專利名稱：支座角位移時(shí)基于索力監(jiān)測(cè)的識(shí)別松弛索的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在有支座角位移(例如支座繞坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際上就是支座繞坐標(biāo)軸X、 Y、z的角位移)時(shí)，本發(fā)明基于索力等量的監(jiān)測(cè)來(lái)識(shí)別索支承結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(tǒng)(指所有支承索)中的需調(diào)整索力的支承索，并給出具體的索長(zhǎng)調(diào)整量，屬工程結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的關(guān)鍵組成部分，由于松弛等原因，新結(jié)構(gòu)竣工一段時(shí)間后支承索的索力通常會(huì)發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役后其支承索的松弛也會(huì)引起支承索索力的變化，這些變化都將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起結(jié)構(gòu)的失效，因此準(zhǔn)確及時(shí)地識(shí)別需調(diào)整索力的支承索是非常必要的。支承索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化(例如發(fā)生松弛、損傷等)后，除了會(huì)引起索力的變化外，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的其它可測(cè)量參數(shù)的變化，例如會(huì)引起支承索索力的變化，實(shí)際上索力的變化包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，也就是說(shuō)可以利用索力數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，可以基于索力監(jiān)測(cè)(本發(fā)明將被監(jiān)測(cè)的索力稱為“被監(jiān)測(cè)量”，后面提到“被監(jiān)測(cè)量”就是指被監(jiān)測(cè)的索力)來(lái)識(shí)別受損索，被監(jiān)測(cè)量除了受索系統(tǒng)健康狀態(tài)的影響外，還會(huì)受索結(jié)構(gòu)支座角位移(常常會(huì)發(fā)生)的影響，目前還沒(méi)有一種公開(kāi)的、有效的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法解決了此問(wèn)題。因此可以基于被監(jiān)測(cè)量監(jiān)測(cè)來(lái)識(shí)別需調(diào)整索力的索，這樣在支座角位移時(shí)，就必須有一個(gè)能夠合理有效的建立被監(jiān)測(cè)量同所有索的特征參數(shù)間(具體根據(jù)索的特征參數(shù)來(lái)表征需調(diào)整索力的索)的關(guān)系的方法，基于該方法建立的需調(diào)整索力的支承索的識(shí)別結(jié)果才會(huì)更可信。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是在索結(jié)構(gòu)支座有角位移時(shí)，針對(duì)索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中的、 需調(diào)整索力的支承索的識(shí)別問(wèn)題，公開(kāi)了一種基于索力等量的監(jiān)測(cè)的、能夠合理有效地識(shí)別需調(diào)整索力的支承索的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法。依據(jù)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(xiàn)了局部裂紋和銹蝕等等；二是支承索并無(wú)損傷，但索力也發(fā)生了變化，出現(xiàn)這種變化的主要原因之一是支承索自由狀態(tài)(此時(shí)索張力也稱索力為0)下的索長(zhǎng)度(稱為自由長(zhǎng)度，本發(fā)明專指支承索兩支承端點(diǎn)間的那段索的自由長(zhǎng)度)發(fā)生了變化；三是支承索并無(wú)損傷，但索結(jié)構(gòu)支座有了角位移，也會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，當(dāng)然也就會(huì)引起索力的變化。本發(fā)明的主要目的之一就是在支座角位移時(shí)，要識(shí)別出自由長(zhǎng)度發(fā)生了變化的支承索，并識(shí)別出它們的自由長(zhǎng)度的改變量，此改變量為該索的索力調(diào)整提供了直接依據(jù)。支承索自由長(zhǎng)度發(fā)生變化的原因不是單一的，為了方便，本發(fā)明將自由長(zhǎng)度發(fā)生變化的支承索統(tǒng)稱為松弛索。
技術(shù)方案本發(fā)明由兩大部分組成。分別是一、建立用于識(shí)別索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫(kù)和參量的方法、基于知識(shí)庫(kù)(含參量)、基于實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)支座角位移的、基于被監(jiān)測(cè)量等量的監(jiān)測(cè)的、識(shí)別索結(jié)構(gòu)的需調(diào)整索力的支承索的方法。二、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。本發(fā)明的第一部分建立用于識(shí)別索系統(tǒng)中的、需調(diào)整索力的支承索的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫(kù)和參量的方法、基于知識(shí)庫(kù)(含參量)、基于實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)支座角位移的、基于被監(jiān)測(cè)量等量的監(jiān)測(cè)的、識(shí)別索結(jié)構(gòu)的需調(diào)整索力的支承索的方法?？砂慈缦路椒ㄟM(jìn)行， 以獲得更準(zhǔn)確的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估。第一步首先建立索系統(tǒng)初始虛擬損傷向量式(因?yàn)橹С兴鲗?shí)際上可能是松弛而沒(méi)有損傷，為表示區(qū)別，這里稱“虛擬損傷”，后同)、建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A0 (例如有限元基準(zhǔn)模型，在本發(fā)明中A。是不變的)。設(shè)索系統(tǒng)中共有#根索，索系統(tǒng)“初始虛擬損傷向量記為式”(如式(01)所示)，用 d0表示索結(jié)構(gòu)(用索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。表示)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
權(quán)利要求
