專利名稱：基于應變監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān)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(fā)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(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，本專利將該類結構 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)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(fā)明基于結構健康監(jiān)測技術，基于應變監(jiān)測來識別支座 位移和索結構的索系統(tǒng)中的受損索，屬工程結構健康監(jiān)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(tǒng)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(jiān)測技術來識別支座位移和索 結構的索系統(tǒng)中的受損索是一種極具潛力的方法。當支座出現位移時、或索系統(tǒng)的健康狀 態(tài)發(fā)生變化時、或者兩種情況同時發(fā)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(tǒng)的健康狀態(tài)信息，實際上這些可測量參數的變化包含了索 系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息、包含了支座位移信息，也就是說可以利用結構的可測量參數來識別 支座位移和受損索。為了能對索結構的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)和支座位移有可靠的監(jiān)測和判斷，必須有一 個能夠合理有效的建立索結構的可測量參數的變化同支座位移和索系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)可以給出更可信的支座位移評估和 索系統(tǒng)的健康評估。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明公開了一種基于應變監(jiān)測的、能夠合理有效地識別支座位移和 受損索的健康監(jiān)測方法。該方法可以同時識別出索結構支座位移和索系統(tǒng)的健康狀態(tài)(包 括所有受損索的位置和損傷程度)。技術方案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(fā)明 統(tǒng)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(xù)編號，本發(fā)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。本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立被評估對象健康監(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)和實測索結構的應變(或變形)的被評估對象健康狀態(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被評估對象健康監(jiān)測的知識庫和參量的方法。具體 如下1.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。建立A。時，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(tài)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(tài)數據、索的無損檢測數據等能夠表達索的健康 狀態(tài)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(jiān)測系統(tǒng)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(tài)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(tài)數據、 索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態(tài)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(tài)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(fā)生時的實測數據。“結構的全部被監(jiān)測的應變數據”可由結構上K個指定點的、及每個指定點的L個 指定方向的應變來描述，結構應變數據的變化就是K個指定點的所有應變的變化。每次共 有M(M = KXL)個應變測量值或計算值來表征結構應變信息。K和M —般不得小于N。為方便起見，在本發(fā)明中將“結構的被監(jiān)測的應變數據”簡稱為“被監(jiān)測量”。在后 面提到“被監(jiān)測量的某某矩陣或某某向量”時，也可讀成“應變的某某矩陣或某某向量”。本發(fā)明中用被監(jiān)測量初始向量C。表示索結構的所有被監(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，基于索結構的計算基準模 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。C0= [C01 C02- · .C0, · -C0JT (1)式(1)中C。j(j = 1，2，3，.......，M ;M彡N)是索結構中第j個被監(jiān)測量的初始
量，該分量依據編號規(guī)則對應于特定的第j個被監(jiān)測量。T表示向量的轉置(后同)。本發(fā)明中用被監(jiān)測量當前數值向量C是由索結構中所有被監(jiān)測量的當前值組成 的向量(定義見式(2))。C = [C1 C2 · · · Cj · · · CJT (2)式(2)中CjG = 1,2,3,.......，M;M彡N)是索結構中第j個被監(jiān)測量的當前
