專利名稱：有支座沉降時基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進式健康監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個共同點，就是它們有許多承受拉伸載荷的部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結(jié)構(gòu)的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的桿件為支承部件，為方便起見本發(fā)明將該類結(jié)構(gòu)表述為“索結(jié)構(gòu)”。在有支座沉降時，本發(fā)明公開了一種遞進式方法、基于混合監(jiān)測來識別索結(jié)構(gòu)的支承系統(tǒng)(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸載荷的桿件，為方便起見，本專利將該類結(jié)構(gòu)的全部支承部件統(tǒng)一稱為“索系統(tǒng)”，但實際上索系統(tǒng)不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的桿件)中的受損索(對桁架結(jié)構(gòu)就是指受損的僅承受拉伸載荷的桿件)的方法，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它的失效常常帶來整個結(jié)構(gòu)的失效，基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)來識別索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索(如前所述也指僅承受拉伸載荷的桿件)是一種極具潛力的方法。索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化后，會引起結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化，例如會引起索力的變化，會影響索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變，會影響索結(jié)構(gòu)的形狀或空間坐標，會引起過索結(jié)構(gòu)的每一點的任意假想直線的角度坐標的變化(例如結(jié)構(gòu)表面任意一點的切平面中的任意一根過該點的直線的角度坐標的變化，或者結(jié)構(gòu)表面任意一點的法線的角度坐標的變化)，所有的這些變化都包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息，因此可以通過對這些不同類型的結(jié)構(gòu)的特征參量的變化的混合監(jiān)測來判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，本發(fā)明將所有被監(jiān)測的結(jié)構(gòu)特征參量統(tǒng)稱為“被監(jiān)測量”，由于此時被監(jiān)測量是由結(jié)構(gòu)的不同類型的可測量參數(shù)混合組成，本發(fā)明稱此為混合監(jiān)測，被監(jiān)測量除了受索系統(tǒng)健康狀態(tài)的影響外，還會受索結(jié)構(gòu)支座沉降(常常會發(fā)生)的影響，目前還沒有一種公開的、有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)和方法解決了此問題。
在有支座沉降時，為了能對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測和判斷，必須有一個能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測量的變化同索系統(tǒng)中所有索的健康狀況間的關(guān)系的方法，基于該方法建立的健康監(jiān)測系統(tǒng)可以給出更可信的索系統(tǒng)的健康評估。


發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是在索結(jié)構(gòu)支座有沉降時，針對索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測問題，提供一種基于對多類參量的混合監(jiān)測的、能夠合理有效地監(jiān)測索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的有支座沉降時基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進式健康監(jiān)測方法。
技術(shù)方案本發(fā)明由兩大部分組成。分別是一、建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識庫和參量的方法，以及基于知識庫(含參量)和基于對多類參量的混合監(jiān)測及實測索結(jié)構(gòu)支座坐標的索系統(tǒng)遞進式健康狀態(tài)評估方法；二、健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。
本發(fā)明的第一部分建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識庫和參量的方法，以及基于知識庫(含參量)和基于對多類參量的混合監(jiān)測及實測索結(jié)構(gòu)支座坐標的索系統(tǒng)遞進式健康狀態(tài)評估方法?？砂慈缦虏襟E依次循環(huán)往復(fù)地、遞進式進行，以獲得更準確的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估。
第一步每一次循環(huán)開始時，首先需要建立或已建立本次循環(huán)開始時的索系統(tǒng)初始損傷向量doi(i＝1，2，3，…)、建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao(例如有限元基準模型，在本發(fā)明中Ao是不變的)、建立索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型Atio(例如有限元基準模型，在每一次循環(huán)中Atio是不斷更新的)、建立索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型Ai(例如有限元基準模型，i＝1，2，3，…)。字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，在本發(fā)明中字母i僅表示循環(huán)次數(shù)，即第i次循環(huán)。
設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，第i次循環(huán)開始時需要的索系統(tǒng)初始損傷向量記為doi(如式(1)所示)，用doi表示該次循環(huán)開始時索結(jié)構(gòu)(用力學計算基準模型Ai表示)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
式(1)中dioj(i＝1，2，3，…；j＝1，2，3，.......，N)表示第i次循環(huán)開始時、力學計算基準模型Ai中的索系統(tǒng)的第j根索的初始損傷值，dioj為0時表示第j根索無損傷，為100％時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100％之間時表示第j根索喪失相應(yīng)比例的承載能力。
第一次循環(huán)開始時建立索系統(tǒng)初始損傷向量(依據(jù)式(1)記為d1o)時，利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o。如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷狀態(tài)時，向量d1o的各元素數(shù)值取0。
第i次(i＝2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時需要的索系統(tǒng)初始損傷向量dio，是在前一次(即第i-1次，i＝2，3，4，5，6…)循環(huán)結(jié)束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
第i次循環(huán)開始時需要建立的力學計算基準模型或已建立的力學計算基準模型記為Ai。
根據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工之時的索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)(包括索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)、)和設(shè)計圖、竣工圖，利用力學方法(例如有限元法)建立Ao；如果沒有索結(jié)構(gòu)竣工之時的結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對結(jié)構(gòu)進行實測，得到索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)(包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù)、索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù))，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖，利用力學方法(例如有限元法)建立Ao。不論用何種方法獲得Ao，基于Ao計算得到的索結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)(對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、橋的模態(tài)數(shù)據(jù))必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5％。這樣可保證利用Ao計算所得的模擬情況下的應(yīng)變計算數(shù)據(jù)、索力計算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀計算數(shù)據(jù)和位移計算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)角度數(shù)據(jù)等，可靠地接近所模擬情況真實發(fā)生時的實測數(shù)據(jù)。對應(yīng)于Ao的索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uo。Ao和Uo是不變的，只在第一次循環(huán)開始時建立。
第一次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型記為A1，A1就等于Ao。
第i次(i＝2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時需要的力學計算基準模型Ai，是在前一次(即第i-1次，i＝2，3，4，5，6…)循環(huán)結(jié)束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
已有力學計算基準模型A1和索系統(tǒng)初始損傷向量d1o后，模型A1中的各索的損傷由向量d1o表達。在A1的基礎(chǔ)上，將所有索的損傷變更為0，力學模型A1更新為一個所有索的損傷都為0的力學模型(記為A0)，力學模型A0實際上是完好無損的索結(jié)構(gòu)對應(yīng)的力學模型。不妨稱模型A0為索結(jié)構(gòu)的無損傷模型A0。
