基于应变监测的索结构中索系统的健康监测方法技术方案

基于应变监测的索结构中索系统的健康监测方法在结构的力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，计算次数等于索的数量。每次计算假设只有一根索有单位损伤，每次计算结果组成一个计算当前应变向量；每个计算当前应变向量减去初始应变向量，获得一个应变变化向量；所有的应变变化向量组成单位损伤应变变化矩阵。依据当前应变向量（由所有指定点的当前实测应变组成）同初始应变向量、单位损伤应变变化矩阵、单位损伤标量和当前索损伤向量（由所有索当前损伤量组成）间存在的近似线性关系，可以利用多目标优化算法等合适的算法快速算出当前索损伤向量的非劣解，据此可以比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术基于应变监测来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统(指所有承载索)中的受损索，属工程结构健康监测领域。
技术介绍
索系统通常是索结构的关键组成部分，它的失效常常带来整个结构的失效，基于结构健康监测技术来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。目前结构健康监测技术主要通过对索力的监测，根据索力的变化来识别受损索及其损伤程度。然而就单一索而言，其索力变化同其健康状况(损伤程度)有明确的、单调变化的关系，但是，当这根索是索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的一根时，由于每一根特定索的索力变化不仅仅受它自身健康状况的影响，还受其它索健康状况的影响，因此观察每一根特定索的索力的变化时，即使在该索相同健康状况(相同损伤程度或无损伤)条件下，也会监测到其索力变化忽正忽负、忽大忽小的现象，这对受损索的识别是非常不利的。目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。每一根索的健康状况除了会影响所有索的索力外，还会影响索结构的变形或应变，目前还没有出现公开报道的通过对索结构的变形或应变的监测来实现索系统的健康监测的系统和方法。 为了能对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统的健康状态有可靠的监测和判断，必须有一个能够合理有效的建立索结构的变形或应变的变化同索系统中所有索的健康状况间的关系的方法，基于该方法建立的健康监测系统可以给出更可信的索系统的健康评估。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是针对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)中索系统的健康监测问题，公开了一种能够合理有效地监测索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的。 技术方案本专利技术由三大部分组成。分别是建立索系统健康监测所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)和实测索结构的应变(或变形)的索系统健康状态评估方法、健康监测系统的软件和硬件部分。 本专利技术的第一部分建立用于索系统健康监测的知识库和参量的方法。可分为如下三个步骤 1.建立索结构的计算基准模型(例如有限元基准模型)。根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据(包括结构形状数据、索力数据、结构模态数据等实测数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)、利用力学方法(例如有限元法)建立该结构的计算(例如有限元)基准模型，基于该计算基准模型(例如有限元基准模型)计算得到的结构计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)必须非常接近其实测数据，误差一般不得大于5％。这样可保证在此计算基准模型上计算所得的模拟情况下的应变计算数据、索力计算数据、结构形状计算数据和位移计算数据等，可靠地接近模拟情况真实发生时的实测数据。 结构应变数据可由结构上K个指定点的、及每个指定点的L个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K个指定点的所有应变分量的变化。每次共有M(M＝K×L)个应变测量值或计算值来表征结构应变。K和M一般不得小于索的数量。 设索系统中共有N根索，那么可用向量εo表示索结构中所有指定点的初始应变向量(参见式(1))。因在上述条件下，基于索结构的计算基准模型计算所得的指定点的初始应变可靠地接近于指定点的初始应变的实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示计算值和实测值。 εo＝T (1) 式(1)中εoi(i＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构中第i个初始应变分量(假设此时该索无损伤)，该分量依据编号规则对应于特定点的一个应变分量。T表示向量的转置(后同)。 2.建立索结构单位损伤应变变化矩阵Δε。在索结构的力学计算基准模型的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有索的数量。每一次计算假设索系统中只有一根索有单位损伤Du(单位损伤应较小、且其引起的应变变化能够被传感器准确识别出来，例如取10％损伤为单位损伤)，每一计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的所有指定点的所有当前应变分量，每一次计算组成一个所有指定点的计算当前应变向量(当假设第j根索有单位损伤时，可用式(2)表示所有指定点的计算当前应变向量εtj)；每一次计算得到的计算当前应变向量减去初始应变向量，所得向量就是此条件下(以有单位损伤的索的位置或编号等为标记)的应变变化向量(当第j根索有单位损伤时，用δεj表示应变变化向量，定义见式(3)，式(3)为式(2)减去式(1)所得)，应变变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的那根索的单位损伤而引起的该元素所对应的指定点的某个方向的应变的改变量；有N根索就有N个应变变化向量，每个应变变化向量有M(M≥N)个元素，由这N个应变变化向量依次组成有M×N个元素的单位损伤应变变化矩阵Δε，Δε的定义如式(4)所示。 