專利名稱：一種基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于混合監(jiān)測(cè)來識(shí)別支座位移、識(shí)別索結(jié)構(gòu)的索
系統(tǒng)中的受損索、識(shí)別需調(diào)整索力的支承索，并給出具體的索長(zhǎng)調(diào)整量，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
支座位移對(duì)索結(jié)構(gòu)安全是一項(xiàng)重大威脅，同樣的，索系統(tǒng)的損傷和松弛也將對(duì)結(jié)構(gòu)的安全造成不良影響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起結(jié)構(gòu)的失效，因此準(zhǔn)確及時(shí)地識(shí)別支座位移、受損索和松弛索(即需調(diào)整索力的支承索)是非常必要的。 索結(jié)構(gòu)出現(xiàn)支座位移、受損索和松弛索后會(huì)引起結(jié)構(gòu)的可測(cè)量參數(shù)的變化，例如會(huì)引起索力的變化，會(huì)影響索結(jié)構(gòu)的變形或應(yīng)變，會(huì)影響索結(jié)構(gòu)的形狀或空間坐標(biāo)，會(huì)引起過索結(jié)構(gòu)的每一點(diǎn)的任意假想直線的角度坐標(biāo)的變化(例如結(jié)構(gòu)表面任意一點(diǎn)的切平面中的任意一根過該點(diǎn)的直線的角度坐標(biāo)的變化，或者結(jié)構(gòu)表面任意一點(diǎn)的法線的角度坐標(biāo)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(duì)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(cè)來判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，本發(fā)明將所有被監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)特征參量統(tǒng)稱為"被監(jiān)測(cè)量"，由于此時(shí)被監(jiān)測(cè)量是由結(jié)構(gòu)的不同類型的可測(cè)量參數(shù)混合組成，本發(fā)明稱此為混合監(jiān)測(cè)，也就是說可以利用混合監(jiān)測(cè)來識(shí)別支座位移、受損索和松弛索。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明公開了一種基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，能夠合理有效地識(shí)別支座位移、受損索和松弛索的健康監(jiān)測(cè)。 技術(shù)方案斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個(gè)共同點(diǎn)，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(diǎn)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)"。在索結(jié)構(gòu)的服役過程中，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(shí)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)會(huì)受損，同時(shí)索結(jié)構(gòu)的支座也可能出現(xiàn)位移，這些變化對(duì)索結(jié)構(gòu)的安全是一種威脅，依據(jù)支承索的索力變化的原因，可將支承索的索力變化分為三種情況一是支承索受到了損傷，例如支承索出現(xiàn)了局部裂紋和銹蝕等等；二是支承索并無損傷，但索力也發(fā)生了變化，出現(xiàn)這種變化的主要原因之一是支承索自由狀態(tài)(此時(shí)索張力也稱索力為0)下的索長(zhǎng)度(稱為自由長(zhǎng)度，本發(fā)明專指支承索兩支承端點(diǎn)間的那段索的自由長(zhǎng)度)發(fā)生了變化；三是支承索并無損傷，但索結(jié)構(gòu)支座有了位移(其中在重力方向的分量就被稱為沉降)，也會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，當(dāng)然也就會(huì)引起索力的變化。為了方便，本發(fā)明將自由長(zhǎng)度發(fā)生變化的支承索統(tǒng)稱為松弛索。
本發(fā)明由兩大部分組成。分別是一、建立用于識(shí)別支座位移、受損索和松弛索的
5健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫(kù)和參量的方法、基于知識(shí)庫(kù)(含參量)、基于被監(jiān)測(cè)量等量的監(jiān)測(cè)的、識(shí)別索結(jié)構(gòu)的支座位移、受損索和松弛索的方法。二、健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。 設(shè)索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N。為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評(píng)估的索和支座位移為"被評(píng)估對(duì)象"，給被評(píng)估對(duì)象連續(xù)編號(hào)，本發(fā)明用用變量i表示這一編號(hào)，i = 1，2，3，... ，N，因此可以說有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象。 本發(fā)明的第一部分建立用于識(shí)別索結(jié)構(gòu)支座位移、受損索和松弛索的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫(kù)和參量的方法、基于知識(shí)庫(kù)(含參量)、基于實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)的、基于被監(jiān)測(cè)量等量的監(jiān)測(cè)的、識(shí)別索結(jié)構(gòu)的支座位移、受損索和松弛索的方法。可按如下方法進(jìn)行，以獲得更準(zhǔn)確的索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評(píng)估。 第一步首先建立索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。、建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。(例如有限元基準(zhǔn)模型，在本發(fā)明中A。是不變的)。 索結(jié)構(gòu)"初始健康狀態(tài)向量記為d。"(如式(1)所示)，用d。表示索結(jié)構(gòu)(用索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。表示)的健康狀態(tài)。d。= [dol d。2. 'd。i. .d。N]T (1) 式(1)中d。i(i = 1，2，3，.......， N)表示A。中的索結(jié)構(gòu)的第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象的
初始健康狀態(tài)，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么d。i表示其初始損傷，d。i為0時(shí)表示無損傷，為100%時(shí)表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時(shí)表示喪失相應(yīng)比例的承載能力，如果經(jīng)無損檢測(cè)查明該索沒有損傷，那么d。i表示該索與d。i損傷值力學(xué)等效的松弛，具體松弛量的計(jì)算方法在后面說明；如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么d。i表示其初始位移數(shù)值。式(1)中T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。
建立索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量(依據(jù)式(1)記為d。)時(shí)，利用索結(jié)構(gòu)完工之時(shí)或健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始工作之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的支座坐標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)圖、竣工圖確定索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。的對(duì)應(yīng)于支座位移的各元素?cái)?shù)值；利用索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)確定索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。的對(duì)應(yīng)于索的各元素?cái)?shù)值；如果沒有索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷無松弛狀態(tài)時(shí)，向量d。的對(duì)應(yīng)于索的各元素?cái)?shù)值取0。 建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。(例如有限元基準(zhǔn)模型)的方法如下
