基于应变监测的识别受损索和支座位移的健康监测方法技术

基于应变监测的识别受损索和支座位移的健康监测方法基于应变监测，根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据等建立索结构的力学计算基准模型，在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵；依据被监测量的当前数值向量同被监测量初始向量、索结构被监测量单位变化矩阵和待求的被评估对象当前状态向量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识别出支座位移和受损索。

【技术实现步骤摘要】

斜拉桥、悬索桥、桁架结构等结构有一个共同点，就是它们有许多承受拉伸载荷的 部件，如斜拉索、主缆、吊索、拉杆等等，该类结构的共同点是以索、缆或仅承受拉伸载荷的 杆件为支承部件，为方便起见本专利技术将该类结构表述为“索结构”。在索结构的服役过程中， 索结构的支承系统(指所有承载索、及所有起支承作用的仅承受拉伸载荷的杆件，为方便 起见，本专利将该类结构 的全部支承部件统一称为“索系统”，但实际上索系统不仅仅指支 承索，也包括仅承受拉伸载荷的杆件)会受损，同时索结构的支座也可能出现位移，这些变 化对索结构的安全是一种威胁，本专利技术基于结构健康监测技术，基于应变监测来识别支座 位移和索结构的索系统中的受损索，属工程结构健康监测领域。
技术介绍
支座位移对索结构安全是一项重大威胁，同样的，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支座位移和索 结构的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。当支座出现位移时、或索系统的健康状 态发生变化时、或者两种情况同时发生时，会引起结构的可测量参数的变化，例如会引起索 力的变化，会影响索结构的变形或应变，会影响索结构的形状或空间坐标，会引起过索结构 的每一点的任意假想直线的角度坐标的变化(例如结构表面任意一点的切平面中的任意 一根过该点的直线的角度坐标的变化，或者结构表面任意一点的法线的角度坐标的变化)， 所有的这些变化都包含了索系统的健康状态信息，实际上这些可测量参数的变化包含了索 系统的健康状态信息、包含了支座位移信息，也就是说可以利用结构的可测量参数来识别 支座位移和受损索。为了能对索结构的索系统的健康状态和支座位移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可测量参数的变化同支座位移和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支座位移评估和 索系统的健康评估。
技术实现思路
技术问题本专利技术公开了一种基于应变监测的、能够合理有效地识别支座位移和 受损索的健康监测方法。该方法可以同时识别出索结构支座位移和索系统的健康状态(包 括所有受损索的位置和损伤程度)。技术方案设索的数量和支座位移分量的数量之和为N。为叙述方便起见，本专利技术 统一称被评估的索和支座位移为“被评估对象”，给被评估对象连续编号，本专利技术用用变量i 表示这一编号，i = 1，2，3，...，N，因此可以说有N个被评估对象。本专利技术由三大部分组成。分别是建立被评估对象健康监测系统所需的知识库和参 量的方法、基于知识库(含参量)和实测索结构的应变(或变形)的被评估对象健康状态 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被评估对象健康监测的知识库和参量的方法。具体 如下1.建立索结构的力学计算基准模型A。(例如有限元基准模型)的方法如下。建立A。时，根据索结构完工之时的索结构的实测数据(包括索结构形状数据、索 力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索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、索的无损检测数据等能够表达索的健康 状态的数据)和设计图、竣工图，利用力学方法(例如有限元法)建立A。；如果没有索结构 完工之时的结构的实测数据，那么就在建立健康监测系统前对结构进行实测，得到索结构 的实测数据(包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结 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、 索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据)，根据此数据和索结构的设计图、竣工 图，利用力学方法(例如有限元法)建立A。。不论用何种方法获得A。，基于A。计算得到的索 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%。这样可保证利用A。计算所得的模拟情况下的 应变计算数据、索力计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度数据等， 可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。“结构的全部被监测的应变数据”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的变化。每次共 有M(M = KXL)个应变测量值或计算值来表征结构应变信息。K和M —般不得小于N。为方便起见，在本专利技术中将“结构的被监测的应变数据”简称为“被监测量”。在后 面提到“被监测量的某某矩阵或某某向量”时，也可读成“应变的某某矩阵或某某向量”。本专利技术中用被监测量初始向量C。表示索结构的所有被监测量的初始值组成的向 量(见式(1))。要求在获得A。的同时获得C。。因在前述条件下，基于索结构的计算基准模 型计算所得的被监测量可靠地接近于初始被监测量的实测数据，在后面的叙述中，将用同 一符号来表示该计算值和实测值。