式(2)中元素εtij(i＝1，2，3，.......，M；j＝1，2，3，.......，N；M≥N)表示由于第j根索有单位损伤时，依据编号规则所对应的某个指定点的、某个方向的、编号为i的计算当前应变。 式(4)中Δεi，j(i＝1，2，3，.......，M；j＝1，2，3，.......，N；M≥N)表示仅仅由于第j根索有单位损伤而引起的、依据编号规则所对应的某个指定点的、某个方向的、编号为i的应变的变化(代数值)。应变变化向量δεj实际上是矩阵Δε中的一列，也就是说式(4)也可以写成式(5)。 Δε＝ (5) 3.索系统当前(计算或实测)应变向量ε同初始应变向量εo、单位损伤应变变化矩阵Δε、单位损伤标量Du和当前损伤向量d间的近似线性关系，如式(6)所示。 式(6)中当前应变向量ε的定义类似于初始应变向量εo的定义，参见式(7)；索系统当前损伤向量d的定义参见式(8)；Du是单位损伤，已在前面说明过。 ε＝T (7) 式(7)中εi(i＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构的、依据编号规则所对应的某个指定点的、某个方向的、编号为i的当前应变。 d＝T (8) 式(8)中di(i＝1，2，3，.......，N)是索系统第i根索的当前损伤；di为0时表示无损伤，为100％时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100％之间时表示丧失相应比例的承载能力。 若设索损伤为100％时表示索彻底丧失承载能力，那么当实际损伤不太大时(例如不大于30％的损伤)，由于索结构材料仍然处在线弹性阶段，索结构的变形也较小，式(6)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小。用式(9)定义的误差向量e表示式(6)所示线性关系的误差。 式(9)中abs()是取绝对值函数，对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。 本专利技术的第二部分基于知识库(含参量)和当前实测结构应变(指定点的应变)的索系统健康状态评估方法。由于式(6)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(6)和实测当前应变向量ε来直接求解得到索损伤向量d。如果这样做了，得到的索损伤向量d中的元素甚至会出现大的负值，也就是负损伤，这明显是不合理的。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于应变监测的索结构中索系统的健康监测方法，其特征在于所述方法包括：　ａ．确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；　ｂ．确定指定的被测量点，被测量点即表征结构应变的所有指定点，并给所有指定点编号；确定被测量点的被测量的应变方向，并编号；上述编号在后续步骤中同样将用于生成向量和矩阵；测量点的数量一般不得小于索的数量；所有被测量的指定点的所有指定应变方向的数量之和不得小于索的数量；　ｃ．在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，直接测量计算得到索结构的所有指定点的初始应变，组成初始应变向量ε↓［ｏ］；　ｄ．在索结构无损伤条件或可认为无损伤条件下，在实测得到初始应变向量的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据和结构的初始几何数据；　ｅ．根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据，建立索结构的力学计算基准模型，索结构的实测数据至少包括结构的所有索的初始索力数据和初始几何数据；　ｆ．在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得单位损伤应变变化矩阵Δε；　ｇ．实测得到索结构的所有指定点的当前实测应变，组成当前应变向量ε；　ｈ．定义索系统当前损伤向量ｄ，当前损伤向量的元素个数等于索的数量，当前损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，当前损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；　ｉ．依据当前应变向量ε同初始应变向量ε↓［ｏ］、单位损伤应变变化矩阵Δε、单位损伤标量Ｄ↓［ｕ］和待求的索系统当前损伤向量ｄ间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式１，式１中除ｄ外的其它量均为已知，求解式１就可以算出当前损伤向量ｄ；　ε＝ε↓［ｏ］＋１／Ｄ↓［ｕ］Δε.ｄ式１　ｊ．由于当前损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前损伤向量就能确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前索损伤向量的某一元素的数值为０，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为１００％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于０和１００％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩玉林，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]