值，該分量依據編號規(guī)則與對應于同一“被監(jiān)測量”。2.建立索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣AC的方法。建立索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣Δ C的具體方法如下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有單位損傷或單位位移，具體的，如果該被評估對 象是索系統(tǒng)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位移分量，就假設該支座在該位移方向發(fā)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表示發(fā)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(3)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(jiān)測量 的當前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當前 向量(當假設第i個被監(jiān)測量有單位損傷或單位位移時，可用式(4)表示被監(jiān)測量計算當 前向量Cti)；每一次計算得到被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)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(jiān)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S Ci表示被監(jiān)測量變化向量，定義見式(5)，式(5)為式(4)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(jiān)測量的改變量；有N個被評估對象就有 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個元素的被監(jiān)測量單位變化矩陣AC，AC的定 義如式(6)所示。Du= [Dul Du2 - · -Dui - · -DJt (3)式(3)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。 =^ 2 ... ... C^J(4)式(4)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(guī)則所對應的第j個被監(jiān)測量的 當前計算量。<formula>formula see original document page 6</formula>(5)<formula>formula see original document page 6</formula>式(6)中Δ .“( = 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損傷或單位位移而引起的、依據編號規(guī)則所對應的第j個被監(jiān) 測量的計算當前數值的變化(代數值)。被監(jiān)測量變化向量S Ci實際上是矩陣AC中的一 列。3.被監(jiān)測量當前數值向量C(計算或實測)同被監(jiān)測量初始向量C。、被監(jiān)測量單 位變化矩陣△ C和被評估對象當前狀態(tài)向量d間的近似線性關系，如式(7)或式(8)所示。被評估對象當前狀態(tài)向量d的定義參見式(9)。C = C。+ Δ C · d(7)C-C0 =AOd(8)
d = [Cl1 d2 · · · Cli · · · dN]T (9)式(9)中CliG = 1，2，3，.......，N)是第i個被評估對象的當前狀態(tài)，如果該被
評估對象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么Cli表示其當前損傷，Cli為O時表示無損傷， 為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于O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位移分量，那么Cli表示其當前位移數值。可用式(10)定義的線性關系誤差向量e表示式(7)或式(8)所示線性關系的誤 差。e = abs ( Δ C · d_C+C。) (10)式(10)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。本發(fā)明的第二部分基于知識庫(含參量)和實測被監(jiān)測量的被評估對象健康狀 態(tài)評估方法。由于式(7)或式(8)所表示的線性關系存在一定誤差，因此不能簡單根據式(7) 或式(8)和實測被監(jiān)測量當前數值向量C來直接求解得到被評估對象當前狀態(tài)向量d。如 果這樣做了，得到的被評估對象當前狀態(tài)向量d中的元素甚至會出現較大的負值，也就是 負損傷或負支座沉降，就是這明顯是不合理的。因此獲得被評估對象當前狀態(tài)向量d的可 接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準確的確定支座位移和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(^-AC*d-C + Co)<g(11)
U式(11)中abs()是取絕對值函數，向量g描述偏離理想線性關系(式(7)或式 (8))的合理偏差，由式(12)定義。g = [gl g2 · · · gj · · · gM]T (12)式(12)中gj(j = 1，2，3，.......，Μ)描述了偏離式(7)或式(8)所示的理想線
性關系的最大允許偏差。向量g可根據式(10)定義的誤差向量e試算選定。在被監(jiān)測量初始向量C。、被監(jiān)測量單位變化矩陣Δ C和實測被監(jiān)測量當前數值向 量C已知時，可以利用合適的算法(例如多目標優(yōu)化算法)求解式(11)，獲得被評估對象當 前狀態(tài)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。硬件部分包括被監(jiān)測量監(jiān)測系統(tǒng)、信號采集器和計算機等。要求實時或準實時監(jiān) 測每一個被監(jiān)測量。軟件應當具用下列功能軟件部分首先根據監(jiān)測系統(tǒng)傳來的數據實時或準實時分 析得到當前索結構被監(jiān)測量當前數值向量C，然后讀取預先存儲的索結構的力學計算基準 模型A。、被監(jiān)測量單位變化矩陣AC和被監(jiān)測量初始向量C。，依據合適的算法(例如多目標 優(yōu)化算法)求解式(11)，得到被評估對象當前狀態(tài)向量d的非劣解，也就是帶有合理誤差、 但可以比較準確地從索系統(tǒng)中確定受損索的位置及其損傷程度的解、可以比較準確地識別 支座位移的解。
本發(fā)明方法具體包括a.為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)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(guī)則，按此規(guī)則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續(xù) 步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號，i = 1,2,3,...,N；b.確定指定的被監(jiān)測點，被監(jiān)測點即表征結構應變信息的所有指定點，并給所有 指定點編號；確定被監(jiān)測點的被監(jiān)測的應變方向，并給所有指定的被監(jiān)測應變編號；“被監(jiān) 測應變編號”在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；“結構的全部被監(jiān)測的應變數據”由上 述所有被監(jiān)測應變組成；本發(fā)明將“結構的被監(jiān)測的應變數據”簡稱為“被監(jiān)測量”；所有被 監(jiān)測量的數量之和不得小于N ；c.