專(zhuān)利名稱(chēng)：空間坐標(biāo)監(jiān)測(cè)的識(shí)別受損索松弛索支座角位移的遞進(jìn)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(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(lèi)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(jiàn)本發(fā)明將該類(lèi)結(jié)構(gòu)表述為“索結(jié)構(gòu)”。在索結(jié)構(gòu)的服役過(guò)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(jiàn)，本專(zhuān)利將該類(lèi)結(jié)構(gòu)的全部支承部件統(tǒng)一稱(chēng)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)角位移(例如支座繞坐標(biāo)軸x、Y、z的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際上就是支座繞坐標(biāo)軸Χ、Υ、Ζ 的角位移)，這些變化對(duì)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(cè)技術(shù)，基于空間坐標(biāo)監(jiān)測(cè)、采用遞進(jìn)式方法來(lái)識(shí)別支座角位移、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)：
支座角位移對(duì)索結(jié)構(gòu)安全是一項(xiàng)重大威脅，同樣的，索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它的失效常常帶來(lái)整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效，基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)識(shí)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(shí)、或索系統(tǒng)的健康狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)、或者兩種情況同時(shí)發(fā)生時(shí)，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(guò)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(guò)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，實(shí)際上這些可測(cè)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(shuō)可以利用結(jié)構(gòu)的可測(cè)量參數(shù)來(lái)識(shí)別支座角位移、受損索和松弛索。為了能對(duì)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(cè)和判斷，必須有一個(gè)能夠合理有效的建立索結(jié)構(gòu)的可測(cè)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(cè)系統(tǒng)可以給出更可信的支座角位移評(píng)估和索系統(tǒng)的健康評(píng)估。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明公開(kāi)了一種基于空間坐標(biāo)監(jiān)測(cè)的、采用遞進(jìn)式方法的、能夠合理有效地識(shí)別支座角位移、受損索和松弛索的健康監(jiān)測(cè)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(jiàn)為敘述方便起見(jiàn)，本發(fā)明統(tǒng)一稱(chēng)被評(píng)估的索和支座角位移為“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J·表示這一編號(hào)，J‘=l，2，3，···，見(jiàn)因此可以說(shuō)有#個(gè)被評(píng)估對(duì)象。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(wú)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(chēng)索力為0)下的索長(zhǎng)度(稱(chēng)為自由長(zhǎng)度，本發(fā)明專(zhuān)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(wú)損傷，但索結(jié)構(gòu)支座有了角位移，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(chēng)為松弛索。本發(fā)明由兩大部分組成。分別是一、建立被評(píng)估對(duì)象健康監(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)和實(shí)測(cè)索結(jié)構(gòu)的應(yīng)變(或變形)的被評(píng)估對(duì)象健康狀態(tài)評(píng)估方法；二、健康監(jiān)測(cè)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(píng)估對(duì)象健康監(jiān)測(cè)的知識(shí)庫(kù)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(kāi)始時(shí)，首先需要建立或已建立本次循環(huán)開(kāi)始時(shí)的被評(píng)估對(duì)象初始健康狀態(tài)向量i//(i=l，2，3，…)、建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)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(jì)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(hào)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(kāi)始時(shí)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(kāi)始時(shí)索結(jié)構(gòu)(用力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai表示)的索結(jié)構(gòu)的初始健康狀態(tài)。
權(quán)利要求
1. 一種空間坐標(biāo)監(jiān)測(cè)的識(shí)別受損索松弛索支座角位移的遞進(jìn)方法，其特征在于所述方法包括a.為敘述方便起見(jiàn)，統(tǒng)一稱(chēng)被評(píng)估的支承索和支座角位移分量為被評(píng)估對(duì)象，設(shè)被評(píng)估的支承索的數(shù)量和支座角位移分量的數(shù)量之和為見(jiàn)即被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量為# ；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J·表示這一編號(hào)，J‘=l，2，3，···，N-,b.確定指定的將被監(jiān)測(cè)空間坐標(biāo)的被測(cè)量點(diǎn)，給所有指定點(diǎn)編號(hào)；確定過(guò)每一測(cè)量點(diǎn)的將被監(jiān)測(cè)的空間坐標(biāo)分量，給所有被測(cè)量空間坐標(biāo)分量編號(hào)；上述編號(hào)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(cè)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”由上述所有被測(cè)量空間坐標(biāo)分量組成；為方便起見(jiàn)，將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)”稱(chēng)為“被監(jiān)測(cè)量”;測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被測(cè)量空間坐標(biāo)分量的數(shù)量之和不得小于c.利用被評(píng)估對(duì)象的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)被評(píng)估對(duì)象的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)建立被評(píng)估對(duì)象初始健康狀態(tài)向量；如果沒(méi)有被評(píng)估對(duì)象的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，向量^/^的各元素?cái)?shù)值取O ；向量的元素的編號(hào)規(guī)則和被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)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；這里是第一次循環(huán)，i取1，即這里建立的被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量可以具體化為C10 ；在實(shí)測(cè)得到被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向量的同時(shí)， 實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)；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^ ；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)度向量厶；向量/^；和向量厶是不變的；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；e.