被監(jiān)測的多類參量可以包括索力、應(yīng)變、角度和空間坐標，分別敘述如下 設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個指定索的M1個索力數(shù)據(jù)來描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定索的索力的變化。每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M1是一個不小于0的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化。每次共有M2(M2＝K2×L2)個應(yīng)變測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變。M2是一個不小于0的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有M3(M3＝K3×L3×H3)個角度坐標分量測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息。M3是一個不小于0的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化。每次共有M4(M4＝K4×L4)個坐標測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)形狀。M4是一個不小于0的整數(shù)。
綜合上述被監(jiān)測量，整個結(jié)構(gòu)共有M(M＝M1+M2+M3+M4)個被監(jiān)測量，定義參量K(K＝M1+K2+K3+K4)，K和M不得小于索的數(shù)量N。由于M個被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法”。
為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”。
本發(fā)明用“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”(i＝1，2，3，…)表示第i次(i＝1，2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時所有指定的被監(jiān)測量的初始值(參見式(2))，Cio的全稱為“第i次循環(huán)被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量”。
式(2)中Ciok(i＝1，2，3，…；k＝1，2，3，....，M；M≥N；)是第i次循環(huán)開始時、索結(jié)構(gòu)中第k個被監(jiān)測量。向量Cio是由前面定義的M個被監(jiān)測量依據(jù)一定順序排列而成，對此排列順序并無特殊要求，只要求后面所有相關(guān)向量也按此順序排列數(shù)據(jù)即可。
第一次循環(huán)開始時，“第1次循環(huán)被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o”(見式(2))由實測數(shù)據(jù)組成，由于根據(jù)模型A1計算所得被監(jiān)測量的初始數(shù)值可靠地接近于相對應(yīng)的實測數(shù)值，在后面的敘述中，將用同一符號來表示該計算值組成向量和實測值組成向量。
第i次(i＝2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時需要的“第i次循環(huán)被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”，是在前一次(即第i-1次，i＝2，3，4，5，6…)循環(huán)結(jié)束前計算獲得的，具體方法在后文敘述。
第二步在索結(jié)構(gòu)服役過程中，在每一次循環(huán)中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)(所有數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，向量Uti的定義方式與向量Uo相同)。為方便起見，對于第i次循環(huán)，將上一次更新當前力學計算基準模型時的索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)記為當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio。建立和更新Atio的方法是在每一次循環(huán)的開始時刻，索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型Atio就等于Ai(i＝1，2，3，4，5，6…)。在索結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，如果Uti等于Utio，則不需要對Atio進行更新；如果Uti不等于Utio，則需要對Atio進行更新，此時Uti與Uo的差就是索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于初始位置(對應(yīng)于Ao)的支座位移(用支座位移向量V表示支座位移，在重力方向的位移就是支座沉降)。更新Atio的方法是在Ao的基礎(chǔ)上令索的健康狀況為索系統(tǒng)初始損傷向量dio，再進一步對Ao中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座位移約束，當前支座位移約束的數(shù)值就取自當前支座位移向量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對Ao中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型Atio，更新Atio的同時，Utio所有元素數(shù)值也用Uti所有元素數(shù)值代替，即更新了Utio，這樣就得到了正確地對應(yīng)于Atio的Utio。
第三步每一次循環(huán)需建立“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣”和“名義單位損傷向量”，第i次循環(huán)建立的“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣”記為ΔCi(i＝1，2，3，…)。第i次循環(huán)建立的“名義單位損傷向量”記為Diu。在每一次循環(huán)中ΔCi和Diu是不斷更新的，即在更新當前力學計算基準模型Atio的同時，更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量”記為Diu。
建立和更新更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量”記為Diu的過程如下 在索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量。每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷(原有損傷可以為0，也可以不為0)的基礎(chǔ)上再增加單位損傷(例如取5％、10％、20％或30％等損傷為單位損傷)。為方便計算，每一次循環(huán)中設(shè)定單位損傷時可以都是把該次循環(huán)開始時的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)當成是完全健康的，并在此基礎(chǔ)上設(shè)定單位損傷(在后續(xù)步驟中、計算出的、索的損傷數(shù)值---稱為名義損傷dic(i＝1，2，3，…)，都是相對于將該次循環(huán)開始時的、將索的健康狀態(tài)當成是完全健康而言的，因此必須依據(jù)后文給出的公式將計算出的名義損傷換算成真實損傷。)。同一次循環(huán)的每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用“名義單位損傷向量Diu”(如式(3)所示)記錄各次循環(huán)中所有索的假定的單位損傷，第一次循環(huán)時記為D1u，每一次計算都利用力學方法(例如有限元法)計算索結(jié)構(gòu)的、在前面已指定的M個被監(jiān)測量的當前計算值，每一次計算所得M個被監(jiān)測量的當前計算值組成一個“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量”(當假設(shè)第j根索有單位損傷時，可用式(4)表示所有指定的M個被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量C1tj)；每一次計算得到的被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量減去被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o，所得向量就是此條件下(以有單位損傷的索的位置或編號等為標記)的“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”(當?shù)趈根索有單位損傷時，用δC1j表示被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量，δC1j的定義見式(5)、式(6)和式(7)，式(5)為式(4)減去式(2)后再除以向量D1u的第j個元素Duj所得)，被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量δC1j的每一元素表示由于計算時假定有單位損傷的那根索(例如第j根索)的單位損傷(例如Duj)，而引起的該元素所對應(yīng)的被監(jiān)測量的數(shù)值改變量相對于假定的單位損傷Duj的變化率；有N根索就有N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”，每個被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量有M(一般的，M≥N)個元素，由這N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”依次組成有M×N個元素的“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC1”(M行N列)，每一個向量δC1j(j＝1，2，3，.......，N)是矩陣ΔC1的一列，ΔC1的定義如式(8)所示。
式(3)中名義單位損傷向量Diu的元素Diuj(i＝1，2，3，…；j＝1，2，3，.......，N)表示第i次循環(huán)中假定的第j根索的單位損傷數(shù)值，向量Diu中的各元素的數(shù)值可以相同也可以不同。
式(4)中元素Citjk(i＝1，2，3，...；j＝1，2，3，.......，N；k＝1，2，3，.......，M；M≥N)表示第i次循環(huán)由于第j根索有單位損傷時，依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的第k個指定的被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值。
式(5)中各量的上標i(i＝1，2，3，...)表示第i次循環(huán)，下標j(j＝1，2，3，.......，N)表示第j根索有單位損傷，式中Diuj是向量Diu中的第j個元素。向量δCij的定義如式(6)所示，δCij的第k(k＝1，2，3，.......，M；M≥N)個元素δCijk表示第i次循環(huán)中，建立矩陣ΔCi時，假定第j根索有單位損傷時計算所得第k個被監(jiān)測量的改變量相對于假定的單位損傷Diuj的變化率，其定義如式(7)所示。
式(7)中各量的定義已在前面敘述過。
式(8)中向量δCij(i＝1，2，3，.......，，j＝1，2，3，.......，N)表示第i次循環(huán)中，由于第j根索有單位損傷Diuj而引起的、所有被監(jiān)測量的相對數(shù)值變化。矩陣ΔCi的列(下標j)的編號規(guī)則與前面向量dio的元素的下標j的編號規(guī)則相同。
在索結(jié)構(gòu)服役過程中，在每一次循環(huán)中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)，一旦監(jiān)測到Uti不等于Utio，則需要回到第二步對Atio進行更新，對Atio進行更新后再進入本步對ΔCi進行更新。實際上在每一次循環(huán)中ΔCi是不斷更新的，即在更新當前力學計算基準模型Atio之后，更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi。
第四步識別索系統(tǒng)的當前健康狀態(tài)。具體過程如下。
