專利名稱：空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的遞進(jìn)式方法
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)會受損，同時索結(jié)構(gòu)的支座也可能出現(xiàn)角位移(例如支座繞坐標(biāo)軸x、Y、z的轉(zhuǎn)動，實際上就是支座繞坐標(biāo)軸Χ、Υ、Ζ的角位移)，這些變化對索結(jié)構(gòu)的安全是一種威脅，本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，基于空間坐標(biāo)監(jiān)測、采用遞進(jìn)式方法來識別支座角位移和索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
支座角位移對索結(jié)構(gòu)安全是一項重大威脅，同樣的，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)來識別支座角位移和索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中的受損索是一種極具潛力的方法。當(dāng)支座出現(xiàn)角位移時、或索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化時、或者兩種情況同時發(fā)生時，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(biāo)，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(biāo)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(biāo)的變化，或者結(jié)構(gòu)表面任意一點的法線的角度坐標(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，實際上這些可測量參數(shù)的變化包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息、包含了支座角位移信息，也就是說可以利用結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)來識別支座角位移和受損索。為了能對索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)和支座角位移有可靠的監(jiān)測和判斷，必須有一個能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化同支座角位移和索系統(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)可以給出更可信的支座角位移評估和索系統(tǒng)的健康評估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明公開了一種基于空間坐標(biāo)監(jiān)測的、采用遞進(jìn)式方法的、能夠合理有效地識別支座角位移和受損索的健康監(jiān)測方法。技術(shù)方案設(shè)索的數(shù)量和支座角位移分量的數(shù)量之和為見為敘述方便起見，本發(fā)明統(tǒng)一稱被評估的索和支座角位移為“被評估對象”，給被評估對象連續(xù)編號，本發(fā)明用用變量J·表示這一編號，J‘=l，2，3，···，見因此可以說有#個被評估對象。本發(fā)明由兩大部分組成。分別是一、建立被評估對象健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識庫和參量的方法、基于知識庫(含參量)和實測索結(jié)構(gòu)的空間坐標(biāo)的被評估對象健康狀態(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)明的第一部分建立用于被評估對象健康監(jiān)測的知識庫和參量的方法?？砂慈缦虏襟E依次循環(huán)往復(fù)地、遞進(jìn)式進(jìn)行
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)開始時的被評估對象初始健康狀態(tài)向量</(i=l，2，3，…)、建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Α。(例如有限元基準(zhǔn)模型，在本發(fā)明中A。是不變的)、建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai (例如有限元基準(zhǔn)模型，i=l，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)。第i次循環(huán)開始時需要的索結(jié)構(gòu)“初始健康狀態(tài)向量dj” (如式(1)所示)，用dj 表示第i次循環(huán)開始時索結(jié)構(gòu)(用力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai表示)的索結(jié)構(gòu)的初始健康狀態(tài)。之2 · · · ζ- · · · d^J(1)
式(1)中Clioj (i=l, 2，3，···,· j =1, 2，3，…….，H)表示第i次循環(huán)開始時、力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai中的索系統(tǒng)的第j個被評估對象的當(dāng)前健康狀態(tài)，如果該被評估對象是索系統(tǒng)中的一根索(或拉桿)，那么式表示其當(dāng)前損傷，式為0時表示無損傷，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之間時表示喪失相應(yīng)比例的承載能力，如果該被評估對象是一個支座的一個角位移分量，那么式表示其當(dāng)前角位移數(shù)值。式(1)中Γ表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。第一次循環(huán)開始時建立初始健康狀態(tài)向量(依據(jù)式(1)記為時，利用索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)以及支座角位移測量建立被評估對象初始健康狀態(tài)向量<>。如果沒有索的無損檢測數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時，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，向量的中與索相關(guān)的各元素數(shù)值取0。第i次(i=2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時需要的被評估對象初始健康狀態(tài)向量 Wij，是在前一次(即第i-Ι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(xué)計算基準(zhǔn)模型或已建立的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型記為A、根據(jù)索結(jié)構(gòu)完工之時的索結(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(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)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(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù))和設(shè)計圖、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(jìn)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(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)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(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A。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)。A。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(xué)計算基準(zhǔn)模型記為A1，A1就等于A。。A1對應(yīng)的被評估對象的健康狀態(tài)由d1。描述。第i次(i=2，3，4，5，6…)循環(huán)開始時需要的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai,是在前一次(即第i-Ι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(xué)計算基準(zhǔn)模型A1和被評估對象初始健康狀態(tài)向量 < 后，模型A1中的各被評估對象的健康狀態(tài)由向量表達(dá)。在A1的基礎(chǔ)上，將所有被評估對象的健康狀態(tài)數(shù)值變更為0，力學(xué)模型A1更新為一個所有被評估對象的健康狀態(tài)都為0的力學(xué)模型(記為A°)， 力學(xué)模型A°實際上是完好無損無支座角位移的索結(jié)構(gòu)對應(yīng)的力學(xué)模型。不妨稱模型A°為索結(jié)構(gòu)的無損傷無支座角位移模型A°?！敖Y(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”由結(jié)構(gòu)上f個指定點的、及每個指定點的Z 個指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化就是^個指定點的所有空間坐標(biāo)分量的變化。每次共有#個空間坐標(biāo)測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)信息。 #和ι不得小于被評估對象的數(shù)量N。為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”簡稱為“被監(jiān)測量”。 在后面提到“被監(jiān)測量的某某矩陣或某某向量”時，也可讀成“空間坐標(biāo)的某某矩陣或某某