1. 一種支座角位移時(shí)基于索力監(jiān)測(cè)的識(shí)別松弛索的方法，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(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；b.結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)就由#根支承索的索力來(lái)描述；為方便起見(jiàn)，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的索力數(shù)據(jù)”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”；在后面提到“被監(jiān)測(cè)量的某某矩陣或某某向量”時(shí)， 也可讀成“索力的某某矩陣或某某向量”；c.利用索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始虛擬損傷向量 d0 ；如果沒(méi)有索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，向量Ji的各元素?cái)?shù)值取0;d.在建立初始虛擬損傷向量式的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量G ；e.在建立初始虛擬損傷向量之和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C；的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量^ ；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有支承索的初始自由長(zhǎng)度，組成初始自由長(zhǎng)度向量人；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；同時(shí)，實(shí)測(cè)或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。，建立初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量U0,建立索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Attj ；依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該實(shí)測(cè)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)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)、所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及索的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖和竣工圖，利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。；如果沒(méi)有索結(jié)構(gòu)竣工之時(shí)的結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前對(duì)該索結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖，同樣利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。；不論用何種方法獲得A。，基于A。計(jì)算得到的索結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)必須非常接近其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其間的差異不得大于5% ；對(duì)應(yīng)于A。的索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量U0 -X 和U0是不變的；為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型#?！?，在結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中 Attj根據(jù)需要會(huì)不斷更新，開(kāi)始時(shí)，Attj等于A。；同樣為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座角坐標(biāo)向量V”，在結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，不斷實(shí)測(cè)獲得索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成“當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座角坐標(biāo)向量V”，向量V的元素與向量^相同位置的元素表示相同支座的相同方向的角坐標(biāo)；為敘述方便起見(jiàn)，將上一次更新Attj時(shí)的索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)記為當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量V。；開(kāi)始時(shí)，Attj等于A。，V。等于U0 ’A0對(duì)應(yīng)的索的健康狀態(tài)由d0描述；g.健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，令A(yù)ttj等于A。；在結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中不斷實(shí)測(cè)獲得索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座角坐標(biāo)向量V，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座角坐標(biāo)向量C，在必要時(shí)更新索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Attj和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量Lf0 ；h.在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣」C和名義虛擬單位損傷向量久；i.實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量廠；同時(shí)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量廣’;實(shí)測(cè)計(jì)算得到所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方向分量的差就是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離。給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前和之后出現(xiàn)的各向量的、編號(hào)相同的元素，表示同一被監(jiān)測(cè)量的、對(duì)應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；j.定義待求的當(dāng)前名義虛擬損傷向量之和當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量義損傷向量式、 之和i/的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)；k.依據(jù)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量^同“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C；”、“虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣」C,,和“當(dāng)前名義虛擬損傷向量之”間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，式1中除之外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前名義虛擬損傷向量^；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座角位移時(shí)基于索力監(jiān)測(cè)的識(shí)別松弛索的方法，其特征在于在步驟g中，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座角坐標(biāo)向量V，在必要時(shí)更新索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)向量V。