座 位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，支座位移向量V中一個元素的數(shù)值對應(yīng)于一個指定支座的 一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新Attj的方法是 對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座位移約束，當(dāng)前支座位移約束的數(shù)值就取自支座位移向 量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加支座位移約束后得到更新的當(dāng)前力學(xué)計 算基準(zhǔn)模型Attj，更新Attj的同時，Uttj所有元素數(shù)值也用第四步的Ut所有元素數(shù)值對應(yīng)代替， 即更新了 U。這樣就得到了正確地對應(yīng)于Attj的U。第六步在當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲 得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC和單位損傷標(biāo)量Du。具體方法為索結(jié)構(gòu)單位損 傷被監(jiān)測量變化矩陣△(是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj和當(dāng)前索結(jié)構(gòu) 支座坐標(biāo)向量Uttj的同時，必須同時更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC和單位損 傷標(biāo)量Du ；在索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù) 數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有 單位損例如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷)，每一次計算中出現(xiàn)損傷的 索不同于其它次計算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算 值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量C;每 一次計算得到被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量得到一個被監(jiān)測量變化向量； 有N根索就有N個被監(jiān)測量變化向量；由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的單位 損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC ；單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣的每一列對應(yīng)于一個被監(jiān)測量變 化向量。第七步建立線性關(guān)系誤差向量e和向量g。利用前面的數(shù)據(jù)(被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣△ C)，在第六步進行每一次計算的同時，即在每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷Du，每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計算中 出現(xiàn)損傷的索，每一次計算都利用力學(xué)方法(例如采用有限元法)計算索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中 所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計算組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量C的同時，每 一次計算組成一個損傷向量d，該損傷向量d的所有元素中只有一個元素的數(shù)值取Du，其它 元素的數(shù)值取0，損傷向量d中數(shù)值是Du的元素對應(yīng)于該次計算時唯一受損索的單位損傷 程度Du;將C、C。、AC、Du、d帶入式(10)，得到一個線性關(guān)系誤差向量e，每一次計算得到一 個線性關(guān)系誤差向量e ；有N根索就有N次計算，就有N個線性關(guān)系誤差向量e，將這N個線 性關(guān)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(guān)系誤差向量e。向量g等于最終的誤差向量e。第八步安裝索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括被監(jiān)測量監(jiān) 測系統(tǒng)(例如含角度測量分系統(tǒng)、索力測量分系統(tǒng)、應(yīng)變測量分系統(tǒng)、空間坐標(biāo)測量分系 統(tǒng)、信號調(diào)理器等)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)(例如用全站儀進行測量)、信號(數(shù)據(jù))采 集器、計算機和通信報警設(shè)備。每一個被監(jiān)測量、每一個索結(jié)構(gòu)的支座坐標(biāo)都必須被監(jiān)測系 統(tǒng)監(jiān)測到，監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測到的信號傳輸?shù)叫盘?數(shù)據(jù))采集器；信號經(jīng)信號采集器傳遞到 計算機；計算機則負責(zé)運行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測軟件，包括記錄信號采集器傳遞來 的信號；當(dāng)監(jiān)測到索有損傷時，計算機控制通信報警設(shè)備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的 人員報警。第九步將被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC、單位損傷標(biāo)量 DuS數(shù)以數(shù)據(jù)文件的方式保存在運行健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件的計算機硬盤上。第十步編制并在計算機上安裝運行有支座沉降時索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng) 軟件，該軟件將完成本發(fā)明“有支座沉降時索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測”任務(wù)所需要的監(jiān)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)第十一步實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量 的當(dāng)前數(shù)值向量C”；第十二步依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被 監(jiān)測量變化矩陣△(、單位損傷標(biāo)量D1^P索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d(由所有索當(dāng)前損傷量組 成)間存在的近似線性關(guān)系(式(7))，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計算索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的 非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地從所有索中確定受損索的位置及其損傷 程度的解?？梢圆捎玫亩嗄繕?biāo)優(yōu)化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化、基于人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化、基于粒子群的多目標(biāo)優(yōu)化算法、基于蟻群算法的多目標(biāo)優(yōu)化、約 束法(Constrain Method)、力口權(quán)法(Weighted Sum Method)、目標(biāo)規(guī)劃法(Goal Attainment Method)等等。由于各種多目標(biāo)優(yōu)化算法都是常規(guī)算法，可以方便地實現(xiàn)，本實施步驟僅以 目標(biāo)規(guī)劃法為例給出求解當(dāng)前損傷向量d的過程，其它算法的具體實現(xiàn)過程可根據(jù)其具體 算法的要求以類似的方式實現(xiàn)。按照目標(biāo)規(guī)劃法，式(7)可以轉(zhuǎn)化成式(13)和式(14)所示的多目標(biāo)優(yōu)化問題，式 (13)中Y是一個實數(shù)，R是實數(shù)域，空間區(qū)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的每一個元素不小于0，不大于1)。式(13)的意思是尋找一個最小的實數(shù)Y，使得式(14)得到滿足。式(14)中G(d)由式(15)定義，式(14)中加權(quán)向量W 與Y的積表示式(14)中G(d)與向量g之間允許的偏差，g的定義參見式(12)，其值已在 第七步計算得到。實際計算時向量W可以與向量g相同。目標(biāo)規(guī)劃法的具體編程實現(xiàn)已經(jīng) 有通用程序可以直接采用。使用目標(biāo)規(guī)劃法就可以求得索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d。
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索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素 和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度或健 康狀態(tài)。若解得的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(yīng)的索 是完好的，沒有損傷的；若其數(shù)值為100%，則表示該元素所對應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能 力；若其數(shù)值介于0和100%之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力。第十三步健康監(jiān)測系統(tǒng)中的計算機定期自動或由人員操作健康監(jiān)測系統(tǒng)生成索 系統(tǒng)健康情況報表。第十四步在指定條件下，健康監(jiān)測系統(tǒng)中的計算機自動操作通信報警設(shè)備向監(jiān) 控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。第十五步回到第四步，開始由第四步到第十五步的循環(huán)。
權(quán)利要求