第i(i＝1，2，3，...)次循環(huán)中，索系統(tǒng)“被監(jiān)測量的當前(計算或?qū)崪y)數(shù)值向量Ci”同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”、“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量dic”間的近似線性關(guān)系，如式(9)或式(10)所示。
式(9)和式(10)中被監(jiān)測量的當前(計算或?qū)崪y)數(shù)值向量Ci的定義類似于被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio的定義，見式(11)；索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的定義見式(12)。
式(11)中元素Cik(i＝1，2，3，.......；k＝1，2，3，.......，M；M≥N)是第i次循環(huán)時索結(jié)構(gòu)的、依據(jù)編號規(guī)則所對應(yīng)的編號為k的被監(jiān)測量的當前數(shù)值。
式(12)中dicj(i＝1，2，3，.......；j＝1，2，3，.......，N)是第i次循環(huán)中索系統(tǒng)第j根索的當前名義損傷值，向量dic的元素的下標j的編號規(guī)則與矩陣ΔCi的列的編號規(guī)則相同。
當索實際損傷不太大時，由于索結(jié)構(gòu)材料仍然處在線彈性階段，索結(jié)構(gòu)的變形也較小，式(9)或式(10)所表示的這樣一種線性關(guān)系同實際情況的誤差較小，誤差可用誤差向量ei(式(13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關(guān)系的誤差。
式(13)中abs()是取絕對值函數(shù)，對括號內(nèi)求得的向量的每一個元素取絕對值。
由于式(9)或式(10)所表示的線性關(guān)系存在一定誤差，因此不能簡單根據(jù)式(9)或式(10)和“被監(jiān)測量的當前(實測)數(shù)值向量Ci”來直接求解得到索當前名義損傷向量dic。如果這樣做了，得到的損傷向量dic中的元素甚至會出現(xiàn)較大的負值，也就是負損傷，這明顯是不合理的。因此獲得索損傷向量dic的可接受的解(即帶有合理誤差，但可以比較準確的從索系統(tǒng)中確定受損索的位置及其損傷程度)成為一個合理的解決方法，可用式(14)來表達這一方法。
式(14)中abs()是取絕對值函數(shù)，向量gi描述偏離理想線性關(guān)系(式(9)或式(10))的合理偏差，由式(15)定義。
式(15)中g(shù)ik(i＝1，2，3，.......；k＝1，2，3，.......，M)描述了第i次循環(huán)中偏離式(9)或式(10)所示的理想線性關(guān)系的最大允許偏差。向量gi可根據(jù)式(13)定義的誤差向量ei試算選定。
在被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio(實測或計算得到)、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi(計算得到)和被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci(實測得到)已知時，可以利用合適的算法(例如多目標優(yōu)化算法)求解式(14)，獲得索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的可接受的解，索系統(tǒng)當前實際損傷向量di(定義見式(16))的元素可以根據(jù)式(17)計算得到，也就是得到了索當前實際損傷向量di，從而可由di確定損索的位置和損傷程度，也就是實現(xiàn)了索系統(tǒng)的健康監(jiān)測。
式(16)中dij(j＝1，2，3，…；j＝1，2，3，.......，N)表示第i次循環(huán)中第j根索的實際損傷值，其定義見式(17)，dij為0時表示第j根索無損傷，為100％時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100％之間時表示第j根索喪失相應(yīng)比例的承載能力，向量di的元素的編號規(guī)則與式(1)中向量dio的元素的編號規(guī)則相同。
式(17)中dioj(i＝1，2，3，4，…；j＝1，2，3，.......，N)是向量dio的第j個元素，dicj是向量dic的第j個元素。
第五步判斷是否結(jié)束本次(第i次)循環(huán)，如果是，則完成本次循環(huán)結(jié)束前的收尾工作，為下一次(即第i+1次，i＝1，2，3，4，…)循環(huán)準備力學計算基準模型和必要的向量。具體過程如下。
在本次(第i次)循環(huán)中求得當前名義損傷向量dic后，首先，按照式(18)建立標識向量Fi，式(19)給出了標識向量Fi的第j個元素的定義；如果標識向量Fi的元素全為0，則在本次循環(huán)中繼續(xù)對索系統(tǒng)的健康監(jiān)測和計算；如果標識向量Fi的元素不全為0，則完成后續(xù)步驟后，進入下一次循環(huán)。所謂的后續(xù)步驟為首先，根據(jù)式(20)計算得到下一次(即第i+1次，i＝1，2，3，4，…)循環(huán)所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj；第二，在力學計算基準模型Ai(i＝1，2，3，4，…)或索結(jié)構(gòu)的無損傷模型A0的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況狀況為di+1o后更新得到下一次(第i+1次，i＝1，2，3，4，…)循環(huán)所需的力學計算基準模型Ai+1；最后，通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到被監(jiān)測量的初始數(shù)值，由其組成下一次(即第i+1次，i＝1，2，3，4，…)循環(huán)所需的“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci-1o”(i＝1，2，3，4，…)。
式(18)中標識向量Fi的上標i表示第i次循環(huán)，其元素Fij(j＝1，2，3，…，N)的下標j表示第j根索的損傷特征，只能取0和1兩個量，具體取值規(guī)則見式(19)。
式(19)中元素Fij是標識向量Fi的第j個元素，Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素(見式(3))，dicj是索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的第j個元素(見式(12))，它們都表示第j根索的相關(guān)信息。
式(20)中Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素(見式(3))，dicj是索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的第j個元素(見式(12))。
本發(fā)明的第二部分健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。
硬件部分包括監(jiān)測系統(tǒng)(包括被監(jiān)測量監(jiān)測系統(tǒng)、索結(jié)構(gòu)支座坐標監(jiān)測系統(tǒng))、信號采集器和計算機等。要求實時或準實時監(jiān)測每一個被監(jiān)測量，要求實時或準實時監(jiān)測每一個索結(jié)構(gòu)支座坐標。
軟件部分應(yīng)當能夠完成本發(fā)明的第一部分所設(shè)定的過程，即完成本發(fā)明中所需要的、可以用計算機實現(xiàn)的監(jiān)測、記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能。
本發(fā)明方法具體包括 a.設(shè)共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣； b.確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個指定索的M1個索力數(shù)據(jù)來描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定索的索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息；M1是一個不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化；每次共有M2個應(yīng)變測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2為K2和L2之積；M2是不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測角度的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化；每次共有M3個角度坐標分量測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和H3之積；M3是一個不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化；每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和L4之積；M4是一個不小于0的整數(shù)；綜合上述混合監(jiān)測的被監(jiān)測量，整個結(jié)構(gòu)共有M個被監(jiān)測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù)量N；由于M個被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法”；為方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”； c.利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o；如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷狀態(tài)時，向量d1o的各元素數(shù)值取0； d.在建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o的同時，直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)測量，組成“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o”； e.在建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)，實測得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)； f.