專利名稱：有支座沉降時(shí)的基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在有支座沉降時(shí)，本發(fā)明基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)來識(shí)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(shí)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(duì)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(cè) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個(gè)共同點(diǎn)，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(diǎn)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)"。 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(gè)結(jié)構(gòu)的失效，基于
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)來識(shí)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(huì)引起結(jié)構(gòu)的可測(cè)量參數(shù)
的變化，例如索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變會(huì)發(fā)生變化，實(shí)際上應(yīng)變的變化包含了索系統(tǒng)的健康狀
態(tài)信息，也就是說可以利用結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，可以基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)(本發(fā)
明將被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變稱為"被監(jiān)測(cè)量"，后面提到"被監(jiān)測(cè)量"就是指被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變)來識(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)支座沉降(常常會(huì)發(fā)生)的
影響，目前還沒有一種公開的、有效的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法解決了此問題。 在有支座沉降時(shí)，為了能對(duì)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測(cè)和判斷，必
須有一個(gè)能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變的變化同索系統(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(cè)系統(tǒng)可以給出更可信的索系統(tǒng)的健康評(píng)估。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種有支座沉降時(shí)的基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的索系統(tǒng)的健 康監(jiān)測(cè)方法，在索結(jié)構(gòu)支座有沉降時(shí)，針對(duì)索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)問題，公開了一種基 于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的、能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí) 庫和參量的方法、基于知識(shí)庫(含參量)和實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)的應(yīng)變(或變形)及實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)支 座坐標(biāo)的索系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估方法、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索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)的知識(shí)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(jì)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(jì) 算基準(zhǔn)模型At。(例如有限元基準(zhǔn)模型)的方法。在本發(fā)明中A。是不變的。At。是不斷更新 的。建立A。、建立和更新At。的方法如下。 建立A。時(shí)，根據(jù)索結(jié)構(gòu)完工之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的實(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)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康 狀態(tài)的數(shù)據(jù))和設(shè)計(jì)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(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)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到索結(jié)構(gòu) 的實(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)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)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(jì)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(jì)算得到的索 結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)(對(duì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用A。計(jì)算所得的模擬情況下的 應(yīng)變計(jì)算數(shù)據(jù)、索力計(jì)算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀計(jì)算數(shù)據(jù)和位移計(jì)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(shí)發(fā)生時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量U、向量W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(jì)算基準(zhǔn)模型時(shí)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 W。。建立和更新At。的方法是在初始時(shí)刻，At。就等于A。，Ut。就等于U。；在索結(jié)構(gòu)服役過程
中，不斷實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量ut，如果ut等于
W。，則不需要對(duì)At。進(jìn)行更新；如果W不等于W。，則需要對(duì)r。進(jìn)行更新，此時(shí)W與U。的差就 是索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初始位置(對(duì)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At。的方法是對(duì)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(jì)算基準(zhǔn)模型A:更新At。的同時(shí)，Ut。所 有元素?cái)?shù)值也用Ut所有元素?cái)?shù)值代替，即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對(duì)應(yīng)于At。的W。。
"結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)"可由結(jié)構(gòu)上K個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L個(gè) 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K個(gè)指定點(diǎn)的所有應(yīng)變的變化。每次共 有M(M = KXL)個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。K和M —般不得小于索的數(shù) 為方便起見，在本發(fā)明中將"結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)"簡稱為"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"應(yīng)變的某某矩陣或某某向量"。 本發(fā)明中用被監(jiān)測(cè)量初始向量C。表示索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始值組成的向
量(見式(l))。要求在獲得A。的同時(shí)獲得C。。因在前述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模
型計(jì)算所得的被監(jiān)測(cè)量可靠地接近于初始被監(jiān)測(cè)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同
一符號(hào)來表示該計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。 C。= [Col C。,..C"..C。M]T (1) 式(1)中C。j (j = 1， 2， 3，.......， M ;M > N)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的初始
量，該分量依據(jù)編號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)于特定的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量。T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。
本發(fā)明中用被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量C是由索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前值組成 的向量(定義見式(2))。 C = [Q (V"Cr"CM]T (2)
式(2)中Cj(j = 1，2，3，.......， M;M^N)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前
值，該分量Cj依據(jù)編號(hào)規(guī)則與C。j對(duì)應(yīng)于同一"被監(jiān)測(cè)量"。 2.建立和更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC的方法。 索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基
準(zhǔn)模型At。的同時(shí)，更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)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(jì)算基準(zhǔn)模型At。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值
上等于所有支承索的數(shù)量。每一次計(jì)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(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它
次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如有限元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有 被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量 計(jì)算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i根索有單位損傷時(shí)，可用式(3)表示被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量 C」)；每一次計(jì)算得到被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)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(hào)等為標(biāo)記)的被監(jiān)測(cè)量變化向量(當(dāng)?shù)趇根索有 單位損傷時(shí)，用SCi表示被監(jiān)測(cè)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(cè)量變化向量的每一元素表示由于計(jì)算時(shí)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(duì)應(yīng)的被監(jiān)測(cè)量的改變量；有N根索就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，由于有 M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，所以每個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量有M個(gè)元素，由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組 成有MXN個(gè)元素的單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC， AC的定義如式(5)所示。 = [c;, c;2
c,'..
