支座角位移时基于索力监测的索系统的递进式健康监测方法技术方案

支座角位移时基于索力监测的索系统的递进式健康监测方法基于索力监测、通过监测结构支座角坐标来决定是否需要再次更新结构的力学计算基准模型，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损伤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算出当前索损伤向量的非劣解，据此可以比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。

【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”。在有支座角位移(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)时，本专利技术公开了一种递进式方法、基于索力监测来识别索结构的支承系统(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)中的受损索(对桁架结构就是指受损的仅承受拉伸载荷的杆件)的方法，属工程结构健康监测领域。
技术介绍
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索结构的索系统中的受损索(如前所述也指仅承受拉伸载荷的杆件)是一种极具潜力的方法。索系统的健康状态发生变化后，会引起结构的可测量参数的变化，例如会引起支承索索力的变化，实际上索力的变化包含了索系统的健康状态信息，也就是说可以利用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)来识别受损索，被监测量除了受索系统健康状态的影响外，还会受索结构支座角位移(常常会发生)的影响，目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。在有支座角位移时，为了能对索结构的索系统的健康状态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被监测量的变化同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索系统的健康评估。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是在索结构支座有角位移时，针对索结构中索系统的健康监测问题，提供一种基于索力监测的、能够合理有效地监测索结构中索系统的递进式健康监测方法。技术方案本专利技术由两大部分组成。分别是一、建立索系统健康监测系统所需的知识库和参量的方法，以及基于知识库(含参量)和实测每一根索的索力及实测索结构支座角位移的索系统递进式健康状态评估方法；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索系统健康监测系统所需的知识库和参量的方法，以及基于知识库(含参量)和基于索力监测及实测索结构支座角位移的索系统递进式健康状态评估方法。可按如下步骤依次循环往复地、递进式进行，以获得更准确的索系统的健康状态评估。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索系统初始损伤向量(i=l，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)、建立索结构的当前力学计算基准模型Α"。(例如有限元基准模型，在每一次循环中Α"。是不断更新的)、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=l，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。设索系统中共有#根索，第i次循环开始时需要的索系统初始损伤向量记为 //(如式(1)所示)，用表示该次循环开始时索结构(用力学计算基准模型Ai表示)的索系统的健康状态。d'B =^d1al ·m m 心]Γ(1)式(1)中(J (i=l, 2，3，···,· j =1, 2，3，…….，Μ)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根索的初始损伤值， / 为0时表示第J根索无损伤， 为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100%之间时表示第J根索丧失相应比例的承载能力。第一次循环开始时建立索系统初始损伤向量(依据式(1)记为时，利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始损伤向量<>。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状态时，向量d1。的各元素数值取0。第i次(i=2，3，4，5，6…)循环开始时需要的索系统初始损伤向量 /^，是在前一次(即第i-Ι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、根据索结构竣工之时的索结构的实测数据(包括索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据、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、)和设计图、竣工图，利用力学方法(例如有限元法)建立A。；如果没有索结构竣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。对应于A。的索结构支座角坐标数据组成初始索结构支座角坐标向量仏。A。和仏是不变的，只在第一次循环开始时建立。第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为A1，A1就等于A。。第i次(i=2，3，4，5，6…)循环开始时需要的力学计算基准模型Ai,是在前一次(即第i-Ι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。已有力学计算基准模型A1和索系统初始损伤向量d1。后，模型A1中的各索的损伤由向量表达。在A1的基础上，将所有索的损伤变更为0，力学模型A1更新为一个所有索的损伤都为0的力学模型(记为A°)，力学模型A°实际上是完好无损的索结构对应的力学模型。不妨称模型A°为索结构的无损伤模型A°。设索系统中共有#根支承索，结构索力数据就由#根支承索的索力来描述。