向量”。本發(fā)明中用被監(jiān)測量初始數(shù)值向量CV’(i=l，2，3，···)表示第i次(i=l，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))，的全稱為“第i次循環(huán)被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量”。
權(quán)利要求
1. 一種空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的遞進(jìn)式方法，其特征在于所述方法包括a.為敘述方便起見，統(tǒng)一稱被評估的支承索和支座角位移分量為被評估對象，設(shè)被評估的支承索的數(shù)量和支座角位移分量的數(shù)量之和為見即被評估對象的數(shù)量為# ；確定被評估對象的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評估對象編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；用變量J·表示這一編號，J‘=l，2，3，···，N-,b.確定指定的將被監(jiān)測空間坐標(biāo)的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的將被監(jiān)測的空間坐標(biāo)分量，給所有被測量空間坐標(biāo)分量編號；上述編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；“結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”由上述所有被測量空間坐標(biāo)分量組成；為方便起見，將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”稱為“被監(jiān)測量”;所有被測量空間坐標(biāo)分量的數(shù)量之和不得小于c.利用被評估對象的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)被評估對象的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立被評估對象初始健康狀態(tài)向量；如果沒有被評估對象的無損檢測數(shù)據(jù)時，向量^/^的各元素數(shù)值取0 ；向量的元素的編號規(guī)則和被評估對象的編號規(guī)則相同；本發(fā)明用i表示循環(huán)次數(shù)，i=l, 2，3，……；這里是第一次循環(huán)，i取1，即這里建立的初始健康狀態(tài)向量^ij可以具體化為cf0 ；d.在建立初始健康狀態(tài)向量Zij的同時，直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量；這里是第一次循環(huán)，i取1，即這里建立的被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量可以具體化為C10 ；在實測得到被監(jiān)測量初始數(shù)值向量的同時， 實測得到索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)；e.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)、索的無損檢測數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座角坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模SAi ；這里是第一次循環(huán)，i取1，即這里建立的索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai可以具體化為A1 ；f.在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得“單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣」Cf，，和“名義單位損傷向量D^ ；g.實測得到索結(jié)構(gòu)的所有指定被監(jiān)測量的當(dāng)前實測數(shù)值，組成“被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量C”;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；h.定義當(dāng)前名義損傷向量和當(dāng)前實際損傷向量Ji，兩個損傷向量的元素個數(shù)等于被評估對象的數(shù)量，當(dāng)前名義損傷向量的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的當(dāng)前名義損傷程度或支座角位移，當(dāng)前實際損傷向量J y的元素數(shù)值代表對應(yīng)被評估對象的當(dāng)前實際損傷程度或支座角位移，兩個損傷向量的元素的元素個數(shù)等于被評估對象的數(shù)量，兩個損傷向量的元素和被評估對象之間是一一對應(yīng)關(guān)系，兩個損傷向量的元素的編號規(guī)則和被評估對象的編號規(guī)則相同；i.依據(jù)“被監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值向量夕”同“被監(jiān)測量的初始數(shù)值向量<”、“單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣」夕”和“當(dāng)前名義損傷向量夕廣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中除外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前名義損傷向量< ；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的遞進(jìn)式方法，其特征在于在步驟f中，在力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計算，通過計算獲得“單位損傷被監(jiān)測量數(shù)值變化矩陣」C”和“名義單位損傷向量眾 ”的具體方法為fl.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算基準(zhǔn)模型Ai的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計算，計算次數(shù)數(shù)值上等于#;依據(jù)被評估對象的編號規(guī)則，依次進(jìn)行計算；每一次計算假設(shè)只有一個被評估對象在原有損傷或角位移的基礎(chǔ)上再增加單位損傷或單位角位移，具體的，如果該被評估對象是索系統(tǒng)中的一根支承索，那么就假設(shè)該支承索再增加單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的角位移分量，就假設(shè)該支座在該角位移方向再增加單位角位移，每一次計算中再增加單位損傷或單位角位移的被評估對象不同于其它次計算中再增加單位損傷或單位角位移的被評估對象，用“名義單位損傷向量眾 ”記錄記錄所有假定的再增加的單位損傷或單位角位移，其中i表示第i次循環(huán)，每一次計算都利用力學(xué)方法計算索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當(dāng)前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當(dāng)前數(shù)值向量；f2.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當(dāng)前數(shù)值向量減去被監(jiān)測量初始數(shù)值向量后再除以該次計算所假設(shè)的單位損傷或單位角位移數(shù)值，得到一個被監(jiān)測量變化向量，有#個被評估對象就有#個被監(jiān)測量變化向量；f3.由這#個被監(jiān)測量變化向量按照#個被評估對象的編號規(guī)則，依次組成有#列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測量單位變化矩陣」夕。
全文摘要
空間坐標(biāo)監(jiān)測的識別受損索和支座角位移的遞進(jìn)式方法基于空間坐標(biāo)監(jiān)測，考慮到了被監(jiān)測量的當(dāng)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(dāng)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(zhǔn)確的，在每一個小區(qū)間內(nèi)可以利用多目標(biāo)優(yōu)化算法等合適的算法快速識別出支座角位移和受損索。
文檔編號G01L5/04GK102297768SQ20111012261
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者韓佳邑, 韓玉林 申請人:東南大學(xué)