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao，建立初始索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uo，建立第一次循環(huán)開始時需要的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型A1；依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工之時的索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，該實測數(shù)據(jù)包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計圖和竣工圖，利用力學方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao；如果沒有索結(jié)構(gòu)竣工之時的結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對該索結(jié)構(gòu)進行實測，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖，同樣利用力學方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao；不論用何種方法獲得Ao，基于Ao計算得到的索結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，其間的差異不得大于5％；對應(yīng)于Ao的索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uo；Ao和Uo是不變的，只在第一次循環(huán)開始時建立；第i次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型記為Ai，其中i表示循環(huán)次數(shù)；本發(fā)明的申請書中字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，字母i僅表示循環(huán)次數(shù)，即第i次循環(huán)；因此第一次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型記為A1，本發(fā)明中A1就等于Ao；為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio”，在每一次循環(huán)中Atio根據(jù)需要會不斷更新，每一次循環(huán)開始時，Atio等于Ai；同樣為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti”，在每一次循環(huán)中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，向量Uti的元素與向量Uo相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐標；為敘述方便起見，對于第i次循環(huán)，將上一次更新Atio時的索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)記為當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio；第一次循環(huán)開始時，At1o等于A1，Ut1o等于Uo； g.每一次循環(huán)開始時，令A(yù)tio等于Ai；實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio； h.在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu； i.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”。給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號時，應(yīng)使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監(jiān)測量的、對應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息； j.定義索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di，損傷向量的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，損傷向量的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)； k.依據(jù)“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”、“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量dic”間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達為式1，式1中除dic外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義損傷向量dic； 式1 1.利用式2表達的當前實際損傷向量di同初始損傷向量dio和當前名義損傷向量dic的元素間的關(guān)系，計算得到當前實際損傷向量di的所有元素。
式2 式2中j＝1，2，3，……，N。
由于當前實際損傷向量di的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度，所以根據(jù)當前實際損傷向量di就能確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測；若當前實際損傷向量的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(yīng)的索是完好的，沒有損傷的；若其數(shù)值為100％，則表示該元素所對應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能力；若其數(shù)值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力。
m.在求得當前名義損傷向量dic后，按照式3建立標識向量Fi，式4給出了標識向量fi的第j個元素的定義； 式3 式4 式4中元素Fij是標識向量Fi的第j個元素，Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的第j個元素，它們都表示第j根索的相關(guān)信息。式4中j＝1，2，3，……，N。
n.如果標識向量Fi的元素全為0，則回到步驟g繼續(xù)本次循環(huán)；如果標識向量Fi的元素不全為0，則進入下一步、即步驟o。
o.根據(jù)式5計算得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj； 式5 式5中Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的第j個元素，F(xiàn)ij是標識向量Fi的第j個元素。式5中j＝1，2，3，……，N。
p.在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況為di+1o后更新得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的力學計算基準模型Ai+1，即對力學計算基準模型進行了更新； q.通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到對應(yīng)于模型Ai+1的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的數(shù)值，這些數(shù)值組成下一次、即第i+1次循環(huán)所需的被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci+1o； r.建立下一次、即第i+1次循環(huán)所需的索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Ati+1o，即取Ati+1o等于Ai+1； s.建立下一次、即第i+1次循環(huán)所需的當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uti+1o，即取Uti+1o等于Utio； t.回到步驟g，開始下一次循環(huán)。
在步驟g中，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio的具體方法為 g1.實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti后，比較Uti和Utio，如果Uti等于utio，則不需要對Atio進行更新； g2.實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti后，比較Uti和Utio，如果Uti不等于Utio，則需要對Atio進行更新，更新方法是先計算Uti與Uo的差，Uti與Uo的差就是當前索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于在建立Ao時的索結(jié)構(gòu)支座的當前支座位移，用當前支座位移向量V表示支座位移，當前支座位移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，當前支座位移向量V中一個元素的數(shù)值對應(yīng)于一個指定支座的一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新Atio的方法是在Ao的基礎(chǔ)上令索的健康狀況為索系統(tǒng)初始損傷向量dio，再進一步對Ao中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座位移約束，當前支座位移約束的數(shù)值就取自當前支座位移向量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對Ao中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型Atio，更新Atio的同時，Utio所有元素數(shù)值也用Uti所有元素數(shù)值代替，即更新了Utio，這樣就得到了正確地對應(yīng)于Atio的Utio。
在步驟h中，在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu的具體方法為 h1.在第i次循環(huán)開始時，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu；在其它時刻，當步驟g中對Atio進行更新后，必須按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu，如果在步驟g中沒有對Atio進行更新，則在此處直接轉(zhuǎn)入步驟i進行后續(xù)工作； h2.在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次力學計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷，每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用“名義單位損傷向量Diu”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到索結(jié)構(gòu)中所有指定被監(jiān)測量的當前數(shù)值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成一個“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量”；當假設(shè)第j根索有單位損傷時，可用Citj表示對應(yīng)的“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量”；在本步驟中給各向量的元素編號時，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關(guān)信息； h3.每一次計算得到的那個“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量Citj”減去“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的單位損傷值后得到一個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量δCij”；有N根索就有N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”； h4.由這N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”依次組成有N列的“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”；“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”的每一列對應(yīng)于一個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣”的列的編號規(guī)則與當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di的元素編號規(guī)則相同。
