專利名稱：有支座沉降時的基于索力監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法
技術領域：
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 基于索力監(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)，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領域。
背景技術：
索系統(tǒng)通常是索結(jié)構(gòu)的關鍵組成部分，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，例如會引起支承索索力的變化，實際上索力的變化包含了索系統(tǒng)的健康狀態(tài)信息， 也就是說可以利用索力數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，可以基于索力監(jiān)測(本發(fā)明將被監(jiān)測的 索力稱為"被監(jiān)測量"，后面提到"被監(jiān)測量"就是指被監(jiān)測的索力)來識別受損索，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每一根索的索力變化同索系統(tǒng)中所有索的健康狀況間的關 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，公開了一種有支座沉降時的基于索力監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法。
技術方案本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識
庫和參量的方法、基于知識庫(含參量)和實測每一根索的索力及實測索結(jié)構(gòu)支座坐標的
索系統(tǒng)健康狀態(tài)評估方法、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索系統(tǒng)健康監(jiān)測的知識庫和參量的方法。具體如 下 1.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型A。(例如有限元基準模型)和當前力學計 算基準模型At。(例如有限元基準模型)的方法。在本發(fā)明中A。是不變的。At。是不斷更新 的。建立A。、建立和更新At。的方法如下。 建立A。時，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))和設計圖、竣工圖，利用力學方法(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)的設計圖、竣工
圖，利用力學方法(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)。對應于A。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U。。 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U、向量W的定義方式與向量U相同)。為方便起見，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 U、。建立和更新Ai。的方法是在初始時刻，At。就等于A。，Ut。就等于U。；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ut，如果ut等于
W。，則不需要對At。進行更新；如果W不等于W。，則需要對A1。進行更新，此時W與U。的差就 是索結(jié)構(gòu)支座關于初始位置(對應于A。)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At。的方法是對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加位移約束(其 數(shù)值取自支座位移向量V)后得到更新的當前力學計算基準模型A:更新At。的同時，Ut。所 有元素數(shù)值也用Ut所有元素數(shù)值代替，即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對應于At。的W。。
設索系統(tǒng)中共有N根支承索，結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)就由N根支承索的索力來描述。為方 便起見，在本發(fā)明中將"結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(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"索力的某某矩陣或某某向量"。
本發(fā)明中用被監(jiān)測量初始向量C。表示索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始值組成的向 量(見式(l))。要求在獲得A。的同時獲得C。。因在前述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計算基準模 型計算所得的被監(jiān)測量可靠地接近于初始被監(jiān)測量的實測數(shù)據(jù)，在后面的敘述中，將用同 一符號來表示該計算值和實測值。 C。 = [Col C。2…C。j…C。m]t (1)式(1)中C。j(j = 1，2，
3，.......，N)是索結(jié)構(gòu)中第j個被監(jiān)測量的初始量，該分量依據(jù)編號規(guī)則對應于特定的第
j個被監(jiān)測量。T表示向量的轉(zhuǎn)置(后同)。 本發(fā)明中用被監(jiān)測量當前數(shù)值向量C是由索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當前值組成 的向量(定義見式(2))。 C = [Q (V..(V..CM]T (2)式(2)中Cj(j = 1，2，
3，.......， N)是索結(jié)構(gòu)中第j個被監(jiān)測量的當前值，該分量Cj依據(jù)編號規(guī)則與C。j對應于
同一"被監(jiān)測量"。 2.建立和更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC的方法 索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當前力學計算基
準模型At。的同時，更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC。具體方法如下
5
在索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型At。的基礎上進行若干次計算，計算次數(shù)數(shù)值 上等于所有支承索的數(shù)量。每一次計算假設索系統(tǒng)中只有一根支承索有單位損傷Du(例 如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷)，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，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)的所有 被監(jiān)測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算值組成一個被監(jiān)測量 計算當前向量(當假設第i根索有單位損傷時，可用式(3)表示被監(jiān)測量計算當前向量 C」)；每一次計算得到被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)測量初始向量，所得向量就是此條件 下(以有單位損傷的支承索的位置或編號等為標記)的被監(jiān)測量變化向量(當?shù)趇根索有 單位損傷時，用SCi表示被監(jiān)測量變化向量，定義見式(4)，式(4)為式(3)減去式(1)所 得)，被監(jiān)測量變化向量的每一元素表示由于計算時假定有單位損傷的那根索的單位損傷 而引起的該元素所對應的被監(jiān)測量的改變量；有N根索就有N個被監(jiān)測量變化向量，由于有 N個被監(jiān)測量，所以每個被監(jiān)測量變化向量有N個元素，由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組 成有NXN個元素的單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC， AC的定義如式(5)所示。<formula>formula see original document page 6</formula>
式(3)中元素Ct/(i = 1，2，3，.......，N;j = 1，2，3，.......， N)表示由于第i
根索有單位損傷時，依據(jù)編號規(guī)則所對應的第j個被監(jiān)測量的當前計算量。