建立A。時(shí)，根據(jù)索結(jié)構(gòu)完工之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)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(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù))和設(shè)計(jì)圖、竣工圖，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立A。；如果沒有索結(jié)構(gòu)完工之時(shí)的結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，那么就在建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)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(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)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(jì)圖、竣工圖，利用力學(xué)方法(例如有限元法)建立A。。不論用何種方法獲得A。，基于A。計(jì)算得到的索結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)(對(duì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用A。計(jì)算所得的模擬情況下的應(yīng)變計(jì)算數(shù)據(jù)、索力計(jì)算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀計(jì)算數(shù)據(jù)和位移計(jì)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(shí)發(fā)生時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
被監(jiān)測(cè)的多類參量可以包括索力、應(yīng)變、角度和空間坐標(biāo)，分別敘述如下
設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M工個(gè)指定索的M工個(gè)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M工個(gè)索力測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M工是一個(gè)不小于0的整數(shù)。 結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上1(2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的1^個(gè)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(gè)指定點(diǎn)的所有被測(cè)應(yīng)變的變化。每次共有M2(M2 = K2XL2)個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變。M2是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上1(3個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn)的1^個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H3個(gè)角度坐標(biāo)分量來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點(diǎn)的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標(biāo)分量的變化。每次共有M3(M3二K3XL3XH》個(gè)角度坐標(biāo)分量測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息。M3是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L4個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有MJM4 = K4XL4)個(gè)坐標(biāo)測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形狀。M4是一個(gè)不小于0的整數(shù)。
綜合上述被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M(M = Mi+M^M^M》個(gè)被監(jiān)測(cè)量，定義參量K(K=M,I^+K3+ig ， K和M不得小于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N。由于M個(gè)被監(jiān)測(cè)量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為"一種基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法"。 為方便起見，在本發(fā)明中將"結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量"簡(jiǎn)稱為"被監(jiān)測(cè)量"。 本發(fā)明中用被監(jiān)測(cè)量初始向量C。表示索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始值組成的向
量(見式(2))。要求在獲得A。的同時(shí)獲得C。。因在前述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模
型計(jì)算所得的被監(jiān)測(cè)量可靠地接近于初始被監(jiān)測(cè)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同
一符號(hào)來表示該計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。 C。= [Col C。2. 'C。j. 'C。m ]t (2) 式(2)中C。j (j = 1， 2， 3，.......， M ;M > N)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的初始
量，該分量依據(jù)編號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)于特定的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量。T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。
本發(fā)明中用被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量C是由索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前值組成的向量(定義見式(3))。 C = [Q C2 Cj CM]T (3) 式(3)中Cj(j = 1，2，3，.......， M ;M > N)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前
值，該分量Cj依據(jù)編號(hào)規(guī)則與C。j對(duì)應(yīng)于同一"被監(jiān)測(cè)量"。
第二步建立索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣A C的方法。 在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于N。每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原健康狀態(tài)(用索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。表示)的基礎(chǔ)上再增加有單位損傷或單位位移(本發(fā)明稱為健康狀態(tài)有單位變化，或簡(jiǎn)稱有單位變化)，具體的，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索增加單位損傷(例如取5% 、 10% 、20%或30%等損傷為單位損傷)，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向增加發(fā)生單位位移(例如10mm，20mm， 30mm等為單位位移)，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示假設(shè)增加發(fā)生單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)。用"單位損傷或單位位移向量Du"(如式(4)所示)記錄所有的單位損傷或單位位移。每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，每一次計(jì)算都利用力學(xué)方法(例如有限元法)計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i個(gè)被監(jiān)測(cè)量有單位損傷或單位位移時(shí)，可用式(5)表示被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量C。；每一次計(jì)算得到被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量后再除以該次計(jì)算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，所得向量就是此條件下(以有單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)為標(biāo)記)的被監(jiān)測(cè)量變化向量(當(dāng)?shù)趇個(gè)被評(píng)估對(duì)象有單位損傷或單位位移時(shí)，用S &表示被監(jiān)測(cè)量變化向量，定義見式(6)，式(6)為式(5)減去式(2)所得)，被監(jiān)測(cè)量變化向量的每一元素表示由于計(jì)算時(shí)假定有單位損傷或單位位移的那個(gè)被評(píng)估對(duì)象的單位變化而引起的該元素所對(duì)應(yīng)的被監(jiān)測(cè)量的改變量；有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，由于有M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，所以每個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量有M個(gè)元素，由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組成有MXN個(gè)元素的被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC， AC的定義如式(7)所示。
Du= [Dul 'Du, 'DJT (4) 式(4)中單位損傷或單位位移向量Du的元素Dui (i = 1， 2， 3，.......， N)表示第
i個(gè)被評(píng)估對(duì)象的單位損傷或單位位移數(shù)值，向量Du中的各元素的數(shù)值可以相同也可以不同。
(5)
<formula>formula see original document page 8</formula>表示由 式(5)中元素Ct/(i = 1，2，3，.....