为方便起见，在本专利技术中将“结构的被监测的索力数据”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“索力的某某矩阵或某某向量”。本专利技术用“被监测量的初始数值向量(i=l，2，3，···)表示第i次(i=l，2， 3，4，5，6···)循环开始时所有指定的被监测量的初始值(参见式(2))，〈的全称为“第i 次循环被监测量的初始数值向量”。权利要求1. 一种，其特征是该方法包括a.设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；b.结构索力数据就由#根支承索的索力来描述；为方便起见，在本专利技术中将“结构的被监测的索力数据”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“索力的某本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种支座角位移时基于索力监测的索系统的递进式健康监测方法，其特征是该方法包括：ａ．　设共有Ｎ根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；ｂ．　结构索力数据就由Ｎ根支承索的索力来描述；为方便起见，在本专利技术中将“结构的被监测的索力数据”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“索力的某某矩阵或某某向量”；ｃ．　利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始损伤向量ｄ１ｏ；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状态时，向量ｄ１ｏ的各元素数值取０；本步中ｄ１ｏ的上标１表示第一次循环，关于循环次数的表示方法在步骤ｆ中具体说明；ｄ．　在建立索系统初始损伤向量ｄ１ｏ的同时，直接测量计算得到索结构的所有指定的被监测量，组成“被监测量的初始数值向量Ｃ１ｏ”；本步中Ｃ１ｏ的上标１表示第一次循环，关于循环次数的表示方法在步骤ｆ中具体说明；ｅ．　在建立索系统初始损伤向量ｄ１ｏ和被监测量的初始数值向量Ｃ１ｏ的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据，实测得到索结构的初始几何数据；ｆ．　建立索结构的初始力学计算基准模型Ａｏ，建立初始索结构支座角坐标向量Ｕｏ，建立第一次循环开始时需要的索结构的力学计算基准模型Ａ１；本步中Ａ１的上标１表示第一次循环；依据索结构竣工之时的索结构的实测数据，该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，索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据，依据设计图和竣工图，利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型Ａｏ；如果没有索结构竣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该索结构进行实测，同样得到索结构的实测数据，根据此数据和索结构的设计图、竣工图，同样利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型Ａｏ；不论用何种方法获得Ａｏ，基于Ａｏ计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据，其间的差异不得大于５％；对应于Ａｏ的索结构支座角坐标数据组成初始索结构支座角坐标向量Ｕｏ；Ａｏ和Ｕｏ是不变的，只在第一次循环开始时建立；第ｉ次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为Ａｉ，其中ｉ表示循环次数；本专利技术的申请书中字母ｉ除了明显地表示步骤编号的地方外，字母ｉ仅表示循环次数，即第ｉ次循环；因此第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为Ａ１，本专利技术中Ａ１就等于Ａｏ；为叙述方便，命名“索结构当前力学计算基准模型Ａｔｉｏ”，在每一次循环中Ａｔｉｏ根据需要会不断更新，每一次循环开始时，Ａｔｉｏ等于Ａｉ；同样为叙述方便，命名“索结构实测支座角坐标向量Ｕｔｉ”，在每一次循环中，不断实测获得索结构支座角坐标当前数据，所有索结构支座角坐标当前数据组成当前索结构实测支座角坐标向量Ｕｔｉ，向量Ｕｔｉ的元素与向量Ｕｏ相同位置的元素表示相同支座的相同方向的角坐标；为叙述方便起见，对于第ｉ次循环，将上一次更新Ａｔｉｏ时的索结构支座角坐标当前数据记为当前索结构支座角坐标向量Ｕｔｉｏ；第一次循环开始时，Ａｔ１ｏ等于Ａ１，Ｕｔ１ｏ等于Ｕｏ；ｇ．　实测获得索结构支座角坐标当前数据，所有索结构支座角坐标当前数据组成当前索结构实测支座角坐标向量Ｕｔｉ，根据当前索结构实测支座角坐标向量Ｕｔｉ，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型Ａｔｉｏ和当前索结构支座角坐标向量Ｕｔｉｏ；ｈ．　在索结构当前力学计算基准模型Ａｔｉｏ的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵ΔＣｉ和名义单位损伤向量Ｄｉｕ；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Ｃｉ”。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；ｊ．　定义索系统当前名义损伤向量ｄｉｃ和当前实际损伤向量ｄ　ｉ，损伤向量的元素个数等于索的数量，损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；ｋ．　依据“被监测量的当前数值向量Ｃｉ”同“被监测量的初始数值向量Ｃｉｏ”、“单位损伤被监测量变化矩阵ΔＣｉ”和“当前名义损伤向量ｄｉｃ”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ｄｉｃ外的其它量均为已知，求解式１就可以算出当前名义损伤向量ｄｉｃ；式１ｌ．　利用式２表达的当前实际损伤向量ｄｉ同初始损伤向量ｄｉｏ和当前名义损伤向量ｄｉｃ的元素间的关系，计算得到当前实际损伤向量ｄ　ｉ的所有元素。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式２...

【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