的具體方法為gl.實(shí)測(cè)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座角坐標(biāo)向量V后，比較If和If0,如果If等于讓。，則不需要對(duì)Attj進(jìn)行更新；g2.實(shí)測(cè)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座角坐標(biāo)向量V后，比較If和If0,如果If不等于If0, 則需要對(duì)Attj進(jìn)行更新，更新方法是先計(jì)算If與扎飽差，Ut與的差就是當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于在建立A。時(shí)的索結(jié)構(gòu)支座的當(dāng)前支座角位移，用當(dāng)前支座角位移向量Z表示支座角位移，當(dāng)前支座角位移向量Z中的元素與支座角位移分量之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前支座角位移向量Z中一個(gè)元素的數(shù)值對(duì)應(yīng)于一個(gè)指定支座的一個(gè)指定方向的旋轉(zhuǎn)；更新Attj的方法是對(duì)A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座角位移約束，當(dāng)前支座角位移約束的數(shù)值就取自當(dāng)前支座角位移向量Z中對(duì)應(yīng)元素的數(shù)值，對(duì)A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座角位移約束后，最終得到的就是更新的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型#。，更新Attj的同時(shí)，V。所有元素?cái)?shù)值也用If所有元素?cái)?shù)值代替，即更新了 V。，這樣就得到了正確地對(duì)應(yīng)于Attj的If。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支座角位移時(shí)基于索力監(jiān)測(cè)的識(shí)別松弛索的方法，其特征在于在步驟h中，在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣」C和名義虛擬單位損傷向量化的具體方法為hi.健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第一次開(kāi)始工作時(shí)，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣」C和名義虛擬單位損傷向量久；以后，如果步驟g中對(duì) At0進(jìn)行了更新，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣」C和名義虛擬單位損傷向量久，如果在步驟g中沒(méi)有對(duì)Attj進(jìn)行更新，則在此處直接轉(zhuǎn)入步驟i進(jìn)行后續(xù)工作；h2.在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Attj的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有#根索就有#次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎(chǔ)上再增加虛擬單位損傷，每一次計(jì)算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)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久”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計(jì)算得到所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量”；當(dāng)假設(shè)第J·根索有單位損傷時(shí)，可用表示對(duì)應(yīng)的“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算數(shù)值向量G/。在本步驟中給各向量的元素編號(hào)時(shí)， 應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個(gè)元素，同其它向量中的、編號(hào)相同的元素，表達(dá)了同一被監(jiān)測(cè)量或同一對(duì)象的相關(guān)信息；h3.每一次計(jì)算得到的那個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算數(shù)值向量Ctj,,減去“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量G”得到一個(gè)向量，再將該向量的每一個(gè)元素都除以本次計(jì)算中假定的虛擬單位損傷值后得到一個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量”；有#根索就有#個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量”；h4.由這#個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量”依次組成有#列的“虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣」C” ；“虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣」C”的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量”；“虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣”的列的編號(hào)規(guī)則與當(dāng)前名義虛擬損傷向量之和當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量i/的元素編號(hào)規(guī)則相同。
全文摘要
支座角位移時(shí)基于索力監(jiān)測(cè)的識(shí)別松弛索的方法基于索力監(jiān)測(cè)、通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)來(lái)決定是否需要更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)發(fā)生變化時(shí)才更新結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，從而得到新的計(jì)入結(jié)構(gòu)支座角位移的結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，在此模型的基礎(chǔ)上計(jì)算獲得單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣。依據(jù)應(yīng)變當(dāng)前向量同應(yīng)變初始向量、虛擬單位損傷應(yīng)變變化矩陣和當(dāng)前虛擬損傷向量間的近似線性關(guān)系，計(jì)算識(shí)別出虛擬受損索，在使用無(wú)損檢測(cè)方法鑒別出真實(shí)受損索后，剩下的虛擬受損索就是松弛索即需調(diào)整索力的索，依據(jù)松弛程度同虛擬損傷程度間的關(guān)系就可確定需調(diào)整的索長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G01B21/22GK102288437SQ20111012265
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者張居鎖, 韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)