有益效果本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法在索結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)沉降的情況下、在有較多的索同步受損的條件下可以非常準確地監(jiān)測評估出索系統(tǒng)的健康狀態(tài)(包括所有受損索的位置和損傷程度)。這是由于“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”、“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量dic”間的線性關(guān)系是近似的，實際上是非線性的關(guān)系，特別是在受損索較多或受損程度較大時，上述量之間的關(guān)系的非線性特征更加明顯，為克服此障礙，本發(fā)明公開了一種在索結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)沉降的情況下、在小區(qū)間內(nèi)用線性關(guān)系逼近該非線性關(guān)系的健康監(jiān)測方法。本發(fā)明實際上使用了用線性關(guān)系分段逼近非線性關(guān)系的方法，將大區(qū)間分割成一個個小區(qū)間，在每一個小區(qū)間內(nèi)線性關(guān)系都是足夠準確的，依據(jù)其判斷得到的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)也是可靠的。因此，在索結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)沉降的情況下，本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法對索系統(tǒng)的有效健康監(jiān)測是非常有益的。

具體實施例方式 在有支座沉降時，針對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測，本發(fā)明公開了一種能夠合理有效地監(jiān)測索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的每一根索的健康狀況的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實施例的下面說明實質(zhì)上僅僅是示例性的，并且目的絕不在于限制本發(fā)明的應(yīng)用或使用。
在索結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)沉降的情況下，本發(fā)明采用的算法用于監(jiān)測索結(jié)構(gòu)中的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)。具體實施時，下列步驟是可采取的各種步驟中的一種。
第一步確定被監(jiān)測量的類型、位置和數(shù)量，并編號。具體過程為 設(shè)共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。
確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個指定索的M1個索力數(shù)據(jù)來描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定索的索力的變化。每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M1是一個不小于0的整數(shù)。實際選定被監(jiān)測索力的索時，可以選擇那些索力易于測量的索為被監(jiān)測索。
確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化。每次共有M2個應(yīng)變測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2為K2和L2之積。M2是一個不小于0的整數(shù)。每一個將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)附近的一個點，該點一般不應(yīng)當是應(yīng)力集中點，以避免出現(xiàn)過大的應(yīng)變測量值，這些點一般也不應(yīng)當全部是混合監(jiān)測時指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點或在其附近。
確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測角度的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有M3個角度坐標分量測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和H3之積。M3是一個不小于0的整數(shù)。每一個指定點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋面上的固定端)或其附近的一個點，被監(jiān)測角度數(shù)據(jù)的點一般不應(yīng)該全部選擇為“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點或在其附近的點”和“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測應(yīng)變的點或在其附近的點”；在每一指定點可以僅僅測量一個指定直線的一個角度坐標，例如測量過指定點的結(jié)構(gòu)表面法線或切線相對于重力加速度方向的角度坐標，這里實際上就是傾角測量。
確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化。每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和L4之積。M4是一個不小于0的整數(shù)。每一個指定點可以就是每一根索的固定端點(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)；這里選定的被監(jiān)測點不應(yīng)該全部選用“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測索力的索的固定端點或在其附近的點”、“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測應(yīng)變的點或在其附近的點”和“混合監(jiān)測中指定的被監(jiān)測角度數(shù)據(jù)的點或在其附近的點”。
綜合上述被監(jiān)測量，整個結(jié)構(gòu)就混合監(jiān)測而言共有M個被監(jiān)測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù)量N。由于M個被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“基于混合監(jiān)測來識別需調(diào)整索力的支承索的方法”。為方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”。
第二步利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o。如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷狀態(tài)時，向量d1o的各元素數(shù)值取0。
第三步在建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o的同時，直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)測量，組成“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o”。
第四步在建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o的同時，可以采用成熟的測量方法進行索力測量、應(yīng)變測量、角度測量和空間坐標測量。同時，直接測量或測量后計算得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力和索結(jié)構(gòu)初始幾何形狀數(shù)據(jù)(對于斜拉橋就是其初始橋型數(shù)據(jù))，索結(jié)構(gòu)的初始幾何形狀數(shù)據(jù)可以是所有索的端點的空間坐標數(shù)據(jù)加上結(jié)構(gòu)上一系列的點的空間坐標數(shù)據(jù)，目的在于根據(jù)這些坐標數(shù)據(jù)就可以確定索結(jié)構(gòu)的幾何特征。對斜拉橋而言，初始幾何形狀數(shù)據(jù)可以是所有索的端點的空間坐標數(shù)據(jù)加上橋梁兩端上若干點的空間坐標數(shù)據(jù)，這就是所謂的橋型數(shù)據(jù)。
建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao，建立初始索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uo，建立第一次循環(huán)開始時需要的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型A1；依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工之時的索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，該實測數(shù)據(jù)包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計圖和竣工圖，利用力學方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao；如果沒有索結(jié)構(gòu)竣工之時的結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對該索結(jié)構(gòu)進行實測，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖，同樣利用力學方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao；不論用何種方法獲得Ao，基于Ao計算得到的索結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，其間的差異一般不得大于5％；對應(yīng)于Ao的索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uo；Ao和Uo是不變的，只在第一次循環(huán)開始時建立；第i次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型記為Ai，其中i表示循環(huán)次數(shù)；本發(fā)明的申請書中字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，字母i僅表示循環(huán)次數(shù)，即第i次循環(huán)；因此第一次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型記為A1，本發(fā)明中A1就等于Ao；為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio”，在每一次循環(huán)中Atio根據(jù)需要會不斷更新，每一次循環(huán)開始時，Atio等于Ai；同樣為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti”，在每一次循環(huán)中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，向量Uti的元素與向量Uo相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐標；為敘述方便起見，對于第i次循環(huán)，將上一次更新Atio時的索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)記為當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio；第一次循環(huán)開始時，At1o等于A1，Ut1o等于Uo。