(3) 式(3)中元素Ct/(i = 1，2，3，.......，N ;j = 1，2，3，.......，M ;M > N)表示由
于第i根索有單位損傷時(shí)，依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算量。
5C,=C/—C。 (4) AC:
AC!, △C，
AC,
AC,
i，w
AC
2,W
厶W
(5) 式(5)中ACw(i = 1，2，3，.......，N ;j = 1，2，3，.......，M ;M > N)表示僅由
于第i根索有單位損傷而引起的、依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值 的變化(代數(shù)值)。被監(jiān)測(cè)量變化向量SCi實(shí)際上是矩陣AC中的一列，也就是說式(5) 也可以寫成式(6)。 A C = [ S d S C2... S C廣.S CN] (6) 3.被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量C(計(jì)算或?qū)崪y(cè))同被監(jiān)測(cè)量初始向量C。、單位損傷被 監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC、單位損傷標(biāo)量Du和當(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-C。+士AC"
(7)
6
C-C。=yAC" (8) d = [4 cV..cV..dN]T (9)式(9)中di(i = 1，2，
3，.......，N)是索系統(tǒng)中第i根索(或拉桿)的當(dāng)前損傷；di為0時(shí)表示無損傷，為100%
時(shí)表示該索徹底喪失承載能力，介于O與100%之間時(shí)表示喪失相應(yīng)比例的承載能力。
若設(shè)索損傷為100%時(shí)表示索徹底喪失承載能力，那么當(dāng)實(shí)際損傷不太大時(shí)(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(shí)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 = "fc(+AC"-C + C。) (〗0) 式(10)中abs()是取絕對(duì)值函數(shù)，對(duì)括號(hào)內(nèi)求得的向量的每一個(gè)元素取絕對(duì)值。
本發(fā)明的第二部分基于知識(shí)庫(含參量)和實(shí)測(cè)被監(jiān)測(cè)量的索系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng) 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(shí)測(cè)被監(jiān)測(cè)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(fù)值，也就是負(fù)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(gè)合理的解決方法，可用式(11)來表達(dá)這一 方法。 血(+AC" — C + C。)" (11) 式(11)中abs()是取絕對(duì)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。 g = [gl g2…gj…gM]T (12) 式(12)中g(shù)j(j = 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(cè)量初始向量C。、單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣A C、實(shí)測(cè)被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值
向量C和單位損傷Du(計(jì)算AC前設(shè)定，是標(biāo)量)已知時(shí)，可以利用合適的算法(例如多目
標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(ll)，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(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。 硬件部分包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(包括被監(jiān)測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng))、信 號(hào)采集器和計(jì)算機(jī)等。要求實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)被監(jiān)測(cè)量，要求實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每 一個(gè)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(cè)系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)分
析得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量ut、被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量c，然后讀取預(yù)先存儲(chǔ)的索
結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)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(jì)算基準(zhǔn)模型A\、當(dāng)前 索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut。、索系統(tǒng)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣A C、被監(jiān)測(cè)量初始向量C。和單位損傷值Du，比較當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量W和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut。，當(dāng)W 和Ut。相同時(shí)，依據(jù)合適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(ll)，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)W和W。不相同時(shí)，先對(duì)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu) 支座坐標(biāo)向量W。進(jìn)行更新，再在新At。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(cè)量變化矩陣AC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(ll)，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(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.確定指定的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)，被監(jiān)測(cè)點(diǎn)即表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的所有指定點(diǎn)，并給所有 指定點(diǎn)編號(hào)；確定被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變方向，并給所有指定的被監(jiān)測(cè)應(yīng)變編號(hào)；"被監(jiān) 測(cè)應(yīng)變編號(hào)"在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；"結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)"由上 述所有被監(jiān)測(cè)應(yīng)變組成；本發(fā)明將"結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)"簡稱為"被監(jiān)測(cè)量";被監(jiān)測(cè) 點(diǎn)的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被監(jiān)測(cè)量的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；
c.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)量初始向量 C。；在實(shí)測(cè)得到被監(jiān)測(cè)量初始向量C。的同時(shí)，實(shí)測(cè)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(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、索的無損檢測(cè)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(jì)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(jì)算基準(zhǔn)模型At。，索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)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(jì)算基準(zhǔn)
模型At。時(shí)，索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。就等于索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。；
對(duì)應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。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)向量第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A\時(shí)，W。就等于U。； e.從這里進(jìn)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量
W ; f.根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut，在必要時(shí)更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型 #。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量W。； g.在當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索 結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣A C和單位損傷標(biāo)量Du ; h.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(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素?cái)?shù) 值代表對(duì)應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；