于第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象有單位損傷或單位位移時(shí)，依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的第j個(gè)被監(jiān)》:當(dāng)前計(jì)算量。 <formula>formula see original document page 8</formula><formula>formula see original document page 8</formula>
(6)
<formula>formula see original document page 8</formula>
(7) 式(7)中ACw(i = 1，2，3，.......，N ;j = 1，2，3，.......，M ;M > N)表示僅由
于第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象有單位變化(單位損傷或單位位移)而引起的、依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)應(yīng)的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值的變化(代數(shù)值)。被監(jiān)測(cè)量變化向量S &實(shí)際上是矩陣AC中的一列，AC也可以用SCi定義，如式(8)中。
A C = [ S d S C2 S & S CN] (8) 式(8)中向量SCi(i = l，2，3，.......，N)表示由于第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象有單位變
化Dui而引起的、所有被監(jiān)測(cè)量的相對(duì)數(shù)值變化。矩陣AC的列(下標(biāo)i)的編號(hào)規(guī)則與前面向量d。的元素的下標(biāo)i的編號(hào)規(guī)則相同。 第三步在索結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實(shí)測(cè)獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)據(jù)，組成索 結(jié)構(gòu)"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C"。 第四步識(shí)別索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前健康狀態(tài)(識(shí)別支座位移、受損索和松弛索)。具體過 程如下。
被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量C(計(jì)算或?qū)崪y(cè))同被監(jiān)測(cè)量初始向量C。、被監(jiān)測(cè)量單位變 化矩陣AC和被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d間的近似線性關(guān)系，如式(9)或式(10)所示。
C = C0+ A C dc (9)
C-C0 = AC dc (10) 式(9)和式(10)中被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C的定義類似于被 監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。的定義，見式(11);索結(jié)構(gòu)"被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。"的 定義見式(12)。c = [Ci c2 cj cm]t (n) 式(11)中元素Cj(j = 1，2，3，.......，M;M^N)是索結(jié)構(gòu)的、依據(jù)編號(hào)規(guī)則所對(duì)
應(yīng)的編號(hào)為j的被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值。 dc= [dcl dc2. 'cU]t (12) 式(12)中dci(i = 1，2，3，.......，N)是索結(jié)構(gòu)第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前健康狀
態(tài)。向量d。的元素的下標(biāo)i的編號(hào)規(guī)則與矩陣AC的列的編號(hào)規(guī)則相同。 當(dāng)索實(shí)際損傷不太大時(shí)，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(shí)際情況的誤差較小，誤差可用誤差
向量e(式(13))定義，表示式(9)或式(10)所示線性關(guān)系的誤差。 e = abs ( A C dc_C+C0) (13) 式(13)中abs()是取絕對(duì)值函數(shù)，對(duì)括號(hào)內(nèi)求得的向量的每一個(gè)元素取絕對(duì)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(jiǎn)單根據(jù)式(9) 或式(10)和"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(實(shí)測(cè))數(shù)值向量C"來直接求解得到"被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健 康狀態(tài)向量d。"。如果這樣做了，得到的向量d。中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)較大的負(fù)值，也就是負(fù) 損傷、負(fù)松弛或負(fù)支座沉降，這明顯是不合理的。因此獲得向量d。的可接受的解(即帶有 合理誤差，但可以比較準(zhǔn)確地確定支座位移、確定受損索的位置及其損傷程度、確定松弛索 的位置及其松弛程度)成為一個(gè)合理的解決方法，可用式(14)來表達(dá)這一方法。
abs ( A C dc_C+C0)《g (14) 式(14)中abs()是取絕對(duì)值函數(shù)，向量g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。 g = [gl g2 gj gM]T (15) 式(15)中g(shù)j(j = 1，2，3，.......，M)描述了偏離式(9)或式(10)所示的理想線
性關(guān)系的最大允許偏差。向量g可根據(jù)式(13)定義的誤差向量e試算選定。
在"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。"(實(shí)測(cè)或計(jì)算得到)、"索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化 矩陣AC"(計(jì)算得到)禾P"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C"(實(shí)測(cè)得到)已知時(shí)，可以利用合 適的算法(例如多目標(biāo)優(yōu)化算法)求解式(14)，獲得"被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。"的 可接受的解，然后"當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d"(定義見式(16))的元素可以根據(jù)式(17)計(jì)算得到，也就是得到了"當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d"，當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d表達(dá)了計(jì)入初
始健康狀態(tài)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)際健康狀態(tài)。 d = [4 d2 & dN]T (16) 式(16)中di(i = 1，2，3，.......， N)表示索結(jié)構(gòu)的第i個(gè)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)
際健康狀態(tài)，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么&表示其當(dāng)前實(shí)際損 傷，di為0時(shí)表示無損傷，為100%時(shí)表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時(shí)表 示喪失相應(yīng)比例的承載能力；確定受損索之后對(duì)所有的受損索進(jìn)行無損檢測(cè)，經(jīng)無損檢測(cè) 查明該索沒有損傷，那么&表示該索與&損傷值力學(xué)等效的松弛，由此就確定了松弛索，具 體松弛量的計(jì)算方法在下面說明；如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么A 表示其當(dāng)前位移數(shù)值。向量d的元素的編號(hào)規(guī)則與式(1)中向量do的元素的編號(hào)規(guī)則相 同。 & = l-(l-doi) (l_dci) (17) 式(17)中cU(i = 1，2，3，.......， N)是向量d。的第j個(gè)元素，d。j是向量4的
第j個(gè)元素。 下面敘述得到了索結(jié)構(gòu)當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d后，如何確定松弛索的位置和松 弛程度。 設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)由Q根支承索的索力來描述?？捎?初
始索力向量Fo"表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的初始索力(定義見式(18))。因?yàn)榛谒鹘Y(jié)
構(gòu)的計(jì)算基準(zhǔn)模型計(jì)算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在后面的敘述
中，將用同一符號(hào)來表示該計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。 F。= [Fol Fo2. .Fok. F。Q]T (18) 式(18)中F。(k二 1，2，3，.......， Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的初始索力，該元
素依據(jù)編號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)于指定支承索的索力。向量F。是常量。在建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì) 算基準(zhǔn)模型A。時(shí)使用了向量F。。依據(jù)定義，向量C。包括了向量F。。 本發(fā)明中用"當(dāng)前索力向量F"表示實(shí)測(cè)得到的索結(jié)構(gòu)中所有支承索的當(dāng)前索力 (定義見式(19))。 F = [Fi F2 Fk FQ]T (19) 式(19)中Fk(k二 1，2，3，.......， Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的當(dāng)前索力。 本發(fā)明中，在支承索初始狀態(tài)(無損傷、無松弛)下，且支承索處于自由狀態(tài)(自 由狀態(tài)指索力為0，后同)時(shí)，支承索的長(zhǎng)度稱為初始自由長(zhǎng)度，用"初始自由長(zhǎng)度向量1。" 表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的初始自由長(zhǎng)度(定義見式(20))。
1。= [lol 1。2. 'l。k' '1。JT (20) 式(20)中l(wèi)。k(k= 1，2，3，.......，Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的初始自由長(zhǎng)度。
向量1。是常量，在開始時(shí)確定后，就不再變化。 本發(fā)明中，用"當(dāng)前自由長(zhǎng)度向量l"表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的當(dāng)前自由長(zhǎng)度 (定義見式(21))。 1 = [" 12 lk 1Q]T (21) 式(21)中l(wèi)k(k= 1，2，3，.......，Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的當(dāng)前自由長(zhǎng)度。 本發(fā)明中，用"自由長(zhǎng)度改變向量Al"(或稱支承索當(dāng)前松弛程度向量)表示索結(jié)構(gòu)中所有支承索的自由長(zhǎng)度的改變量(定義見式(22)和式(23))。
Al = [Al丄Al2 Alk *A1Q]T (22) 式(22)中Alk(k= 1，2，3，.......， Q)是索結(jié)構(gòu)中第k根支承索的自由長(zhǎng)度的
改變量，其定義見式(23) ， A lk不為0的索為松弛索，A lk的數(shù)值為索的松弛量，并表示索
系統(tǒng)第k根支承索的當(dāng)前松弛程度，也是調(diào)整索力時(shí)該索的索長(zhǎng)調(diào)整量。
A lk = lk-lok (23) 向量F。、cf、Fk、1。、1、 Al的編號(hào)規(guī)則相同。 確定松弛索之后，在本發(fā)明中通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來進(jìn)行松弛索 的松弛程度識(shí)別，等效的力學(xué)條件是 —、兩等效的索的無松弛和無損傷時(shí)的初始自由長(zhǎng)度、幾何特性參數(shù)及材料的力 學(xué)特性參數(shù)相同； 二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長(zhǎng)相同。 滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同