3C, =C/-C0 (4) <formula>formula see original document page 6</formula>(5) 式(5)中ACj.Ji = 1，2，3，.......，N;j = 1，2，3，.......， N)表示僅由于第i
根索有單位損傷而引起的、依據(jù)編號規(guī)則所對應的第j個被監(jiān)測量的計算當前數(shù)值的變化 (代數(shù)值)。被監(jiān)測量變化向量SC;實際上是矩陣AC中的一列，也就是說式(5)也可以 寫成式(6)。 A C = [ S d S C2... S C廣.S CN] (6) 3.被監(jiān)測量當前數(shù)值向量C(計算或?qū)崪y)同被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被 監(jiān)測量變化矩陣AC、單位損傷標量Du和當前損傷向量d間的近似線性關系，如式(7)或式 (8)所示。索系統(tǒng)當前損傷向量d的定義參見式(9)。<formula>formula see original document page 6</formula>"
<formula>formula see original document page 6</formula>
(7)
(8) <formula>formula see original document page 6</formula>9)式(9)中di(i = 1，2，
3，.......，N)是索系統(tǒng)中第i根索(或拉桿)的當前損傷；di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O與100%之間時表示喪失相應比例的承載能力。
若設索損傷為100%時表示索徹底喪失承載能力，那么當實際損傷不太大時(例 如不大于30%的損傷)，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
(7) 或式(8)所表示的這樣一種線性關系同實際情況的誤差較小。用式(10)定義的線性關 系誤差向量e表示式(7)或式(8)所示線性關系的誤差。 <formula>formula see original document page 7</formula> 式(10)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。
本發(fā)明的第二部分基于知識庫(含參量)和實測被監(jiān)測量的索系統(tǒng)健康狀態(tài)評 估方法。 由于式(7)或式(8)所表示的線性關系存在一定誤差，因此不能簡單根據(jù)式(7) 或式(8)和實測被監(jiān)測量當前數(shù)值向量C來直接求解得到當前損傷向量d。如果這樣做了， 得到的當前損傷向量d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。因此獲得當前損傷向量d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(11)來表達這一 方法。 "<formula>formula see original document page 7</formula> 式(11)中abs()是取絕對值函數(shù)，向量g描述偏離理想線性關系(式(7)或式
(8) )的合理偏差，由式(12)定義。 g= [gl g,"gj…gM]T (12)式(12)中gj(j = 1，2，3，.......，
N)描述了偏離式(7)或式(8)所示的理想線性關系的最大允許偏差。向量g可根據(jù)式(10) 定義的誤差向量e試算選定。 在被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣A C、實測被監(jiān)測量當前數(shù)值 向量C和單位損傷Du(計算AC前設定，是標量)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(ll)，獲得當前損傷向量d的可接受的解，從而確定受損索的位置和損 傷程度。 本發(fā)明的第三部分健康監(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。 軟件應當具用下列功能軟件部分首先根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)實時或準實時分
析得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量ut、被監(jiān)測量當前數(shù)值向量c，然后讀取預先存儲的索
結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型A。、初始索結(jié)構(gòu)支座坐標向量U。、當前力學計算基準模型At。、當前 索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Ut。、索系統(tǒng)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣A C、被監(jiān)測量初始向量C。和 單位損傷值Du，比較當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量W和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量W。，當W 和Ut。相同時，依據(jù)合適的算法(例如多目標優(yōu)化算法)求解式(ll)，得到索系統(tǒng)的當前損 傷向量d的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從索系統(tǒng)中確定受損索的位 置及其損傷程度的解；當W和W。不相同時，先對當前力學計算基準模型At。和當前索結(jié)構(gòu) 支座坐標向量W。進行更新，再在新At。的基礎上按照前述"建立和更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC的方法"更新AC，同樣依據(jù)合適的算法(例如多目標優(yōu)化算法)求解 式(11)，得到索系統(tǒng)的當前損傷向量d的非劣解，也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地 從索系統(tǒng)中確定受損索的位置及其損傷程度的解。
本發(fā)明方法具體包括 a.設共有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.結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)就由N根支承索的索力來描述。為方便起見，在本發(fā)明中將"結(jié) 構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(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"索力的某某矩陣或某某向量"。 c.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)測量初始向量 C。；在實測得到被監(jiān)測量初始向量C。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)支座坐標數(shù)據(jù)，初始索結(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U。； d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設計圖、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)支座坐標向量U。建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型A。并第一次建立索結(jié)構(gòu)的當 前力學計算基準模型At。，索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)至少包括索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、初
始索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準
模型At。時，索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型At。就等于索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型A。；
對應于索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型At。的索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)支座坐
標向量第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型A\時，W。就等于U。； e.從這里進入由第e步到第k步的循環(huán)；在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測得到索結(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