j.依據(jù)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測(cè)量初始向量C。、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān) 測(cè)量變化矩陣AC、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(dá)為式l，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?cái)?shù)值代表對(duì)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(shí)現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)；若當(dāng) 前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為O，表示該元素所對(duì)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(duì)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 9</formula> k.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(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut，在必要時(shí)更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基 準(zhǔn)模型At。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量W。的具體方法為 fl.在步驟e中實(shí)測(cè)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut后，比較W和于UV如 果W等于Ut。，則At。和W。保持不變； f2.在步驟e中實(shí)測(cè)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut后，比較W和U:如果
W不等于Ut。，則需要對(duì)At。和W。進(jìn)行更新，更新方法是先計(jì)算W與U。的差，W與U。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(duì)應(yīng)關(guān)系，支座位移向量V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(duì)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(duì)應(yīng)元素的數(shù)值，對(duì)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(jì)算基準(zhǔn)模型At。，更新At。的同時(shí)，Ut。所有元素?cái)?shù)值也用第e步的
W所有元素?cái)?shù)值對(duì)應(yīng)代替，即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對(duì)應(yīng)于At。的W。。 在步驟g中，在當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。的基礎(chǔ)上，通過若干次力學(xué)計(jì)算獲得索
結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC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(cè)量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)
算基準(zhǔn)模型At。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut。的同時(shí)，必須同時(shí)更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)
測(cè)量變化矩陣A 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(jì)算基準(zhǔn)模型A\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N根索就有N次計(jì)算，每一次計(jì)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(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一 次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前 計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量； g3.每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量得到一個(gè)被 監(jiān)測(cè)量變化向量；有N根索就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量； g4.由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)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(cè)量變化 矩陣AC;索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)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
9受損時(shí)可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)評(píng)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(duì)存在支座沉降時(shí)的索系統(tǒng)的有效健康監(jiān)測(cè)是非常有益的。
具體實(shí)施例方式
在有支座沉降時(shí)，針對(duì)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)，本發(fā)明公開了一種能夠合理
有效地監(jiān)測(cè)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(shí)施例的下面
說明實(shí)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(cè)索結(jié)構(gòu)中的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。具體實(shí)施
時(shí)，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(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。確定被測(cè)量點(diǎn)(即所有表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變 信息的指定點(diǎn)，設(shè)有K個(gè)指定點(diǎn))，給所有指定點(diǎn)編號(hào)；確定每一個(gè)指定點(diǎn)的被測(cè)量的應(yīng)變 (設(shè)測(cè)量每個(gè)指定點(diǎn)的L個(gè)指定方向的應(yīng)變，不要求每個(gè)指定點(diǎn)有相同個(gè)數(shù)的被指定方向 的應(yīng)變，這里只是為了敘述方便而設(shè)測(cè)量每個(gè)指定點(diǎn)的L個(gè)指定方向的應(yīng)變)，并給所有被 測(cè)量的應(yīng)變編號(hào)；上述編號(hào)在后續(xù)步驟中同樣將用于生成向量和矩陣。每一個(gè)指定點(diǎn)可以 就是每一根索的固定端點(diǎn)(例如是斜拉橋的拉索在橋面上的固定端)附近的一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn) 一般不應(yīng)當(dāng)是應(yīng)力集中點(diǎn)，以避免出現(xiàn)過大的應(yīng)變測(cè)量值；該編號(hào)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(diǎn)可以僅僅測(cè)量一個(gè)方向的應(yīng)變，也可以測(cè)量多個(gè)方向的 應(yīng)變。"結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)"由上面確定的結(jié)構(gòu)上K個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn) 的L個(gè)指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化就是所有指定點(diǎn)的、所有指定直線的所有 指定方向的應(yīng)變的變化。每次共有M(M二KXL)個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的應(yīng)變 信息。K和M不得小于支承索的數(shù)量N。為方便起見，在本發(fā)明中將"結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變 數(shù)據(jù)"簡稱為"被監(jiān)測(cè)量"。 第二步直接測(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)量初 始向量C。；在實(shí)測(cè)得到被監(jiān)測(cè)量初始向量C。的同時(shí)，實(shí)測(cè)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(duì)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(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)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(duì)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(cè)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(jì)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(jì)算基 準(zhǔn)模型At。；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。時(shí)，索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn) 模型At。與索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。相同；對(duì)應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模 型At。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Ut。；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前
