基于索力监测的识别受损索和支座角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角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角位移和受损索。

【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角位移(例如支座绕坐标轴x、Y、z的转动，实际上就是支座绕坐标轴Χ、Υ、Ζ的角位移)，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角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
支座角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角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。当支座出现角位移时、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、包含了支座角位移信息，也就是说可以利用结构的可测量参数来识别支座角位移和受损索。为了能对索结构的索系统的健康状态和支座角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角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角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、能够合理有效地识别支座角位移和受损索的健康监测方法。技术方案设索的数量和支座角位移分量的数量之和为见为叙述方便起见，本专利技术统一称被评估的索和支座角位移为“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=l，2，3，···，见因此可以说有#个被评估对象。设索系统中共有軋根支承索，结构索力数据包括这根支承索的索力，显然小于被评估对象的数量#。仅仅通过軋个支承索的軋个索力数据来求解未知的#个被评估对象的状态是不可能的，本专利技术在监测全部軋根支承索索力的基础上，增加对不少于GV- M1) 个其他被监测量。增加的不少于GV- 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丛( 不小于N- i/p根索，新增加的丛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，新增加的丛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丛根索不会发生疲劳损伤，新增加的丛根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛，新增加的丛根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的尾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丛根索的索力。综合上述被监测量，整个结构共有I (M=M^M2)根索的I个被监测量，I不得小于被评估对象的数量#。由于I个被监测量都是索力，所以本专利技术称为“”。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Ji 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，7·=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。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。首先在索结构上增加丛( 不小于N- i/P根索，新增加的尾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尾根索的索力。在结构健康监测系统开始工作前实测得到这新增加的丛根索的索力。同时测量得到新增加的尾根索的几何参数和力学参数，测量得到新增加的丛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丛根索的所有信息。新增加的丛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丛根索的所有信息，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、索结构支座角坐标数据、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、索结构支座角坐标数据、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角位移计算数据、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。权利要求1. 一种，其特征在于所述方法包括a.为叙述方便起见，统一称被评估的支承索和支座角位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座角位移分量的数量之和为见即被评估对象的数量为# ；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=l, 2，3，…，N-,b.设索系统中共有根支承索，结构索力数据包括这軋根支承索的索力，显然軋小于被评估对象的数量#;仅仅通过軋个支承索的軋个索力数据来求解未知的#个被评估对象的状态是不可能的，在监测全部軋根支承索索力的基础上，在结构上人为增加丛根索，在结构健康监测过程中将监测这新增加的尾根索的索力；综合上述被监测量，整个结构共有 I根索的I个索力被监测，即有I个被监测量，真为軋与丛之和不得小于被评估对象的数量#;新增加的丛根索的刚度同索结构的任意一本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法，其特征在于所述方法包括：ａ．　为叙述方便起见，统一称被评估的支承索和支座角位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座角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，在监测全部Ｍ１根支承索索力的基础上，在结构上人为增加Ｍ２根索，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根索的Ｍ个索力被监测，即有Ｍ个被监测量，其中Ｍ为Ｍ１与Ｍ２之和；Ｍ不得小于被评估对象的数量Ｎ；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，应当小得多；新增加的Ｍ２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Ｍ２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Ｍ２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；为方便起见，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，用变量ｊ表示这一编号，ｊ＝１，２，３，…，　Ｍ，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；ｃ．　直接测量计算得到索结构的所有Ｍ个被监测量的初始数值，组成被监测量初始向量Ｃｏ；在实测得到被监测量初始向量Ｃｏ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角坐标数据；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角坐标数据建立索结构的力学计算基准模型Ａｏ；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．　在结构健康监测过程中，对新增加的Ｍ２根索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的索；ｇ．　依据被监测量编号规则，从被监测量初始向量Ｃｏ中去除步骤ｆ中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；ｈ．　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ｆ中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；ｉ．　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角位移；ｋ．　依据被监测量的当前数值向量Ｃ同被监测量初始向量Ｃｏ、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角位移，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，可以确定支座角位移，即实现了支座角位移的评估和索结构中索系统的健康状态评估；　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式１　。...

【技术特征摘要】

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