的，即如果用等效的受損索代替松弛索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化，反之亦然。 本發(fā)明中，同編號(hào)為k的支承索(其當(dāng)前松弛程度用Alk定義，對(duì)應(yīng)于向量F。、cf、
Fk、l。、l、 A 1的第k個(gè)元素)進(jìn)行等效的受損的支承索的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)用(fk表示(cfk
是支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量cf的第k個(gè)元素)。松弛的第k個(gè)支承索的當(dāng)前松弛程度
Alk(Alk的定義見式(22))同等效的受損索的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)(fk之間的關(guān)系由前述兩
項(xiàng)力學(xué)等效條件確定。A lk同cfk之間的具體關(guān)系可以采用多種方法實(shí)現(xiàn)，例如可以直接根
據(jù)前述等效條件確定(參見式(24))，也可采用基于Ernst等效彈性模量代替式(24)中的
E進(jìn)行修正后確定(參見式(25))，也可以采用基于有限元法的試算法等其它方法來確定。
<formula>formula see original document page 11</formula>
式(24)和式(25)中Ek是該支承索的彈性模量，Ak是該支承索的橫截面面積，F(xiàn)k 是該支承索的當(dāng)前索力，cfk是該支承索的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)，"k是該支承索的單位長(zhǎng)度 的重量，L是該支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的水平距離。式(25)中[]內(nèi)的項(xiàng)是該支承索的 Ernst等效彈性模量，由式(24)或式(25)可以就可以確定支承索當(dāng)前松弛程度向量Al。 式(25)是對(duì)式(24)的修正。 本發(fā)明的第二部分健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。硬件部分包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (監(jiān)測(cè)被監(jiān)測(cè)量、監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)、監(jiān)測(cè)索力、監(jiān)測(cè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離)、信 號(hào)采集器和計(jì)算機(jī)等。要求實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)被監(jiān)測(cè)量、監(jiān)測(cè)每一個(gè)支承索的索力、 監(jiān)測(cè)每一個(gè)支承索兩支承端點(diǎn)的水平距離。軟件應(yīng)當(dāng)具用下列功能軟件部分應(yīng)當(dāng)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)、 記錄、控制、存儲(chǔ)、計(jì)算、通知、報(bào)警等功能。
本發(fā)明方法具體包括 a.為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評(píng)估的支承索和支座位移分量為被評(píng)估對(duì) 象，設(shè)被評(píng)估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量為N ; 確定被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評(píng)估對(duì)象編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù) 步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號(hào)，i = 1，2，3， . . . ， N ;
b.確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根索，結(jié)構(gòu) 的被監(jiān)測(cè)的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M工個(gè)指定索的M工個(gè)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M工個(gè)索力測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息A是 一個(gè)不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的被測(cè)量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的 應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L2個(gè)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K3個(gè)指定點(diǎn)的所有被測(cè)應(yīng)變的變化；每次共有M2個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)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(cè)時(shí)指定的將被 監(jiān)測(cè)角度的被測(cè)量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上1(3個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn)的 L3個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H3個(gè)角度坐標(biāo)分量來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指 定點(diǎn)的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標(biāo)分量的變化；每次共有M3個(gè)角度坐標(biāo)分量測(cè) 量值或計(jì)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(gè)不小于0的整數(shù)；確 定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個(gè)指定點(diǎn) 的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L4個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個(gè)指定 點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化；每次共有M4個(gè)坐標(biāo)測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和 L4之積；M4是一個(gè)不小于0的整數(shù)；綜合上述混合監(jiān)測(cè)的被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M個(gè)被監(jiān) 測(cè)量，M為]^、] 2、] 3和M4之和，定義參量K， K為]^、1(2、1(3和K4之和，K和M不得小于被評(píng)估 對(duì)象的數(shù)量N ;由于M個(gè)被監(jiān)測(cè)量是不同類型的，所以本發(fā)明稱為"一種基于混合監(jiān)測(cè)的索 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(cè)時(shí)結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè) 的所有參量"簡(jiǎn)稱為"被監(jiān)測(cè)量"； c.利用索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始健康狀態(tài)向 量d。。如果沒有索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，向量d。的各元 素?cái)?shù)值取O。 d.在建立初始健康狀態(tài)向量d。的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量 的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。； e.在建立初始健康狀態(tài)向量d。和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。的同時(shí)，直接測(cè)量 計(jì)算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量F。；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù) 據(jù)得到所有支承索的初始自由長(zhǎng)度，組成初始自由長(zhǎng)度向量1。；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、 竣工數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；同時(shí)，實(shí)測(cè)或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、竣工資料得到所 有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積； f.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)和初始 索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。； g.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被 監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC; h.實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量F ;同時(shí)，實(shí)測(cè)得
12到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C";實(shí)測(cè)計(jì)
算得到所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方向分量
的差就是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離； i.定義待求的被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。和當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d;向量 d。、 d。和d的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，d。、 d。和d的元素和被評(píng)估對(duì)象之間是一一 對(duì)應(yīng)關(guān)系，d。、 d。和d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的損傷程度或位移、或與松弛程度力 學(xué)等效的損傷程度； j.依據(jù)"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C"同"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。"、"索結(jié)構(gòu) 被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣A C"和"被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。"間存在的近似線性關(guān)系， 該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式l，式1中除d。外的其它量均為已知，求解式1就可以算出被評(píng) 估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。；
C = C。+AC*dc 式l k.利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素dj同初始健康狀態(tài)向量d。的
元素d。j和被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。的元素d。j間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際健康狀