第五步安裝索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括被監(jiān)測量監(jiān)測系統(tǒng)(例如含角度測量分系統(tǒng)、索力測量分系統(tǒng)、應(yīng)變測量分系統(tǒng)、空間坐標測量分系統(tǒng)、信號調(diào)理器等)、信號(數(shù)據(jù))采集器、計算機和通信報警設(shè)備。每一個被監(jiān)測量、每一個索結(jié)構(gòu)的支座坐標都必須被監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到，監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測到的信號傳輸?shù)叫盘?數(shù)據(jù))采集器；信號經(jīng)信號采集器傳遞到計算機；計算機則負責運行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測軟件，包括記錄信號采集器傳遞來的信號；當監(jiān)測到索有損傷時，計算機控制通信報警設(shè)備向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。
第六步編制并在監(jiān)控計算機上安裝索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件。在每一次循環(huán)時都運行該軟件，或者說此軟件始終在運行。該軟件將完成本發(fā)明“有支座沉降時基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進式健康監(jiān)測方法”任務(wù)所需要的監(jiān)測、記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能(即本具體實施方法中所有可以用計算機完成的工作)，并能定期或由人員操作健康監(jiān)測系統(tǒng)生成索系統(tǒng)健康情況報表，還能依據(jù)設(shè)定的條件(例如損傷達到某一值)，自動通知或提示監(jiān)控人員通知特定的技術(shù)人員完成必要的計算工作。
第七步由此步開始循環(huán)運作，為敘述方便記為第i次循環(huán)，其中i＝1，2，3，4，5，...。實測(例如用全站儀進行測量)獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio。具體方法為 實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti后，比較Uti和Utio，如果Uti等于Utio，則不需要對Atio進行更新； 實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti后，比較Uti和Utio，如果Uti不等于Utio，則需要對Atio進行更新，更新方法是先計算Uti與Uo的差，Uti與Uo的差就是當前索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于在建立Ao時的索結(jié)構(gòu)支座的當前支座位移，用當前支座位移向量V表示支座位移，當前支座位移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，當前支座位移向量V中一個元素的數(shù)值對應(yīng)于一個指定支座的一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新Atio的方法是在Ao的基礎(chǔ)上令索的健康狀況為索系統(tǒng)初始損傷向量dio，再進一步對Ao中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座位移約束，當前支座位移約束的數(shù)值就取自當前支座位移向量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對Ao中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型Atio，更新Atio的同時，Utio所有元素數(shù)值也用Uti所有元素數(shù)值代替，即更新了Utio，這樣就得到了正確地對應(yīng)于Atio的Utio。
第八步在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu。具體方法為 a.在第i次循環(huán)開始時或當?shù)谄卟街袑tio進行更新后，直接按步驟b至步驟d所列方法獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu；在其它時刻，如果在步驟g中沒有對Atio進行更新，則在此處直接轉(zhuǎn)入第九步進行后續(xù)工作； b.在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次力學計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷，每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用“名義單位損傷向量Diu”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到索結(jié)構(gòu)中所有指定被監(jiān)測量的當前數(shù)值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成一個“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量”；當假設(shè)第j根索有單位損傷時，可用Citj表示對應(yīng)的“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量”；在本步驟中給各向量的元素編號時，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關(guān)信息。
c.每一次計算得到的那個“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量Citj”減去“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的單位損傷值后得到一個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量δCij”；有N根索就有N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量δCij”(j＝1，2，3，…，N)。
d.由這N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”依次組成有N列的“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”；“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”的每一列對應(yīng)于一個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣”的列的編號規(guī)則與當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di的元素編號規(guī)則相同。
在本步驟中及其后給各向量的元素編號時，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關(guān)信息。
第九步建立線性關(guān)系誤差向量ei和向量gi。利用前面的數(shù)據(jù)(“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”、“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”)，在第八步進行每一次計算的同時，即在每一次計算中假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷的同時，每一次計算組成一個損傷向量dit，損傷向量dit的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，向量dit的所有元素中只有一個元素的數(shù)值取每一次計算中假設(shè)增加單位損傷的索的單位損傷值，dit的其它元素的數(shù)值取0，那個不為0的元素的編號與假定增加單位損傷的索的對應(yīng)關(guān)系、同其他向量的同編號的元素同該索的對應(yīng)關(guān)系是相同的；將Citj、Cio、ΔCi、dit帶入式(13)，得到一個線性關(guān)系誤差向量ei，每一次計算得到一個線性關(guān)系誤差向量ei；有N根索就有N次計算，就有N個線性關(guān)系誤差向量ei，將這N個線性關(guān)系誤差向量ei相加后得到一個向量，將此向量的每一個元素除以N后得到的新向量就是最終的線性關(guān)系誤差向量ei。向量gi等于最終的誤差向量ei。將向量gi保存在運行健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件的計算機硬盤上，供健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件使用。
第十步將“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”和“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”等參數(shù)以數(shù)據(jù)文件的方式保存在運行健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件的計算機硬盤上。實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”。
第十一步依據(jù)“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”、“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量dic”間存在的近似線性關(guān)系(式(9))，按照多目標優(yōu)化算法計算索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的非劣解。
可以采用的多目標優(yōu)化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標優(yōu)化、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標優(yōu)化、基于粒子群的多目標優(yōu)化算法、基于蟻群算法的多目標優(yōu)化、約束法(Constrain Method)、加權(quán)法(Weighted Sum Method)、目標規(guī)劃法(Goal Attainment Method)等等。由于各種多目標優(yōu)化算法都是常規(guī)算法，可以方便地實現(xiàn)，本實施步驟僅以目標規(guī)劃法為例給出求解當前名義損傷向量dic的過程，其它算法的具體實現(xiàn)過程可根據(jù)其具體算法的要求以類似的方式實現(xiàn)。
按照目標規(guī)劃法，式(9)可以轉(zhuǎn)化成式(21)和式(22)所示的多目標優(yōu)化問題，式(21)中γi是一個實數(shù)，R是實數(shù)域，空間區(qū)域Ω限制了向量dic的每一個元素的取值范圍(本實施例要求向量dic的每一個元素不小于0，不大于1)。式(21)的意思是尋找一個絕對值最小的實數(shù)γi，使得式(22)得到滿足。式(22)中G(dic)由式(23)定義，式(22)中加權(quán)向量Wi與γi的積表示式(22)中G(dic)與向量gi之間允許的偏差，gi的定義參見式(15)，其值將在第八步計算得到。實際計算時向量Wi可以與向量gi相同。目標規(guī)劃法的具體編程實現(xiàn)已經(jīng)有通用程序可以直接采用。按照目標規(guī)劃法就可以求得當前名義損傷向量dic。