力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。時(shí)，Ut。就等于U。；基于初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的計(jì) 算數(shù)據(jù)必須非常接近其實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut ; 第五步根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut，在必要時(shí)更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量Ut。。在第四步實(shí)測(cè)得到的當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向 量W后，比較W和Ut。，如果W等于Ut。，則At。和W。保持不變；如果W不等于UV則需要對(duì) At。和W。進(jìn)行更新，更新方法是先計(jì)算W與U。的差，W與U。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(duì)應(yīng)關(guān)系，支座位移向量V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#。的方法是 對(duì)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(duì)應(yīng)元素的數(shù)值，對(duì)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(jì) 算基準(zhǔn)模型At。，更新At。的同時(shí)，W。所有元素?cái)?shù)值也用第四步的W所有元素?cái)?shù)值對(duì)應(yīng)代替， 即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對(duì)應(yīng)于At。的UV 第六步在當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲 得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)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(cè)量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu) 支座坐標(biāo)向量Ut。的同時(shí)，必須同時(shí)更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)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(jì)算基準(zhǔn)模型At。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N根索就有N次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有 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(jì)算中出現(xiàn)損傷的 索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算 值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量C;每
一次計(jì)算得到被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量； 有N根索就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組成有N列的單位 損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC ;單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)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(cè)量初始向 量C。、單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣A C)，在第六步進(jìn)行每一次計(jì)算的同時(shí)，即在每一次計(jì)算 假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷Du，每一次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中 出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如采用有限元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中 所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量C的同時(shí)，每 一次計(jì)算組成一個(gè)損傷向量d，該損傷向量d的所有元素中只有一個(gè)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(duì)應(yīng)于該次計(jì)算時(shí)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(gè)線性關(guān)系誤差向量e，每一次計(jì)算得到一 個(gè)線性關(guān)系誤差向量e ;有N根索就有N次計(jì)算，就有N個(gè)線性關(guān)系誤差向量e，將這N個(gè)線 性關(guān)系誤差向量e相加后得到一個(gè)向量，將此向量的每一個(gè)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(cè)系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括被監(jiān)測(cè)量監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)(例如含應(yīng)變傳感器、信號(hào)調(diào)理器等)、索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(例如用全站儀進(jìn) 行測(cè)量)、信號(hào)(數(shù)據(jù))采集器、計(jì)算機(jī)和通信報(bào)警設(shè)備。每一個(gè)被監(jiān)測(cè)量、每一個(gè)索結(jié)構(gòu)的 支座坐標(biāo)都必須被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)(數(shù)據(jù))采集器； 信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集器傳遞到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)則負(fù)責(zé)運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)軟件，包括記錄信號(hào)采集器傳遞來的信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到索有損傷時(shí)，計(jì)算機(jī)控制通信報(bào)警設(shè)備向監(jiān)控 人員、業(yè)主和(或)指定的人員報(bào)警。 第九步將被監(jiān)測(cè)量初始向量C。、單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC、單位損傷標(biāo)量
Du參數(shù)以數(shù)據(jù)文件的方式保存在運(yùn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)硬盤上。 第十步編制并在計(jì)算機(jī)上安裝運(yùn)行有支座沉降時(shí)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
軟件，該軟件將完成本發(fā)明"有支座沉降時(shí)索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)"任務(wù)所需要的監(jiān)測(cè)、
記錄、控制、存儲(chǔ)、計(jì)算、通知、報(bào)警等功能(即本具體實(shí)施方法中所有可以用計(jì)算機(jī)完成的
工作) 第十一步實(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C"; 第十二步依據(jù)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測(cè)量初始向量C。、單位損傷被 監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC、單位損傷標(biāo)量Du和索系統(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(jì)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。 可以采用的多目標(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(shí)現(xiàn)，本實(shí)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(shí)現(xiàn)過程可根據(jù)其具體 算法的要求以類似的方式實(shí)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(gè)實(shí)數(shù)，R是實(shí)數(shù)域，空間區(qū)域Q限制了向量d的每一個(gè)元素的取值范圍 (本實(shí)施例要求向量d的每一個(gè)元素不小于O，不大于l)。式(13)的意思是尋找一個(gè)最小 的實(shí)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(jì)算得到。實(shí)際計(jì)算時(shí)向量W可以與向量g相同。目標(biāo)規(guī)劃法的具體編程實(shí)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。
minimize Y (13)
Y G R， d G Q G(d)-WY《g (14)G(<i) = afe(+Ae" —"s。) (15) 索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)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O，表示該元素所對(duì)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(duì)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。