直接測量計算得到索結構的所有被監(jiān)測量的初始數值，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，實測得到索結構的所有索的初始索力數據、結 構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標數據；d.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。；e.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(jiān)測量單位變化矩陣AC;f.實測得到索結構的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數值，組成被監(jiān)測量的當前數 值向量C ；g.定義被評估對象當前狀態(tài)向量d，被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素個數等于 被評估對象的數量，被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素和被評估對象之間是一一對應關 系，被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或位移；h.依據被監(jiān)測量的當前數值向量C同被監(jiān)測量初始向量C。、索結構被監(jiān)測量單位 變化矩陣△ C和待求的被評估對象當前狀態(tài)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狀 態(tài)向量d ；由于被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或 位移，所以根據被評估對象當前狀態(tài)向量確定有哪些索受損及其損傷程度，可以確定支座 位移，即實現了支座位移的評估和索結構中索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估；<formula>formula see original document page 8</formula> 式 1在步驟e中，在力學計算基準模型A。的基礎上，通過若干次力學計算獲得索結構 被監(jiān)測量單位變化矩陣△ C的具體方法為el.在索結構的力學計算基準模型Α。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有單位損傷或單位位移，具體的，如果該 被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設該支承索有單位損傷，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發(fā)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(fā)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(jiān)測量的當前 計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當前向量；
e2.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)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(jiān)測量變化向量，有N個被評估對 象就有N個被監(jiān)測量變化向量；e3.由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣 AC ；索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣AC的每一列對應于一個被監(jiān)測量變化向量。有益效果本發(fā)明公開的方法可以同時識別出索結構支座位移和索系統(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)和方法對索結構的安全是非 常有益的。
具體實施例方式針對索結構的健康監(jiān)測，本發(fā)明公開了一種能夠合理有效地同時監(jiān)測索結構中索 系統(tǒng)中每一根索的健康狀況和每一個支座位移分量的系統(tǒng)和方法。本發(fā)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(fā)明的應用或使用。本發(fā)明采用一種算法，該算法用于監(jiān)測索結構中的索系統(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。第一步為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)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(guī)則，按此規(guī)則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后 續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號，i = 1,2,3,...,N0確定被測量點(即所有表征結構應變信息的指定點，設有K個指定點)，給所有指 定點編號；確定每一個指定點的被測量的應變(設測量每個指定點的L個指定方向的應變， 不要求每個指定點有相同個數的被指定方向的應變，這里只是為了敘述方便而設測量每個 指定點的L個指定方向的應變)，并給所有被測量的應變編號；上述編號在后續(xù)步驟中同樣 將用于生成向量和矩陣。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)附近的一個點，該指定點還可以是結構支座附近的一個點，該點一 般不應當是應力集中點，以避免出現過大的應變測量值；該編號在后續(xù)步驟中同樣將用于 生成向量和矩陣。在每一指定點可以僅僅測量一個方向的應變，也可以測量多個方向的應 變?！敖Y構的全部被監(jiān)測的應變數據”由上面確定的結構上K個指定點的、過每個指定點的 L個指定方向的應變來描述，結構應變的變化就是所有指定點的、所有指定直線的所有指定 方向的應變的變化。每次共有M(M = KXL)個應變測量值或計算值來表征結構的應變信 息。K和M不得小于支承索的數量N。為方便起見，在本發(fā)明中將“結構的被監(jiān)測的應變數 據”簡稱為“被監(jiān)測量”。第二步直接測量計算得到索結構的所有被監(jiān)測量的初始數值，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，實測得到索結構的所有索的初始索力 數據、結構的初始幾何數據(對于斜拉橋就是其初始橋型數據)和初始索結構支座坐標數 據。第三步根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據(包括結構初始幾何 形狀數據、應變數據、所有索的初始索力、結構模態(tài)數據等數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋 的橋型數據、應變數據、索力數據、橋的模態(tài)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。