態(tài)向量d的所有元素。 & = l-(l-d。i) (l-dci) 式2 式2中i = 1，2，3， ......， N ; 由于當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)際健康 狀態(tài)，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索，那么該元素表示其當(dāng)前實(shí)際損傷，如果該被 評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么該元素表示其當(dāng)前位移數(shù)值；當(dāng)前實(shí)際健康狀 態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值為0時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的支承索無損傷無松弛、或?qū)?yīng)的支座位移分量為0， 不為0的元素對(duì)應(yīng)于有問題的支承索或有位移的支座；由此確定了有問題的支承索，確定 了支座位移； 1.從第k步中識(shí)別出的有問題的支承索中通過無損檢測(cè)方法鑒別出受損索，剩下 的就是松弛索； m.從當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d中取出支承索對(duì)應(yīng)的元素組成支承索當(dāng)前實(shí)際健 康狀態(tài)向量cT，支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量cf有Q個(gè)元素，表示Q根支承索的當(dāng)前實(shí)際 損傷值，cf元素的編號(hào)規(guī)則與向量F。的編號(hào)規(guī)則相同，即cf和F。相同編號(hào)的元素表示相同 支承索的信息； n.利用在第m步獲得的支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量(f得到松弛索的當(dāng)前實(shí)際 損傷程度，利用在第h步獲得的當(dāng)前索力向量F，利用在第h步獲得的所有支承索的兩個(gè)支 承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，利用在第e步獲得的初始自由長(zhǎng)度向量1。，利用在第e步獲得的所有索 的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來計(jì)算松弛 索的、與當(dāng)前實(shí)際損傷程度等效的松弛程度，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無松弛 和無損傷時(shí)的初始自由長(zhǎng)度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同；二、松弛或 損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長(zhǎng)相同；滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)， 這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損 索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化，反之亦然；依據(jù)前述力學(xué)等效條件求得那些被判定為松弛 索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長(zhǎng)度的改變量，也就是確定了那些需調(diào)整索力的支承索的索長(zhǎng)調(diào)整量；這樣就實(shí)現(xiàn)了支承索的松弛識(shí)別；計(jì)算時(shí)所需索力由當(dāng)前索力向量 F對(duì)應(yīng)元素給出； 在步驟g中，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲 得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC的具體方法為 gl.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù) 值上等于N ;每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加有單位損 傷或單位位移，為敘述方便本發(fā)明合稱單位損傷和單位位移為單位變化；具體的，如果該被 評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加 單位損傷，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移 方向在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加發(fā)生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移， 其中i表示發(fā)生單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)；每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或 單位位移的被評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，每一 次計(jì)算都利用力學(xué)方法計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有 被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量； g2.每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量后再除以該 次計(jì)算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，有N個(gè)被評(píng)估對(duì) 象就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量； g3.由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣 AC ;索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量。
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)位移的情況下、在有較多 的索同步受損或松弛的條件下可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)評(píng)估出索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)(包括所有 支座位移、所有松弛索和受損索的位置、及其松弛程度或損傷程度)。本發(fā)明公開的系統(tǒng)和 方法對(duì)索結(jié)構(gòu)的有效健康監(jiān)測(cè)是非常有益的。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明公開了一種能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)的支座位移、識(shí)別受損索松弛索的 系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例的下面說明實(shí)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)位移、出現(xiàn)受損索、松弛索的情況下，本發(fā)明采用一種算法，該 算法用于監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)(包括識(shí)別支座位移、受損索、松弛索)。具體實(shí)施時(shí)，下列 步驟是可采取的各種步驟中的一種。 第一步為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評(píng)估的支承索和支座位移分量為被評(píng) 估對(duì)象，設(shè)被評(píng)估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量為 N ;確定被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評(píng)估對(duì)象編號(hào)，該編號(hào)在后 續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；本發(fā)明用變量i表示這一編號(hào)，i = 1，2，3， . . . ， N。
確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根索，結(jié)構(gòu)的 被監(jiān)測(cè)的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M工個(gè)指定索的M工個(gè)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M工個(gè)索力測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息。M工是 一個(gè)不小于0的整數(shù)。實(shí)際選定被監(jiān)測(cè)索力的索時(shí)，可以選擇那些索力易于測(cè)量的索為被
14監(jiān)測(cè)索。 確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的被測(cè)量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由 結(jié)構(gòu)上K2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L2個(gè)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(gè)指定點(diǎn)的所有被測(cè)應(yīng)變的變化。每次共有M2個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu) 應(yīng)變，M2為K2和L2之積。M2是一個(gè)不小于0的整數(shù)。每一個(gè)將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的被測(cè)量點(diǎn)可 以就是每一根索的固定端點(diǎn)(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)附近的一個(gè)點(diǎn)，該 指定點(diǎn)還可以是結(jié)構(gòu)支座附近的一個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)一般不應(yīng)當(dāng)是應(yīng)力集中點(diǎn)，以避免出現(xiàn)過大 的應(yīng)變測(cè)量值，這些點(diǎn)一般也不應(yīng)當(dāng)全部是混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的被監(jiān)測(cè)索力的索的固定端點(diǎn) 或在其附近。 確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)角度的被測(cè)量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)由結(jié)
構(gòu)上K3個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn)的L3個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H3個(gè)角度坐標(biāo)分量
來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點(diǎn)的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標(biāo)分量的
變化。每次共有M3個(gè)角度坐標(biāo)分量測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的角度信息，M3為K3、 L3和
4之積。M3是一個(gè)不小于0的整數(shù)。每一個(gè)指定點(diǎn)可以就是每一根索的固定端點(diǎn)(例如是
斜拉橋的拉索在橋面上的固定端)或其附近的一個(gè)點(diǎn)，該指定點(diǎn)還可以是結(jié)構(gòu)支座附近的
一個(gè)點(diǎn)，被監(jiān)測(cè)角度數(shù)據(jù)的點(diǎn)一般不應(yīng)該全部選擇為"混合監(jiān)測(cè)中指定的被監(jiān)測(cè)索力的索
的固定端點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)"和"混合監(jiān)測(cè)中指定的被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)";在
每一指定點(diǎn)可以僅僅測(cè)量一個(gè)指定直線的一個(gè)角度坐標(biāo)，例如測(cè)量過指定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)表面法
線或切線相對(duì)于重力加速度方向的角度坐標(biāo)，這里實(shí)際上就是傾角測(cè)量。 確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上
K4個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L4個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就