minimize γi (21) γi∈R， 求得當前名義損傷向量dic后，可依據(jù)式(17)得到的當前實際損傷向量di每一個元素，當前實際損傷向量di就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從所有索中確定受損索的位置及其損傷程度的解。若解得的當前實際損傷向量di的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(yīng)的索是完好的，沒有損傷的；若其數(shù)值為100％，則表示該元素所對應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能力；若其數(shù)值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力。
第十二步在本次循環(huán)，即第i次循環(huán)中求得當前名義損傷向量dic后，首先，按照式(18)、式(19)建立標識向量Fi。如果標識向量Fi的元素全為0，則回到第七步繼續(xù)本次循環(huán)；如果標識向量Fi的元素不全為0，則進入下一步、即第十三步。
第十三步根據(jù)式(20)計算得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj。
第十四步在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況為上一步計算得到的向量di+1o后，得到新的力學計算基準模型，即下一次(第i+1次)循環(huán)所需的力學計算基準模型Ai+1。
第十五步通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到對應(yīng)于模型Ai+1的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的數(shù)值，這些數(shù)值組成下一次、即第i+1次循環(huán)所需的向量Ci+1o，即被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量。
第十六步建立下一次、即第i+1次循環(huán)所需的索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Ati+1o，即取Ati+1o等于Ai+1。
第十七步建立下一次、即第i+1次循環(huán)所需的當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uti+1o，即取Uti+1o等于Utio。
第十八步回到第七步，開始下一次循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種有支座沉降時基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進式健康監(jiān)測方法，其特征是該方法包括
a.設(shè)共有N根索，首先確定索的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；
b.確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有N根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個指定索的M1個索力數(shù)據(jù)來描述，結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定索的索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息；M1是一個不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化；每次共有M2個應(yīng)變測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2為K2和L2之積；M2是不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測角度的被測量點，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個指定點的、過每個指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的H3個角度坐標分量來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標分量的變化；每次共有M3個角度坐標分量測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、L3和H3之積；M3是一個不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個指定點的、及每個指定點的L4個指定方向的空間坐標來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個指定點的所有坐標分量的變化；每次共有M4個坐標測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和L4之積；M4是一個不小于0的整數(shù)；綜合上述混合監(jiān)測的被監(jiān)測量，整個結(jié)構(gòu)共有M個被監(jiān)測量，M為M1、M2、M3和M4之和，定義參量K，K為M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的數(shù)量N；由于M個被監(jiān)測量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為“有支座沉降時的基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法”；為方便起見，在本發(fā)明中將本步所列出的“混合監(jiān)測時結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量”簡稱為“被監(jiān)測量”；
c.利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o；如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，或者可以認為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷狀態(tài)時，向量d1o的各元素數(shù)值取0；本步中d1o的上標1表示第一次循環(huán)，關(guān)于循環(huán)次數(shù)的表示方法在步驟f中具體說明；
d.在建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o的同時，直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有指定的被監(jiān)測量，組成“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o”；本步中C1o的上標1表示第一次循環(huán)，關(guān)于循環(huán)次數(shù)的表示方法在步驟f中具體說明；
e.在建立索系統(tǒng)初始損傷向量d1o和被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量C1o的同時，實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)，實測得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；
f.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao，建立初始索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uo，建立第一次循環(huán)開始時需要的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型A1；本步中A1的上標1表示第一次循環(huán)；依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工之時的索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，該實測數(shù)據(jù)包括索結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實測數(shù)據(jù)，索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計圖和竣工圖，利用力學方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao；如果沒有索結(jié)構(gòu)竣工之時的結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測系統(tǒng)前對該索結(jié)構(gòu)進行實測，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖，同樣利用力學方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao；不論用何種方法獲得Ao，基于Ao計算得到的索結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)必須非常接近其實測數(shù)據(jù)，其間的差異不得大于5％；對應(yīng)于Ao的索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uo；Ao和Uo是不變的，只在第一次循環(huán)開始時建立；第i次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型記為Ai，其中i表示循環(huán)次數(shù)；本發(fā)明的申請書中字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，字母i僅表示循環(huán)次數(shù)，即第i次循環(huán)；因此第一次循環(huán)開始時建立的索結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型記為A1，本發(fā)明中A1就等于Ao；為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio”，在每一次循環(huán)中Atio根據(jù)需要會不斷更新，每一次循環(huán)開始時，Atio等于Ai；同樣為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti”，在每一次循環(huán)中，不斷實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，向量Uti的元素與向量Uo相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐標；為敘述方便起見，對于第i次循環(huán)，將上一次更新Atio時的索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)記為當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio；第一次循環(huán)開始時，At1o等于A1，Ut1o等于Uo；
g.實測獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標當前數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio；
h.在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu；
i.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當前實測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”。給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號時，應(yīng)使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前出現(xiàn)的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監(jiān)測量的、對應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；