一種有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其特征在于所述方法包括a.設(shè)共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個指定索的M1個索力數(shù)據(jù)來描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定索的索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息；M1是一個不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化；每次共有M2個應(yīng)變測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2為K2和L2之積；M2是不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測角度的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標(biāo)分量來描述，結(jié)構(gòu)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(biāo)分量的變化；每次共有M3個角度坐標(biāo)分量測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和H3之積；M3是一個不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個指定點的所有坐標(biāo)分量的變化；每次共有M4個坐標(biāo)測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和L4之積；M4是一個不小于0的整數(shù)；綜合上述混合監(jiān)測的被監(jiān)測量，整個結(jié)構(gòu)共有M個被監(jiān)測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù)量N；由于M個被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法”；為方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”；c.直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量初始向量Co；在實測得到被監(jiān)測量初始向量Co的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)，初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Uo；d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)、索的無損檢測數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Uo建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ao并第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ato，索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)至少包括索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ato時，索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ato就等于索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ao；對應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ato的索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Uto，第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ato時，Uto就等于Uo；e.從這里進入由第e步到第k步的循環(huán)；在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測得到索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut；f.根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut，在必要時更新當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ato和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Uto；g.在當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ato的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC和單位損傷標(biāo)量Du；h.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實測數(shù)值，組成被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C；i.定義索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；j.依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量Co、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、單位損傷標(biāo)量Du和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)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就可以算出索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d；由于當(dāng)前損傷向量d的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度，所以根據(jù)當(dāng)前損傷向量確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測；若當(dāng)前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(yīng)的索是完好的，沒有損傷的；若其數(shù)值為100％，則表示該元素所對應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能力；若其數(shù)值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力； <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>o</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>D</mi><mi>u</mi> </msub></mfrac><mi>&Delta;C</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>d</mi> </mrow>式1k.回到第e步，開始有第e步到第k步的下一次循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其 特征在于在步驟f中，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut,在必要時更新當(dāng)前力學(xué)計算基 準(zhǔn)模型At0和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut0的具體方法為Π.在步驟e中實測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut后，比較Ut和于U。如果Ut 等于U。則Attj和Uttj保持不變;f2.在步驟e中實測得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標(biāo)向量Ut后，比較Ut和Ut0,如果Ut不 等于Ut0,則需要對At0和Ut0進行更新，更新方法是先計算Ut與U0的差，Ut與U0的差就是 索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初始位置的當(dāng)前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，支座位移向 量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，支座位移向量V中一個元素的數(shù)值對 應(yīng)于一個指定支座的一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降 量；更新Attj的方法是對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座位移約束，當(dāng)前支座位移約束的數(shù) 值就取自支座位移向量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加支座位移約束后得 到更新的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型#。，更新At0的同時，Ut0所有元素數(shù)值也用第e步的Ut所 有元素數(shù)值對應(yīng)代替，即更新了 U。這樣就得到了正確地對應(yīng)于Attj的U。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其 特征在于在步驟g中，在當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上，通過若干次力學(xué)計算獲得索 結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣△(和單位損傷標(biāo)量Du的具體方法為gl.索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣△(是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計算基 準(zhǔn)模型Attj和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut0的同時，必須同時更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量 變化矩陣Δ C和單位損傷標(biāo)量Du ；g2.在索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù)數(shù) 值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷標(biāo)量Du，每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計 算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算 值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量； g3.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測量初始向量得到一個被監(jiān)測 量變化向量；有N根索就有N個被監(jiān)測量變化向量；g4.由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣 AC ；索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC的每一列對應(yīng)于一個被監(jiān)測量變化向量。
全文摘要
有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，基于混合監(jiān)測、通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)來決定是否需要更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)發(fā)生變化時才更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型，從而得到新的計入結(jié)構(gòu)支座沉降的結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型，在此模型的基礎(chǔ)上計算獲得單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣。依據(jù)被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測量初始向量、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣、單位損傷標(biāo)量和待求的索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量間存在的近似線性關(guān)系，可以利用多目標(biāo)優(yōu)化算法等合適的算法快速算出當(dāng)前索損傷向量的非劣解，據(jù)此可以在有支座沉降時、比較準(zhǔn)確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號G01M99/00GK101806663SQ20101012730
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者韓玉林 申請人:東南大學(xué)