是K4個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化。每次共有M4個(gè)坐標(biāo)測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形
狀，M4為K4和L4之積。M4是一個(gè)不小于0的整數(shù)。每一個(gè)指定點(diǎn)可以就是每一根索的固
定端點(diǎn)(例如是斜拉橋的拉索在橋梁上的固定端)，該指定點(diǎn)還可以是結(jié)構(gòu)支座附近的一
個(gè)點(diǎn)，或者直接就是結(jié)構(gòu)支座支點(diǎn)；這里選定的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)不應(yīng)該全部選用"混合監(jiān)測(cè)中指定
的被監(jiān)測(cè)索力的索的固定端點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)"、"混合監(jiān)測(cè)中指定的被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的點(diǎn)或在
其附近的點(diǎn)"和"混合監(jiān)測(cè)中指定的被監(jiān)測(cè)角度數(shù)據(jù)的點(diǎn)或在其附近的點(diǎn)"。 綜合上述被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)就混合監(jiān)測(cè)而言共有M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，M為MpM2、M3和
M4之和，定義參量K， K為MpK^Ks和K4之和，K和M不得小于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N。為方便
起見，在本發(fā)明中將本步所列出的"混合監(jiān)測(cè)時(shí)結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量"簡(jiǎn)稱為"被監(jiān)測(cè) 第二步利用索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始健康狀 態(tài)向量d。。如果沒有索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以 認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷、無松弛狀態(tài)時(shí)，向量d。的各元素?cái)?shù)值取0。
第三步在建立初始健康狀態(tài)向量d。的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被 監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值，組成"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。"；同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的
所有支承索的初始索力，組成"初始索力向量F。"；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到
所有索的初始自由長(zhǎng)度，組成"初始自由長(zhǎng)度向量1。"；同時(shí)，實(shí)測(cè)或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、竣工資 料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積。
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第四步在建立初始健康狀態(tài)向量d。的同時(shí)，可以采用成熟的測(cè)量方法進(jìn)行索力 測(cè)量、應(yīng)變測(cè)量、角度測(cè)量和空間坐標(biāo)測(cè)量。直接測(cè)量或測(cè)量后計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)初始幾何形 狀數(shù)據(jù)(對(duì)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(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)加上結(jié)構(gòu)上一系列的點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，目的在于根據(jù)這些坐標(biāo)數(shù)據(jù) 確定索結(jié)構(gòu)的幾何特征。對(duì)斜拉橋而言，初始幾何形狀數(shù)據(jù)可以是所有索的端點(diǎn)的空間坐 標(biāo)數(shù)據(jù)加上橋梁兩端上若干點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這就是所謂的橋型數(shù)據(jù)。依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工 之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該實(shí)測(cè)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(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)、所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積等實(shí)測(cè)數(shù) 據(jù)，索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖和竣工圖，利用力學(xué)方 法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。；如果沒有索結(jié)構(gòu)竣工之時(shí)的結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 那么就在建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前對(duì)該索結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)此 數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖，同樣利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型 A。；不論用何種方法獲得A。，基于A。計(jì)算得到的索結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)必須非常接近其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 其間的差異不得大于5% ;A。是不變的；A。對(duì)應(yīng)的索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)由d。描述；
第五步安裝索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分至少包括被監(jiān)測(cè)量監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)(例如含角度測(cè)量分系統(tǒng)、索力測(cè)量分系統(tǒng)、應(yīng)變測(cè)量分系統(tǒng)、空間坐標(biāo)測(cè)量分系 統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理器等)、索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(例如含加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理器等)、各支承索兩支 承端點(diǎn)的水平距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(例如用全站儀進(jìn)行測(cè)量)、信號(hào)(數(shù)據(jù))采集器、計(jì)算機(jī)和通 信報(bào)警設(shè)備。每一個(gè)被監(jiān)測(cè)量、每一個(gè)支承索的索力和每一根支承索兩支承端點(diǎn)的水平距 離都必須被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)(數(shù)據(jù))采集器；信號(hào)經(jīng) 信號(hào)采集器傳遞到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)則負(fù)責(zé)運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)軟件，包括記錄 信號(hào)采集器傳遞來的信號(hào)；當(dāng)監(jiān)測(cè)到索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)有變化時(shí)，計(jì)算機(jī)控制通信報(bào)警設(shè)備 向監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報(bào)警。 第六步編制并在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上安裝運(yùn)行索結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件。該軟件將 完成本發(fā)明"一種基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法"任務(wù)所需要的監(jiān)領(lǐng)U、記錄、控制、存 儲(chǔ)、計(jì)算、通知、報(bào)警等功能(即本具體實(shí)施方法中所有可以用計(jì)算機(jī)完成的工作)，并能定 期或由人員操作健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成索結(jié)構(gòu)健康情況報(bào)表，還能依據(jù)設(shè)定的條件(例如損傷 達(dá)到某一值)，自動(dòng)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(jì)算工作。
第七步在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索 結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC;具體方法為在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上 進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上等于N ;每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原 健康狀態(tài)(用索結(jié)構(gòu)初始健康狀態(tài)向量d。表示)的基礎(chǔ)上再增加有單位損傷或單位位移， 為敘述方便本發(fā)明合稱單位損傷和單位位移為單位變化，具體的，如果該被評(píng)估對(duì)象是索 系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加單位損傷，如 果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向在原有健 康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加發(fā)生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示發(fā) 生單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)；每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被 評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，每一次計(jì)算都利用 力學(xué)方法計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i個(gè)被監(jiān)測(cè)量有單位損傷或單位位移 時(shí)，可用被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量Cti表示)；每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去 被監(jiān)測(cè)量初始向量后再除以該次計(jì)算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個(gè)被監(jiān)測(cè) 量變化向量，有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依 次組成有N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC;索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC的 每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量。在本步驟中及其后給各向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)同本 發(fā)明中其它向量使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個(gè)元素，同 其它向量中的、編號(hào)相同的元素，表達(dá)了同一被監(jiān)測(cè)量或同一被評(píng)估對(duì)象的相關(guān)信息。