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第十三步健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)定期自動(dòng)或由人員操作健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成索 系統(tǒng)健康情況報(bào)表。 第十四步在指定條件下，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作通信報(bào)警設(shè)備向監(jiān) 控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報(bào)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(shí)的基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)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.確定指定的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)，被監(jiān)測(cè)點(diǎn)即表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的所有指定點(diǎn)，并給所有指定點(diǎn)編號(hào)；確定被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變方向，并給所有指定的被監(jiān)測(cè)應(yīng)變編號(hào)；“被監(jiān)測(cè)應(yīng)變編號(hào)”在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；“結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)”由上述所有被監(jiān)測(cè)應(yīng)變組成；本發(fā)明將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)”簡稱為“被監(jiān)測(cè)量”；被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被監(jiān)測(cè)量的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；c.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)量初始向量Co；在實(shí)測(cè)得到被監(jiān)測(cè)量初始向量Co的同時(shí)，實(shí)測(cè)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(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、索的無損檢測(cè)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(jì)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(jì)算基準(zhǔn)模型Ato，索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)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(jì)算基準(zhǔn)模型Ato時(shí)，索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ato就等于索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ao；對(duì)應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前力學(xué)計(jì)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(jì)算基準(zhǔn)模型Ato時(shí)，Uto就等于Uo；e.從這里進(jìn)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut；f.根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut，在必要時(shí)更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)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(jì)算基準(zhǔn)模型Ato的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣ΔC和單位損傷標(biāo)量Du；h.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(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，索系統(tǒng)當(dāng)前損傷向量d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；j.依據(jù)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C同被監(jiān)測(cè)量初始向量Co、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)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(dá)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?cái)?shù)值代表對(duì)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(shí)現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)；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(duì)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(duì)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>ΔC</mi><mo>·</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(shí)的基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法，其 特征在于在步驟f中，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut，在必要時(shí)更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基 準(zhǔn)模型At。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量W。的具體方法為fl.在步驟e中實(shí)測(cè)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量Ut后，比較Ut和于Ut。，如果Ut 等于Ut。，則At。和Ut。保持不變；f2.在步驟e中實(shí)測(cè)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量W后，比較W和UV如果W不 等于UV則需要對(duì)At。和W。進(jìn)行更新，更新方法是先計(jì)算W與U。的差，W與U。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(duì)應(yīng)關(guān)系，支座位移向量V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(duì)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(duì)應(yīng)元素的數(shù)值，對(duì)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(jì)算基準(zhǔn)模型A:更新At。的同時(shí)，W。所有元素?cái)?shù)值也用第e步的W所 有元素?cái)?shù)值對(duì)應(yīng)代替，即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對(duì)應(yīng)于At。的W。。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有支座沉降時(shí)的基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法，其 特征在于在步驟g中，在當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。的基礎(chǔ)上，通過若干次力學(xué)計(jì)算獲得索 結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC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(cè)量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基 準(zhǔn)模型At。和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量W。的同時(shí)，必須同時(shí)更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量 變化矩陣A 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(jì)算基準(zhǔn)模型A\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N根索就有N次計(jì)算，每一次計(jì)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(jì)算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)損傷的索，每一次計(jì) 算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算 值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量；g3.每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量得到一個(gè)被監(jiān)測(cè) 量變化向量；有N根索就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；g4.由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)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(cè)量變化矩陣 AC ;索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣AC的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量。
全文摘要
有支座沉降時(shí)的基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)方法基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)、通過監(jiān)測(cè)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(jì)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(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)支座沉降的結(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)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測(cè)量初始向量、單位損傷被監(jiān)測(cè)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(shí)、比較準(zhǔn)確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101788399SQ20101012726
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)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(qǐng)人:東南大學(xué)