基于索力监测的识别受损索和支座位移的健康监测方法技术

基于索力监测的识别受损索和支座位移的健康监测方法基于索力监测，即对全部支承索和人为增加的索的索力进行监测，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，基于索力监测来识别支座 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索力监测的识别受损索和支座位移的健康监测 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，该编号在后续步 骤中将用于生成向量和矩阵。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。设索系统中共有M1根支承索，结构索力数据包括这M1根支承索的索力，显然M1小 于被评估对象的数量N。仅仅通过M1个支承索的M1个索力数据来求解未知的N个被评估对象的状态是不可能的，本专利技术在监测全部M1根支承索索力的基础上，增加对不少于(N-M1)个其他被监测量。增加的不少于(N-M1)个的其他被监测量仍然是索力，叙述如下在结构上人为增加M2 (M2不小于N-M1)根索，新增加的M2根索的刚度同索结构的任 意一根支承索的刚度相比，可以小很多，例如小10倍，新增加的M2根索的索力应当较小，例 如其横截面正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的M2根索不会发生疲劳 损伤，新增加的M2根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛，新增加的M2根索应当得到 充分的防腐蚀保护，保证新增加的M2根索不会发生损伤和松弛，在结构健康监测过程中将 监测这新增加的M2根索的索力。综合上述被监测量，整个结构共有M(M = M^M2)根索的M个被监测量，M不得小于 被评估对象的数量N。由于M个被监测量都是索力，所以本专利技术称为“基于索力监测的识别 受损索和支座位移的健康监测方法”。为方便起见，在本专利技术中将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。给M 个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。本专利技术用用变量j表 示这一编号，j = 1，2，3，. . .，M。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)和实测索结构的被监测量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。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。首先在索结构上增加M2 (M2不小于N-M1)根索，新增加的M2根索的刚度同结构的任 意一根支承索的刚度相比，可以应当小很多，例如小10倍，在结构健康监测过程中将监测 这新增加的M2根索的索力。在结构健康监测系统开始工作前实测得到这新增加的M2根索 的索力。同时测量得到新增加的M2根索的几何参数和力学参数，测量得到新增加的M2根索 的两个在索结构上安装端点的坐标。称上述信息为新增加的M2根索的所有信息。新增加的M2根索的所有信息已知后，再建立A。。建立A。时，根据已知的新增加的 M2根索的所有信息，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。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≥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≥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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于索力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．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．设索系统中共有Ｍ↓［１］根支承索，结构索力数据包括这Ｍ↓［１］根支承索的索力，显然Ｍ↓［１］小于被评估对象的数量Ｎ；仅仅骤ｆ中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；ｊ．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；ｋ．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。通过Ｍ↓［１］个支承索的Ｍ↓［１］个索力数据来求解未知的Ｎ个被评估对象的状态是不可能的，在监测全部Ｍ↓［１］根支承索索力的基础上，在结构上人为增加Ｍ↓［２］根索，在结构健康监测过程中将监测这新增加的Ｍ↓［２］根索的索力；综合上述被监测量，整个结构共有Ｍ根索的Ｍ个索力被监测，即有Ｍ个被监测量，其中Ｍ为Ｍ↓［１］与Ｍ↓［２］之和；Ｍ不得小于被评估对象的数量Ｎ；新增加的Ｍ↓［２］根索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，应当小得多；新增加的Ｍ↓［２］根索的索力应当比索结构的任意一根支承索的索力小得多，这样可以保证即使这新增加的Ｍ↓［２］根索出现了损伤或松弛，对索结构其他构件的应力、应变、变形的影响微乎其微；新增加的Ｍ↓［２］根索的横截面上正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的Ｍ↓［２］根索不会发生疲劳损伤；新增加的Ｍ↓［２］根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的Ｍ↓［２］根索应当得到充...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩玉林，万江，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]