一种基于索力监测的索结构健康监测方法技术

一种基于索力监测的索结构健康监测方法，该方法基于索力监测，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健康状态向量间存在的近似线性关系，可以识别出索结构的健康状态的变化，即识别出支座位移、受损索和松弛索。

【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、识别索结构的索系统中的受损索、识别需调整索力的支承索，并给出具体的索长调整 量，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，索系统的损伤和松弛也将对结 构的安全造成不良影响，严重时将会引起结构的失效，因此准确及时地识别支座位移、受损 索和松弛索(即需调整索力的支承索)是非常必要的。索结构出现支座位移、受损索和松弛索后会引起结构的可测量参数的变化，例如 会引起索力的变化，实际上索力的变化包含了索结构的健康状态信息，也就是说可以利用 结构索力数据判断结构的健康状态，可以基于索力监测(本专利技术将被监测的索力称为“被 监测量”，后面提到“被监测量”就是指被监测的索力)来识别支座位移、受损索和松弛索。
技术实现思路
技术问题本专利技术公开了，在索结构支 座出现位移的情况下、在有较多的索同步受损或松弛的条件下可以非常准确地监测评估出索结构的健康状态(包括所有支座位移、所有松弛索和受损索的位置、 及其松弛程度或损伤程度)。技术方案依据支承索的索力变化的原因，可将支承索的索力变化分为三种情况 一是支承索受到了损伤，例如支承索出现了局部裂纹和锈蚀等等；二是支承索并无损伤，但 索力也发生了变化，出现这种变化的主要原因之一是支承索自由状态(此时索张力也称索力为0)下的索长度(称为自由长度，本专利技术专指支承索两支 承端点间的那段索的自由长度)发生了变化；三是支承索并无损伤，但索结构支座有了位 移(其中在重力方向的分量就被称为沉降)，也会引起结构内力的变化，当然也就会引起索 力的变化。为了方便，本专利技术将自由长度发生变化的支承索统称为松弛索。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Q根支承索，结构索力数据包括这Q根支承索的索力，显然Q小于 被评估对象的数量N。仅仅通过Q个支承索的Q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Q根支承索索力的基础上，增加对不少于(N-Q)个其 他被监测量。增加的不少于(N-Q)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-Q)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 = Q+M2)根索的M个被监测量，M不得小于 被评估对象的数量N。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。本专利技术由两大部分组成。分别是一、建立用于识别支座位移、受损索和松弛索的 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)、基于被监测量等量的监 测的、识别索结构的支座位移、受损索和松弛索的方法。二、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识别索结构支座位移、受损索和松弛索的健康监测 系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)、基于实测索结构支座坐标的、基 于被监测量等量的监测的、识别索结构的支座位移、受损索和松弛索的方法。可按如下方法 进行，以获得更准确的索结构的健康状态评估。第一步首先建立索结构初始健康状态向量d。、建立索结构的初始力学计算基准 模型A。(例如有限元基准模型，在本专利技术中A。是不变的)。索结构“初始健康状态向量记为d。”(如式(1)所示)，用d。表示索结构(用索结 构的初始力学计算基准模型A。表示)的健康状态。d。= T (1)式(1)中Ui = 1,2,3,.......，N)表示A。中的索结构的第i个被评估对象的初始健康状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么cU表示其初始损 伤，doi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，如果经无损检测查明该索没有损伤，那么Cltji表示该索与Cltji 损伤值力学等效的松弛，具体松弛量的计算方法在后面说明；如果该被评估对象是一个支 座的一个位移分量，那么Cltji表示其初始位移数值。式(1)中T表示向量的转置(后同)。建立索结构初始健康状态向量(依据式(1)记为d。)时，利用索结构完工之时或 健康监测系统开始工作之时的索结构的支座坐标的实测数据和设计图、竣工图确定索结构 初始健康状态向量d。的对应于支座位移的各元素数值；利用索的无损检测数据等能够表达 索的健康状态的数据确定索结构初始健康状态向量d。的对应于索的各元素数值；如果没有 索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状态为无损伤无松弛状态时，向量d。的对应于索的各元素数值取O。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-Q)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、索结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于索力监测的索结构健康监测方法，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；本专利技术用变量ｉ表示这一编号，ｉ＝１，２，３，．．．，Ｎ；ｂ．设索系统中共有Ｑ根支承索，结构索力数据包括这Ｑ根支承索的索力，显然Ｑ小于被评估对象的数量Ｎ；仅仅通过Ｑ个支承索的Ｑ个索力数据来求出出现损伤或松弛的索；ｉ．依据被监测量编号规则，从被监测量初始向量Ｃ↓［ｏ］中去除步骤ｈ中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；ｊ．依据被监测量编号规则，从索结构被监测量单位变化矩阵ΔＣ中去除步骤ｈ中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；ｋ．实测得到索结构的所有支承索的当前索力，组成当前索力向量Ｆ；同时，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”；然后从被监测量的当前数值向量Ｃ中去除步骤ｈ中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；实测计算得到所有支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离；ｌ．定义待求的被评估对象当前健康状态向量ｄ↓［ｃ］和当前实际健康状态向量ｄ；向量ｄ↓［ｏ］、ｄ↓［ｃ］和ｄ的元素个数等于被评估对象的数量，ｄ↓［ｏ］、ｄ↓［ｃ］和ｄ的元素和被评估对象之间是一一对应关系，ｄ↓［ｏ］、ｄ↓［ｃ］和ｄ的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或位移、或与松弛程度力学等效的损伤程度；ｍ．依据“被监测量的当前数值向量Ｃ”同“被监测量的初始数值向量Ｃ↓［ｏ］”、“索结构被监测量单位变化矩阵ΔＣ”和“被评估对象当前健康状态向量ｄ↓［ｃ］”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↓［ｃ］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健康状态向量ｄ↓［ｃ］；Ｃ＝Ｃ↓［ｏ］＋ΔＣ.ｄ↓［ｃ］式１ｎ．利用式２表达的当前实际健康状态向量ｄ的元素ｄ↓［ｊ］同初始健康状态向量ｄ↓［ｏ］的元素ｄ↓［ｏｊ］和被评估对象当前健康状态向量ｄ↓［ｃ］的元素ｄ↓［ｃｊ］间的关系，计算得到当前实际健康状态向量ｄ的所有元素。ｄ↓［ｉ］＝１－（１－ｄ↓［ｏｉ］）（１－ｄ↓［ｃｉ］）式２式２中ｉ＝１，２，３，……，Ｎ；由于当前实际健康状态向量ｄ的元素数值代表对应被...

【技术特征摘要】

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