第八步建立線性關(guān)系誤差向量e和向量g。利用前面的數(shù)據(jù)("被監(jiān)測(cè)量的初 始數(shù)值向量C。"、"索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC")，在第七步進(jìn)行每一次計(jì)算的同時(shí)， 即在每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原健康狀態(tài)d。的基礎(chǔ)上再增加有單位損傷或 單位位移，計(jì)算得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量(當(dāng)假設(shè)第i個(gè)被監(jiān)測(cè)量有單位損傷或單 位位移時(shí)，用被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量Cti表示)的同時(shí)，每一次計(jì)算組成一個(gè)"健康狀態(tài)向 量dt"，健康狀態(tài)向量dt的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，健康狀態(tài)向量dt的所有元素中 只有一個(gè)元素的數(shù)值取每一次計(jì)算中假設(shè)增加單位變化的被評(píng)估對(duì)象的單位變化值，dt的
其它元素的數(shù)值取o ;cti、c。、dt的編號(hào)規(guī)則相同，也與Ac的行的編號(hào)規(guī)則相同；將c;i、c。、
AC、dt帶入式(13)(需注意的，式(13)中C用Cti帶入，d。用dt帶入)，得到一個(gè)線性關(guān)系 誤差向量e，每一次計(jì)算得到一個(gè)線性關(guān)系誤差向量e;有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就有N次計(jì)算，就 有N個(gè)線性關(guān)系誤差向量e，將這N個(gè)線性關(guān)系誤差向量e相加后得到一個(gè)向量，將此向量 的每一個(gè)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e。向量g等于最終的 誤差向量e。將向量g保存在運(yùn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)硬盤上，供健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件使用。 第九步將"初始索力向量F。"、"被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C。"、"初始自由長(zhǎng)度向
量1。"、"索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC"和所有索的彈性模量、初始橫截面面積、索的單
位長(zhǎng)度重量等參數(shù)以數(shù)據(jù)文件的方式保存在運(yùn)行健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)硬盤上。 第十步實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量F;同時(shí)，
實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C"。
實(shí)測(cè)計(jì)算得到所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方
向分量的差就是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離。 第十一步依據(jù)"被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前(計(jì)算或?qū)崪y(cè))數(shù)值向量C"同"被監(jiān)測(cè)量的初 始數(shù)值向量C。"、"索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣A C"和"被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。" 間存在的近似線性關(guān)系(見式(9))，按照多目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算索系統(tǒng)被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康 狀態(tài)向量d。的非劣解。 可以采用的多目標(biāo)優(yōu)化算法有很多種，例如基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化、基于人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化、基于粒子群的多目標(biāo)優(yōu)化算法、基于蟻群算法的多目標(biāo)優(yōu)化、約 束法(Constran Method)、力口權(quán)法(Weghted Sum Method)、目標(biāo)規(guī)劃法(Goal Atta騰nt Method)等等。由于各種多目標(biāo)優(yōu)化算法都是常規(guī)算法，可以方便地實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施步驟僅以 目標(biāo)規(guī)劃法為例給出求解被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。的過程，其它算法的具體實(shí)現(xiàn)過 程可根據(jù)其具體算法的要求以類似的方式實(shí)現(xiàn)。
17
按照目標(biāo)規(guī)劃法，式(9)可以轉(zhuǎn)化成式(26)和式(27)所示的多目標(biāo)優(yōu)化問題，式
(26)中Y是一個(gè)實(shí)數(shù)，R是實(shí)數(shù)域，空間區(qū)域Q限制了向量d。的每一個(gè)元素的取值范圍
(本實(shí)施例要求向量d。的對(duì)應(yīng)于支承索每一個(gè)元素不小于O，不大于1 ;對(duì)應(yīng)于支座位移的
每一個(gè)元素根據(jù)支座約束范圍選定，例如安置在橋墩上的橋塔支座不應(yīng)發(fā)生大于2米的位
移)。式(26)的意思是尋找一個(gè)絕對(duì)值最小的實(shí)數(shù)Y，使得式(27)得到滿足。式(27)中
G(d。)由式(28)定義，式(27)中加權(quán)向量W與y的積表示式(27)中G(d。)與向量g之間
允許的偏差，g的定義參見式(15)，其值在第八步計(jì)算得到。實(shí)際計(jì)算時(shí)向量W可以與向量
g相同。目標(biāo)規(guī)劃法的具體編程實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有通用程序可以直接采用。按照目標(biāo)規(guī)劃法就可
以求得當(dāng)前名義損傷向量d。。 minimize Y (26) Y G R， dc G Q G(cQ-Wy《g (27) G (dc) = abs ( A C dc_C+C0) (28) 求得被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量d。后，可依據(jù)式(17)得到的當(dāng)前實(shí)際健康狀 態(tài)向量d每一個(gè)元素，當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d就是帶有合理誤差、但可以比較準(zhǔn)確地識(shí)別 有問題的索(可能是受損也可能是松弛)、可以比較準(zhǔn)確地確定所有支座位移的解。若解得 的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于一個(gè)被評(píng)估對(duì)象的健康狀態(tài)，如果該被評(píng) 估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么該元素的數(shù)值表示其當(dāng)前損傷或松弛，如果該 被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么該元素的數(shù)值表示其當(dāng)前位移數(shù)值。
第十二步識(shí)別受損索和松弛索。由于當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值代表 對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)，如果d的一個(gè)元素&對(duì)應(yīng)于索系統(tǒng)中的一根索(或 拉桿)，那么&表示其當(dāng)前可能的實(shí)際損傷，&為0時(shí)表示無損傷，為100%時(shí)表示該索徹 底喪失承載能力，介于0與100%之間時(shí)表示喪失相應(yīng)比例的承載能力，但這根索究竟是發(fā) 生了損傷還是發(fā)生了松弛，需進(jìn)行鑒別。鑒別的方法多種多樣，可以通過去除支承索的保 護(hù)層，對(duì)支承索進(jìn)行目視鑒別，或者借助光學(xué)成像設(shè)備進(jìn)行目視鑒別，也可以通過無損檢測(cè) 方法對(duì)支承索是否受損進(jìn)行鑒別，超聲波探傷就是一種目前廣泛使用的無損檢測(cè)方法。鑒 別后那些沒有發(fā)現(xiàn)損傷且di數(shù)值不為O的支承索就是發(fā)生了松弛的索，就是需調(diào)整索力的 索，依據(jù)式(24)或式(25)可以求得這些索的松弛程度(即索長(zhǎng)調(diào)整量)。這樣就實(shí)現(xiàn)了受 損索識(shí)別和松弛索識(shí)別。 第十三步識(shí)別支座位移。當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的對(duì)應(yīng)于支座位移的元素?cái)?shù) 值就是支座位移量。 第十四步健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)定期自動(dòng)或由人員操作健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成索 系統(tǒng)健康情況報(bào)表。 第十五步在指定條件下，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)自動(dòng)操作通信報(bào)警設(shè)備向監(jiān) 控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報(bào)警。
權(quán)利要求
一種基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于所述方法包括a.稱被評(píng)估的支承索和支座位移分量為被評(píng)估對(duì)象，設(shè)被評(píng)估的支承索的數(shù)量和支座位移分量的數(shù)量之和為N，即被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量為N；確定被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評(píng)估對(duì)象編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；用變量i表示這一編號(hào)，i＝1，2，3，...，N；b.確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根索，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的索力數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上M1個(gè)指定索的M1個(gè)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(gè)索力測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)的索力信息；M1是一個(gè)不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)應(yīng)變的被測(cè)量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)可由結(jié)構(gòu)上K2個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L2個(gè)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(gè)指定點(diǎn)的所有被測(cè)應(yīng)變的變化；每次共有M2個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)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(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)角度的被測(cè)量點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K3個(gè)指定點(diǎn)的、過每個(gè)指定點(diǎn)的L3個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的H3個(gè)角度坐標(biāo)分量來描述，結(jié)構(gòu)角度的變化就是所有指定點(diǎn)的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標(biāo)分量的變化；每次共有M3個(gè)角度坐標(biāo)分量測(cè)量值或計(jì)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(gè)不小于0的整數(shù)；確定混合監(jiān)測(cè)時(shí)指定的將被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的形狀數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)上K4個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L4個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)形狀數(shù)據(jù)的變化就是K4個(gè)指定點(diǎn)的所有坐標(biāo)分量的變化；每次共有M4個(gè)坐標(biāo)測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)形狀，M4為K4和L4之積；M4是一個(gè)不小于0的整數(shù)；綜合上述混合監(jiān)測(cè)的被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有M個(gè)被監(jiān)測(cè)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不得小于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量N；由于M個(gè)被監(jiān)測(cè)量是不同類型的，將本步所列出的“混合監(jiān)測(cè)時(shí)結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”；c.