，基于力學計算基準模型A。計算得到結構的計算 數據必須非常接近其實測數據，誤差一般不得大于5%。第四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(jiān)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有單 位損傷或單位位移，具體的，如果該被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設該支 承索有單位損傷，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 該位移方向發(fā)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(fā)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(jiān)測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算值組 成一個被監(jiān)測量計算當前向量；每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)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(jiān)測量變化向 量，有N個被評估對象就有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列的索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣AC ；索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣AC的每一列對應 于一個被監(jiān)測量變化向量。第五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(jiān)測量初始向 量C。、被監(jiān)測量單位變化矩陣ΔΟ，在第四步進行每一次計算的同時，即在每一次計算中出 現單位變化Dui (單位變化指第四步中的單位損傷或單位位移)的被評估對象不同于其它次 計算中出現單位變化的被評估對象，每一次計算都利用力學方法計算索結構的所有被監(jiān)測 量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當 前向量的同時，每一次計算組成一個被評估對象狀態(tài)向量d，該被評估對象狀態(tài)向量d的所 有元素中只有一個元素的數值取本次計算指定的單位變化Dui，其它元素的數值取0，被評 估對象狀態(tài)向量d中數值是Dui的元素對應于該次計算時唯一發(fā)生單位變化的被評估對象 的單位變化程度(Dui)；將C、C。、AC、d帶入式(10)，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。第六步安裝索結構健康監(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)(例如含應變傳感器、信號調理器等)、信號(數據)采集器、計算機和通信報警設 備。每一個被監(jiān)測量都必須被監(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健康監(jiān)測軟件， 包括記錄信號采集器傳遞來的信號；當監(jiān)測到索有損傷或支座有位移時，或者兩種情況同 時發(fā)生時，計算機控制通信報警設備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。第七步將被監(jiān)測量初始向量C。、被監(jiān)測量單位變化矩陣AC以數據文件的方式 保存在運行健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件的計算機硬盤上。第八步編制并在計算機上安裝運行基于應變監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健 康監(jiān)測系統(tǒng)軟件，該軟件將完成本發(fā)明“基于應變監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān) 測方法”任務所需要的監(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)。第九步實測得到索結構的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數值，組成“被監(jiān)測量的 當前數值向量C”。第十步依據被監(jiān)測量的當前數值向量C同被監(jiān)測量初始向量C。、被監(jiān)測量單位 變化矩陣△(和被評估對象當前狀態(tài)向量d(由所有被評估對象的當前健康狀態(tài)數據組成) 間存在的近似線性關系(式(7))，按照多目標優(yōu)化算法計算被評估對象當前狀態(tài)向量d的 非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地評估所有被評估對象的健康狀態(tài)的解?？梢圆捎玫亩嗄繕藘?yōu)化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標優(yōu)化、基于人 工神經網絡的多目標優(yōu)化、基于粒子群的多目標優(yōu)化算法、基于蟻群算法的多目標優(yōu)化、約 束法(Constrain Method)、力口權法(Weighted Sum Method)、目標規(guī)劃法(Goal Attainment Method)等等。由于各種多目標優(yōu)化算法都是常規(guī)算法，可以方便地實現，本實施步驟僅以 目標規(guī)劃法為例給出求解被評估對象當前狀態(tài)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(guī)劃法，式(7)可以轉化成式(13)和式(14)所示的多目標優(yōu)化問題，式 (13)中Y是一個實數，R是實數域，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 ；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(fā)生大于2米的位移)。式(13) 的意思是尋找一個最小的實數Y，使得式(14)得到滿足。式(14)中G(d)由式(15)定義， 式(14)中加權向量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。目標規(guī)劃 法的具體編程實現已經有通用程序可以直接采用。使用目標規(guī)劃法就可以求得被評估對象 當前狀態(tài)向量d。