基于索力监测的递进式索结构健康监测方法技术

基于索力监测的递进式索结构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，考虑到了被监测量的当前数值向量同被监测量的初始数值向量、单位损伤被监测量变化矩阵和当前名义健康状态向量间的线性关系是近似的，为克服此缺陷，本发明专利技术给出了使用线性关系分段逼近非线性关系的方法，将大区间分割成连续的一个个小区间，在每一个小区间内上述线性关系都是足够准确的，在每一个小区间内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、受损索和松弛索。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术基于结构健康监测技术，基于索力监测、采用递进式方法来识别支座位移、 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、受损索和松弛索。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，采用 递进式方法的、能够合理有效地识别支座位移、受损索和松弛索的健康监测。技术方案斜拉桥、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，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j表示这一 编号，j = 1，2，3，...，N，因此可以说有N个被评估对象。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；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被评估对象健康监测的知识库和参量的方法。可按 如下步骤依次循环往复地、递进式进行第一步每一次循环开始时，首先需要建立或已建立本次循环开始时的被评估对 象初始健康状态向量d/(i = 1，2，3，…)、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)、建立索结构的力学计算基准模型Ai (例如有限元 基准模型，i = 1，2，3，…)。字母i除了明显地表示步骤编号的地方外，在本专利技术中字母i 仅表示循环次数，即第i次循环。第i次循环开始时需要的索结构“初始健康状态向量(!。“’(如式(1)所示)，用C^i 表示第i次循环开始时索结构(用力学计算基准模型Ai表示)的索结构的初始健康状态。d=^ ‘···<··· d'oN}TO)式(1)中(!^(i= 1,2,3, = 1,2,3,.......，N)表示第 i 次循环开始时、力学计算基准模型Ai中的索系统的第j个被评估对象的当前健康状态，如果该被评估对象是 索系统中的一根索(或拉杆)，那么Cli表示其当前损伤，屯为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，如果该 被评估对象是一个支座的一个位移分量，那么屯表示其当前位移数值。式(1)中T表示向 量的转置(后同)。第一次循环开始时建立初始健康状态向量(依据式(1)记为d1。)时，利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据以及支座位移测量建立被评估对象初始健康状态向量d1。。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d1。的中与索相关的各元素数值取O。第i次(i = 2，3，4，5，6…)循环开始时需要的被评估对象初始健康状态向量屮。， 是在前一次(即第i_l次，i = 2，3，4，5，6…)循环结束前计算获得的，具体方法在后文叙 述。第i次循环开始时需要建立的力学计算基准模型或已建立的力学计算基准模型 记为A、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、悬索桥而言是桥的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于索力监测的递进式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；用变量ｊ表示这一编号，ｊ＝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ｌ↓［ｏ］是不变的；同时，实测或根据结构设计、竣工资料得到所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积；ｅ．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↑［ｉ］；这里是第一次循环，ｉ取１，即这里建立的索结构的力学计算基准模型Ａ↑［ｉ］可以具体化为Ａ↑［１］；ｆ．在力学计算基准模型Ａ↑［ｉ］的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔＣ↑［ｉ］”和“名义单位损伤向量Ｄ↑［ｉ］↓［ｕ］”；ｇ．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↑［ｉ］”；给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；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↑［ｉ］；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；ｈ．在结构健康监测过程中，对新增加的Ｍ↓［２］根索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的索；ｉ．依据被监测量编号规则，从被监测量的初始数值向量Ｃ↑［ｉ］↓［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；依据被监测量编号规则，从单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔＣ↑［ｉ］中去除步骤ｈ中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；ｊ．定义当前名义健康状态向量ｄ↑［ｉ］↓［ｃ］和当前实际健康状态向量ｄ↑［ｉ］，两个损伤向量的元素个数等于被评估对象的数量，当前名义健康状态向量ｄ↑［ｉ］↓［ｃ］的元素数值代表对应被评估对象的当前名义损伤程度或支座位移，当前实际健康状态向量ｄ↑［ｉ］的元素数值代表对应被评估对象的当前实际损伤程度或支座...

【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]