利用索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立初始健康狀態(tài)向量do。如果沒有索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，向量do的各元素?cái)?shù)值取0，d.在建立初始健康狀態(tài)向量do的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Co；e.在建立初始健康狀態(tài)向量do和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Co的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量Fo；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有支承索的初始自由長(zhǎng)度，組成初始自由長(zhǎng)度向量lo；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；同時(shí)，實(shí)測(cè)或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；f.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ao； g.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ao的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣ΔC；h.實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量F；同時(shí)，實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C”；實(shí)測(cè)計(jì)算得到所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方向分量的差就是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離；i.定義待求的被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量dc和當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d；向量do、dc和d的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，do、dc和d的元素和被評(píng)估對(duì)象之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，do、dc和d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的損傷程度或位移、或與松弛程度力學(xué)等效的損傷程度；j.依據(jù)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量C”同“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量Co”、“索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣ΔC”和“被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量dc”間存在的近似線性關(guān)系，該近似線性關(guān)系可表達(dá)為式1，式1中除dc外的其它量均為已知，求解式1就可以算出被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量dc；C＝Co+ΔC·dc 式1k.利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素dj同初始健康狀態(tài)向量do的元素doj和被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量dc的元素dcj間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的所有元素。di＝1-(1-doi)(1-dci)式2式2中i＝1，2，3，……，N；由于當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)，如果該被評(píng)估對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根索，那么該元素表示其當(dāng)前實(shí)際損傷，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)位移分量，那么該元素表示其當(dāng)前位移數(shù)值；當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d的元素?cái)?shù)值為0時(shí)，表示對(duì)應(yīng)的支承索無損傷無松弛、或?qū)?yīng)的支座位移分量為0，不為0的元素對(duì)應(yīng)于有問題的支承索或有位移的支座；由此確定了有問題的支承索，確定了支座位移；1.從第k步中識(shí)別出的有問題的支承索中，通過無損檢測(cè)方法鑒別出受損索，剩下的就是松弛索；m.從當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量d中取出支承索對(duì)應(yīng)的元素組成支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dc，支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dc有Q個(gè)元素，表示Q根支承索的當(dāng)前實(shí)際損傷值，dc元素的編號(hào)規(guī)則與向量Fo的編號(hào)規(guī)則相同，即dc和Fo相同編號(hào)的元素表示相同支承索的信息；n.利用在第m步獲得的支承索當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量dc得到松弛索的當(dāng)前實(shí)際損傷程度，利用在第h步獲得的當(dāng)前索力向量F，利用在第h步獲得的所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，利用在第e步獲得的初始自由長(zhǎng)度向量lo，利用在第e步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來計(jì)算松弛索的、與當(dāng)前實(shí)際損傷程度等效的松弛程度，等效的力學(xué)條件是一、兩等效的索的無松弛和無損傷時(shí)的初始自由長(zhǎng)度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長(zhǎng)相同；滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中 的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化，反之亦然；依據(jù)前述力學(xué)等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長(zhǎng)度的改變量，也就是確定了那些需調(diào)整索力的支承索的索長(zhǎng)調(diào)整量；這樣就實(shí)現(xiàn)了支承索的松弛識(shí)別；計(jì)算時(shí)所需索力由當(dāng)前索力向量F對(duì)應(yīng)元素給出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其特征在于在步 驟g中，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān) 測(cè)量單位變化矩陣AC的具體方法為gl.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，計(jì)算次數(shù)數(shù)值上 等于N ;每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象在原健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加有單位損傷或 單位位移，為敘述方便本發(fā)明合稱單位損傷和單位位移為單位變化；具體的，如果該被評(píng)估 對(duì)象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加單位 損傷，如果該被評(píng)估對(duì)象是一個(gè)支座的一個(gè)方向的位移分量，就假設(shè)該支座在該位移方向 在原有健康狀態(tài)的基礎(chǔ)上再增加發(fā)生單位位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位位移，其中 i表示發(fā)生單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)；每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位 位移的被評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位位移的被評(píng)估對(duì)象，每一次計(jì) 算都利用力學(xué)方法計(jì)算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān) 測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算值組成一個(gè)被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量；g2.每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前向量減去被監(jiān)測(cè)量初始向量后再除以該次計(jì) 算所假設(shè)的單位損傷或單位位移數(shù)值，得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象就 有N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；g3.由這N個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC; 索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣AC的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量。
全文摘要
一種基于混合監(jiān)測(cè)的索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，該方法基于混合監(jiān)測(cè)，根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣。依據(jù)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測(cè)量初始向量、索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣和待求的被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前健康狀態(tài)向量間存在的近似線性關(guān)系，可以識(shí)別出索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的變化，即識(shí)別出支座位移、受損索和松弛索。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101793628SQ20101014007
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)