W ; f.根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Ut，在必要時更新當前力學計算基準模型 #。和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量W。； g.在當前力學計算基準模型At。的基礎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A C和單位損傷標量Du ; h.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C; i.定義索系統(tǒng)當前損傷向量d，索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素個數(shù)等于索的數(shù)量， 索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素和索之間是一一對應關系，索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素數(shù) 值代表對應索的損傷程度或健康狀態(tài)； j.依據(jù)被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量C。、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān) 測量變化矩陣AC、單位損傷標量Du和待求的索系統(tǒng)當前損傷向量d間存在的近似線性關 系，該近似線性關系可表達為式l，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出索 系統(tǒng)當前損傷向量d;由于當前損傷向量d的元素數(shù)值代表對應索的損傷程度，所以根據(jù)當 前損傷向量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 前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為O，表示該元素所對應的索是完好的，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比例的承載能力；
C-G+^AC*^^^ k.回到第e步，開始有第e步到第k步的下一次循環(huán)。 在步驟f中，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Ut，在必要時更新當前力學計算基 準模型At。和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量W。的具體方法為 fl.在步驟e中實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Ut后，比較W和于UV如 果W等于Ut。，則At。和W。保持不變； f2.在步驟e中實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Ut后，比較Ul和U:如果
W不等于Ut。，則需要對At。和W。進行更新，更新方法是先計算W與U。的差，W與U。的差
就是索結(jié)構(gòu)支座關于初始位置的當前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，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關系，支座位移向量V中一個元素的數(shù)
值對應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At。的方法是對A。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)值就取自支座位移向量V中對應元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加支座位移約束
后得到更新的當前力學計算基準模型At。，更新At。的同時，Ut。所有元素數(shù)值也用第e步的
W所有元素數(shù)值對應代替，即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對應于At。的W。。 在步驟g中，在當前力學計算基準模型At。的基礎上，通過若干次力學計算獲得索
結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC和單位損傷標量Du的具體方法為 gl.索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當前力學計
算基準模型At。和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Ut。的同時，必須同時更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)
測量變化矩陣A C和單位損傷標量Du ; g2.在索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型A\的基礎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，每一次計算假設索系統(tǒng)中只有一根索 有單位損傷標量Du，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，每一 次計算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前 計算值組成一個被監(jiān)測量計算當前向量； g3.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)測量初始向量得到一個被 監(jiān)測量變化向量；有N根索就有N個被監(jiān)測量變化向量； g4.由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化 矩陣AC;索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC的每一列對應于一個被監(jiān)測量變化向量。
有益效果本發(fā)明公開的方法在索結(jié)構(gòu)支座出現(xiàn)沉降的情況下、在多根索同步 受損時可以非常準確地監(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)，本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法對存在支座沉降時的索系統(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)中索系統(tǒng)中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)明的應用或使用。
本發(fā)明采用一種算法，該算法用于監(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。 第一步設共有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。索結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)就由N根支承索的索力 來描述。為方便起見，在本發(fā)明中將"結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(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"索力的某某矩陣或某某向量"。
第二步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)測量初 始向量C。；在實測得到被監(jiān)測量初始向量C。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)(對于斜拉橋就是其初始橋型數(shù)據(jù))和初始索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù) 據(jù)，初始索結(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U。。 第三步根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)(包括結(jié)構(gòu)初始幾何 形狀數(shù)據(jù)、應變數(shù)據(jù)、所有索的初始索力、結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，對斜拉橋、懸索橋而言是橋 的橋型數(shù)據(jù)、應變數(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)和初始索結(jié)構(gòu)支座坐 標向量U。建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型A。并第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基 準模型At。；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型At。時，索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準 模型At。與索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型A。相同；對應于索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模 型At。的索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量W。；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前 力學計算基準模型At。時，Ut。就等于U。；基于初始力學計算基準模型A。計算得到結(jié)構(gòu)的計 算數(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%。