j.定義索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di，損傷向量的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對應(yīng)關(guān)系，損傷向量的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度或健康狀態(tài)；
k.依據(jù)“被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量Ci”同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”、“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量dic”間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達為式1，式1中除dic外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義損傷向量dic；
式1
l.利用式2表達的當前實際損傷向量di同初始損傷向量dio和當前名義損傷向量dic的元素間的關(guān)系，計算得到當前實際損傷向量di的所有元素；
式2
式2中j＝1，2，3，……，N；
由于當前實際損傷向量di的元素數(shù)值代表對應(yīng)索的損傷程度，所以根據(jù)當前實際損傷向量di就能確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現(xiàn)了索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測；若當前實際損傷向量的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應(yīng)的索是完好的，沒有損傷的；若其數(shù)值為100％，則表示該元素所對應(yīng)的索已經(jīng)完全喪失承載能力；若其數(shù)值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應(yīng)比例的承載能力；
m.在求得當前名義損傷向量dic后，按照式3建立標識向量Fi，式4給出了標識向量Fi的第j個元素的定義；
式3
式4
式4中元素Fij是標識向量Fi的第j個元素，Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的第j個元素，它們都表示第j根索的相關(guān)信息。式4中j＝1，2，3，……，N；
n.如果標識向量Fi的元素全為0，則回到步驟g繼續(xù)本次循環(huán)；如果標識向量Fi的元素不全為0，則進入下一步、即步驟o；
o.根據(jù)式5計算得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的初始損傷向量di+1o的每一個元素di+1oj；
式5
式5中Diuj是名義單位損傷向量Diu的第j個元素，dicj是索系統(tǒng)當前名義損傷向量dic的第j個元素，F(xiàn)ij是標識向量Fi的第j個元素。式5中j＝1，2，3，……，N。
p.在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上，令索的健康狀況為di+1o后更新得到下一次、即第i+1次循環(huán)所需的力學計算基準模型Ai+1，即對力學計算基準模型進行了更新；
q.通過對力學計算基準模型Ai+1的計算得到對應(yīng)于模型Ai+1的結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的數(shù)值，這些數(shù)值組成下一次、即第i+1次循環(huán)所需的被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Ci+1o；
r.建立下一次、即第i+1次循環(huán)所需的索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Ati+1o，即取Ati+1o等于Ai+1；
s.建立下一次、即第i+1次循環(huán)所需的當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uti+1o，即取Uti+1o等于Utio；
t.回到步驟g，開始下一次循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有支座沉降時基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進式健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟g中，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti，在必要時更新索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Utio的具體方法為
g1.實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti后，比較Uti和Utio，如果Uti等于Utio，則不需要對Atio進行更新；
g2.實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Uti后，比較Uti和Utio，如果Uti不等于Utio，則需要對Atio進行更新，更新方法是先計算Uti與Uo的差，Uti與Uo的差就是當前索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于在建立Ao時的索結(jié)構(gòu)支座的當前支座位移，用當前支座位移向量V表示支座位移，當前支座位移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應(yīng)關(guān)系，當前支座位移向量V中一個元素的數(shù)值對應(yīng)于一個指定支座的一個指定方向的位移，其中支座位移在重力方向的分量就是支座沉降量；更新Atio的方法是在Ao的基礎(chǔ)上令索的健康狀況為索系統(tǒng)初始損傷向量dio，再進一步對Ao中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座位移約束，當前支座位移約束的數(shù)值就取自當前支座位移向量V中對應(yīng)元素的數(shù)值，對Ao中的索結(jié)構(gòu)支座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型Atio，更新Atio的同時，Utio所有元素數(shù)值也用Uti所有元素數(shù)值代替，即更新了Utio，這樣就得到了正確地對應(yīng)于Atio的Utio。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有支座沉降時基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進式健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟h中，在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu的具體方法為
h1.在第i次循環(huán)開始時，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu；在其它時刻，當步驟g中對Atio進行更新后，必須按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi和名義單位損傷向量Diu，如果在步驟g中沒有對Atio進行更新，則在此處直接轉(zhuǎn)入步驟i進行后續(xù)工作；
h2.在索結(jié)構(gòu)當前力學計算基準模型Atio的基礎(chǔ)上進行若干次力學計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有損傷的基礎(chǔ)上再增加單位損傷，每一次計算中出現(xiàn)損傷的索不同于其它次計算中出現(xiàn)損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用“名義單位損傷向量Diu”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到索結(jié)構(gòu)中所有指定被監(jiān)測量的當前數(shù)值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前數(shù)值組成一個“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量”；當假設(shè)第j根索有單位損傷時，可用Citj表示對應(yīng)的“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量”；在本步驟中給各向量的元素編號時，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監(jiān)測量或同一對象的相關(guān)信息；
h3.每一次計算得到的那個“被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值向量Citj”減去“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量Cio”得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的單位損傷值后得到一個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量δCij”；有N根索就有N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；
h4.由這N個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”依次組成有N列的“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”；“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔCi”的每一列對應(yīng)于一個“被監(jiān)測量的數(shù)值變化向量”；“單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣”的列的編號規(guī)則與當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di的元素編號規(guī)則相同。
全文摘要
有支座沉降時基于混合監(jiān)測的索系統(tǒng)的遞進式健康監(jiān)測方法基于混合監(jiān)測、通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)支座坐標來決定是否需要再次更新結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型，考慮到了被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量同被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣和當前名義損傷向量間的線性關(guān)系是近似的，為克服此缺陷，本發(fā)明給出了使用線性關(guān)系分段逼近非線性關(guān)系的方法，將大區(qū)間分割成連續(xù)的一個個小區(qū)間，在每一個小區(qū)間內(nèi)上述線性關(guān)系都是足夠準確的，在每一個小區(qū)間內(nèi)可以利用多目標優(yōu)化算法等合適的算法算出當前索損傷向量的非劣解，據(jù)此可以比較準確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號G01M99/00GK101806664SQ20101012732
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者韓玉林 申請人:東南大學