C0= [C01 C02- · .C0, · -C0JT (1)式(1)中C。j(j = 1，2，3，.......，M ;M彡N)是索结构中第j个被监测量的初始量，该分量依据编号规则对应于特定的第j个被监测量。T表示向量的转置(后同)。本专利技术中用被监测量当前数值向量C是由索结构中所有被监测量的当前值组成 的向量(定义见式(2))。C = [C1 C2 · · · Cj · · · CJT (2)式(2)中CjG = 1,2,3,.......，M;M彡N)是索结构中第j个被监测量的当前值，该分量依据编号规则与对应于同一“被监测量”。2.建立索结构被监测量单位变化矩阵AC的方法。建立索结构被监测量单位变化矩阵Δ C的具体方法如下在索结构的力学计算基准模型Α。的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于 N。每一次计算假设只有一个被评估对象有单位损伤或单位位移，具体的，如果该被评估对 象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索有单位损伤(例如取5 %、10 %、20 %或 30%等损伤为单位损伤)，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的位移分量，就假设该支座在该位移方向发生单位位移(例如10mm，20mm, 30mm等为单位位移)，用Dui记录这一 单位损伤或单位位移，其中i表示发生单位损伤或单位位移的被评估对象的编号。用“单位 损伤或单位位移向量Du”(如式(3)所示)记录所有的单位损伤或单位位移。每一次计算 中出现单位损伤或单位位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位位移 的被评估对象，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的所有被监测量 的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前 向量(当假设第i个被监测量有单位损伤或单位位移时，可用式(4)表示被监测量计算当 前向量Cti)；每一次计算得到被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量后再除以该次 计算所假设的单位损伤或单位位移数值，所得向量就是此条件下(以有单位损伤或单位位 移的被评估对象的编号为标记)的被监测量变化向量(当第i个被评估对象有单位损伤或 单位位移时，用S Ci表示被监测量变化向量，定义见式(5)，式(5)为式(4)减去式(1)所 得)，被监测量变化向量的每一元素表示由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于应变监测的识别受损索和支座位移的健康监测方法，其特征在于所述方法包括：ａ．称被评估的支承索和支座位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座位移分量的数量之和为Ｎ，即被评估对象的数量为Ｎ；确定被评估对象的编号规则，按此规则将索结构中所有的被评估对象编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；用变量ｉ表示这一编号，ｉ＝１，２，３，．．．，Ｎ；ｂ．确定指定的被监测点，被监测点即表征结构应变信息的所有指定点，并给所有指定点编号；确定被监测点的被监测的应变方向，并给所有指定的被监测应变编号；“被监测应变编号”在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；“结构的全部被监测的应变数据”由上述所有被监测应变组成；将“结构的被监测的应变数据”简称为“被监测量”；所有被监测量的数量之和不得小于Ｎ；ｃ．直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量初始向量Ｃ↓［ｏ］；在实测得到被监测量初始向量Ｃ↓［ｏ］的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据、结构的初始几何数据和初始索结构支座坐标数据；ｄ．根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据、索的无损检测数据和初始索结构支座坐标数据建立索结构的力学计算基准模型Ａ↓［ｏ］；ｅ．在力学计算基准模型Ａｏ的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵ΔＣ；ｆ．实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成被监测量的当前数值向量Ｃ；ｇ．定义被评估对象当前状态向量ｄ，被评估对象当前状态向量ｄ的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前状态向量ｄ的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前状态向量ｄ的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或位移；ｈ．依据被监测量的当前数值向量Ｃ同被监测量初始向量Ｃ↓［ｏ］、索结构被监测量单位变化矩阵ΔＣ和待求的被评估对象当前状态向量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就可以算出被评估对象当前状态向量ｄ；由于被评估对象当前状态向量ｄ的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或位移，所以根据被评估对象当前状态向量确定有哪些索受损及其损伤程度，可以确定支座位移，即实现了支座位移的评估和索结构中索系统的健康状态评估；Ｃ＝Ｃ↓［ｏ］＋ΔＣ.ｄ式１。...

【技术特征摘要】

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