專利名稱：空間坐標監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的健康監(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(fā)明基于結構健康監(jiān)測技術，基于空間坐標監(jiān)測來識別支座角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：
支座角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)測技術來識別支座角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。當支座出現角位移時、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)和支座角位移有可靠的監(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角位移和索系統(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角位移評估和索系統(tǒng)的健康評估。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明公開了一種基于空間坐標監(jiān)測的、能夠合理有效地識別支座角位移和受損索的健康監(jiān)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(fā)明統(tǒng)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(xù)編號，本發(fā)明用用變量i表示這一編號，i=l, 2，3，…，N,因此可以說有#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)和實測索結構的空間坐標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、索結構支座角坐標數據、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、索結構支座角坐標數據、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?！敖Y構的全部被監(jiān)測的空間坐標數據”由結構上f個指定點的、及每個指定點的Z 個指定方向的空間坐標來描述，結構空間坐標數據的變化就是^個指定點的所有空間坐標分量的變化。每次共有#個空間坐標測量值或計算值來表征結構空間坐標信息。 #和ι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)測的空間坐標數據”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“空間坐標的某某矩陣或某某
向量”。本發(fā)明中用被監(jiān)測量初始向量G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。
權利要求
1.一種空間坐標監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測方法，其特征在于所述方法包括a.為敘述方便起見，統(tǒng)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(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=l, 2，3，…，N-,b.確定指定的將被監(jiān)測空間坐標的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的將被監(jiān)測的空間坐標分量，給所有被測量空間坐標分量編號；上述編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；“結構的全部被監(jiān)測的空間坐標數據”由上述所有被測量空間坐標分量組成；為方便起見，將“結構的被監(jiān)測的空間坐標數據”稱為“被監(jiān)測量”;所有被測量空間坐標分量的數量之和不得小于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C；； 在實測得到被監(jiān)測量初始向量G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角坐標數據；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角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」C;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^被評估對象當前狀態(tài)向量J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J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J的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或角位移；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i/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i/；由于被評估對象當前狀態(tài)向量i/的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或角位移，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，可以確定支座角位移，即實現了支座角位移的評估和索結構中索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估；C 二 Ce + M>d式 1。
2.根據權利要求1所述的空間坐標監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測方法， 其特征在于在步驟e中，在力學計算基準模型A0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每一次計算假設只有一個被評估對象有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(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角位移分量，就假設該支座在該角位移方向發(fā)生單位角位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位角位移，其中i表示發(fā)生單位損傷或單位角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角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角位移的被評估對象，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角位移數值，得到一個被監(jiān)測量變化向量，有#個被評估對象就有#個被監(jiān)測量變化向量；e3.由這#個被監(jiān)測量變化向量依次組成有#列的索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣」C ； 索結構被監(jiān)測量單位變化矩陣」C的每一列對應于一個被監(jiān)測量變化向量。
全文摘要
空間坐標監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測方法基于空間坐標監(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角位移和受損索。
文檔編號G01M99/00GK102297770SQ201110122618
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權日2011年5月13日
發(fā)明者賈春, 韓玉林 申請人:東南大學