minimize γ(13)y e R, d e ΩG (d) -W Y ^g(14)G (d) = abs ( Δ C · d_C+C。) (15)被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素個數等于被評估對象的數量，被評估對象當前 狀態(tài)向量d的元素和被評估對象之間是一一對應關系；如果被評估對象當前狀態(tài)向量d的 一個元素對應的該被評估對象是支承索，那么該被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素數值代 表對應索的損傷程度或健康狀態(tài)若解得的該元素的數值為0，表示該元素所對應的索是完 好的，沒有損傷的，若其數值為100%，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力，若 其數值介于0和100%之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力；如果被評估對象當前 狀態(tài)向量d的一個元素對應的該被評估對象是一個支座位移分量，那么該被評估對象當前 狀態(tài)向量d的元素數值代表對應支座位移分量的數值。第十一步健康監(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。第十二步在指定條件下，健康監(jiān)測系統(tǒng)中的計算機自動操作通信報警設備向監(jiān) 控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。
權利要求
一種基于應變監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān)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(guī)則，按此規(guī)則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；用變量i表示這一編號，i＝1，2，3，...，N；b.確定指定的被監(jiān)測點，被監(jiān)測點即表征結構應變信息的所有指定點，并給所有指定點編號；確定被監(jiān)測點的被監(jiān)測的應變方向，并給所有指定的被監(jiān)測應變編號；“被監(jiān)測應變編號”在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；“結構的全部被監(jiān)測的應變數據”由上述所有被監(jiān)測應變組成；將“結構的被監(jiān)測的應變數據”簡稱為“被監(jiān)測量”；所有被監(jiān)測量的數量之和不得小于N；c.直接測量計算得到索結構的所有被監(jiān)測量的初始數值，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，實測得到索結構的所有索的初始索力數據、結構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標數據；d.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；e.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(jiān)測量單位變化矩陣ΔC；f.實測得到索結構的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數值，組成被監(jiān)測量的當前數值向量C；g.定義被評估對象當前狀態(tài)向量d，被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素個數等于被評估對象的數量，被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素和被評估對象之間是一一對應關系，被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或位移；h.依據被監(jiān)測量的當前數值向量C同被監(jiān)測量初始向量Co、索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣ΔC和待求的被評估對象當前狀態(tài)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狀態(tài)向量d；由于被評估對象當前狀態(tài)向量d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或位移，所以根據被評估對象當前狀態(tài)向量確定有哪些索受損及其損傷程度，可以確定支座位移，即實現了支座位移的評估和索結構中索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估；C＝Co+ΔC·d式1
2.根據權利要求1所述的基于應變監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān)測方法，其 特征在于在步驟e中，在力學計算基準模型A。的基礎上，通過若干次力學計算獲得索結構 被監(jiān)測量單位變化矩陣△ C的具體方法為el.在索結構的力學計算基準模型Α。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有單位損傷或單位位移，具體的，如果該被評 估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設該支承索有單位損傷，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發(fā)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(fā)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(jiān)測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當前向量；e2.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)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(jiān)測量變化向量，有N個被評估對象就 有N個被監(jiān)測量變化向量；e3.由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣AC; 索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣AC的每一列對應于一個被監(jiān)測量變化向量。
全文摘要
基于應變監(jiān)測的識別受損索和支座位移的健康監(jiān)測方法基于應變監(jiān)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(jiān)測量單位變化矩陣；依據被監(jiān)測量的當前數值向量同被監(jiān)測量初始向量、索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣和待求的被評估對象當前狀態(tài)向量間存在的近似線性關系，可以利用多目標優(yōu)化算法等合適的算法快速識別出支座位移和受損索。
文檔編號G01M99/00GK101813569SQ201010137518
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權日2010年3月31日
發(fā)明者王芳, 韓玉林 申請人:東南大學