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(wú)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Ai ；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(jì)算基準(zhǔn)模型Ai可以具體化為A1 ； f.在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得“單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣」Cf，，和“名義單位損傷向量D^ ；g.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”;給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)使用同一編號(hào)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(hào)相同的元素，表示同一被監(jiān)測(cè)量的、對(duì)應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；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)前索力向量戶；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；h.定義當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量和當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量Ji,兩個(gè)損傷向量的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的當(dāng)前名義損傷程度或支座角位移，當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量J y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)際損傷程度或支座角位移，兩個(gè)損傷向量的元素的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，兩個(gè)損傷向量的元素和被評(píng)估對(duì)象之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩個(gè)損傷向量的元素的編號(hào)規(guī)則和被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則相同；i.依據(jù)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量夕”同“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量 、“單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣」廣‘”和“當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量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)前名義健康狀態(tài)向量C1 二 C^ + AO1 ·《式 1j.利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量i/同初始損傷向量和當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量的元素間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量的所有元素；4=1-(1-4X1-4)式 2式2中J=l，2，3，……,N；當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量J y的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的實(shí)際損傷程度或?qū)嶋H支座角位移，根據(jù)當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量#就能確定有哪些索受損及其損傷程度，就能確定實(shí)際支座角位移；若當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量的某一元素對(duì)應(yīng)于是索系統(tǒng)中的一根索，且其數(shù)值為0，表示該元素所對(duì)應(yīng)的索是完好的，沒(méi)有損傷或松弛的的，若其數(shù)值為100%，則表示該元素所對(duì)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；如果當(dāng)前實(shí)際健康狀態(tài)向量的某一元素對(duì)應(yīng)于一個(gè)支座的一個(gè)角位移分量，那么^Z7表示其當(dāng)前角位移數(shù)值；k.從第j步中識(shí)別出的有問(wèn)題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索。·1.利用在第j步獲得的當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量i/得到松弛索的當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷程度，利用在第g步獲得的當(dāng)前索力向量歲，利用在第g步獲得的所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的水平距離，利用在第d步獲得的初始自由長(zhǎng)度向量Λ，利用在第d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(guò)將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來(lái)計(jì)算松弛索的、 與當(dāng)前實(shí)際虛擬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(wú)松弛和無(wú)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)前索力向量歲對(duì)應(yīng)元素給出；m.在求得當(dāng)前名義健康狀態(tài)向量后，按照式3建立標(biāo)識(shí)向量灰，式4給出了標(biāo)識(shí)向量灰的第J個(gè)元素的定義；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間坐標(biāo)監(jiān)測(cè)的識(shí)別受損索松弛索支座角位移的遞進(jìn)方法，其特征在于在步驟f中，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算獲得“單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣」C”和“名義單位損傷向量漢 ”的具體方法為 fl.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Ai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#;依據(jù)被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，依次進(jìn)行計(jì)算；每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)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(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(jì)算中再增加單位損傷或單位角位移的被評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中再增加單位損傷或單位角位移的被評(píng)估對(duì)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(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)前數(shù)值向量；f2.每一次計(jì)算得到的被監(jiān)測(cè)量計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量減去被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向量后再除以該次計(jì)算所假設(shè)的單位損傷或單位角位移數(shù)值，得到一個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量，有#個(gè)被評(píng)估對(duì)象就有#個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量；f3.由這#個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量按照#個(gè)被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，依次組成有#列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣」夕。
全文摘要
空間坐標(biāo)監(jiān)測(cè)的識(shí)別受損索松弛索支座角位移的遞進(jìn)方法，考慮到了被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值向量同被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量、單位損傷被監(jiān)測(cè)量變化矩陣和當(dāng)前名義健康狀態(tài)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(gè)個(gè)小區(qū)間，在每一個(gè)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(gè)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(shí)別出支座角位移、受損索和松弛索。
文檔編號(hào)G01M99/00GK102288440SQ20111012274
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者關(guān)慶港, 韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)