第四步在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測得到索結(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ut; 第五步根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Ut，在必要時更新當前力學計算基準 模型At。和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Ut。。在第四步實測得到的當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向 量W后，比較W和UV如果W等于UV則At。和W。保持不變；如果W不等于UV則需要對 At。和W。進行更新，更新方法是先計算W與U。的差，W與U。的差就是索結(jié)構(gòu)支座關于初 始位置的當前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，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關系，支座位移向量V中一個元素的數(shù)值對應于一個指定支座的 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#。的方法是 對A。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)值就取自支座位移向 量V中對應元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加支座位移約束后得到更新的當前力學計 算基準模型At。，更新At。的同時，W。所有元素數(shù)值也用第四步的W所有元素數(shù)值對應代替， 即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對應于At。的UV 第六步在當前力學計算基準模型At。的基礎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AC和單位損傷標量Du。具體方法為索結(jié)構(gòu)單位損 傷被監(jiān)測量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當前力學計算基準模型At。和當前索結(jié)構(gòu) 支座坐標向量Ut。的同時，必須同時更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC和單位損 傷標量Du ;在索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型At。的基礎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，每一次計算假設索系統(tǒng)中只有一根索有 單位損傷Du(例如取5% 、 10% 、20%或30%等損傷為單位損傷)，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，每一次計算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當前計算 值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算值組成一個被監(jiān)測量計算當前向量C;每
一次計算得到被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)測量初始向量得到一個被監(jiān)測量變化向量； 有N根索就有N個被監(jiān)測量變化向量；由這N個被監(jiān)測量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AC ;單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣的每一列對應于一個被監(jiān)測量變 化向量。 第七步建立線性關系誤差向量e和向量g。利用前面的數(shù)據(jù)(被監(jiān)測量初始向 量C。、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣A C)，在第六步進行每一次計算的同時，即在每一次計算 假設索系統(tǒng)中只有一根索有單位損傷Du，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，每一次計算都利用力學方法(例如采用有限元法)計算索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)中 所有指定被監(jiān)測量的當前數(shù)值，每一次計算組成一個被監(jiān)測量計算當前向量C的同時，每 一次計算組成一個損傷向量d，該損傷向量d的所有元素中只有一個元素的數(shù)值取Du，其它 元素的數(shù)值取0，損傷向量d中數(shù)值是Du的元素對應于該次計算時唯一受損索的單位損傷 程度Du;將C、C。、 AC、Du、d帶入式(10)，得到一個線性關系誤差向量e，每一次計算得到一 個線性關系誤差向量e ;有N根索就有N次計算，就有N個線性關系誤差向量e，將這N個線 性關系誤差向量e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 是最終的線性關系誤差向量e。向量g等于最終的誤差向量e。 第八步安裝索結(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)(例如含加速度傳感器、信號調(diào)理器等)、索結(jié)構(gòu)支座坐標監(jiān)測系統(tǒng)(例如用全站儀 進行測量)、信號(數(shù)據(jù))采集器、計算機和通信報警設備。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備向 監(jiān)控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。
第九步將被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC、單位損傷標量
Du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。
第十步編制并在計算機上安裝運行有支座沉降時索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)
軟件，該軟件將完成本發(fā)明"有支座沉降時索結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)健康監(jiān)測"任務所需要的監(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) 第十一步實測得到索結(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C"; 第十二步依據(jù)被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量C。、單位損傷被 監(jiān)測量變化矩陣AC、單位損傷標量Du和索系統(tǒng)當前損傷向量d(由所有索當前損傷量組 成)間存在的近似線性關系(式(7))，按照多目標優(yōu)化算法計算索系統(tǒng)當前損傷向量d的 非劣解，也就是帶有合理誤差、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。 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
11束法(Constrain Method)、力口權法(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損傷向量d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(7)可以轉(zhuǎn)化成式(13)和式(14)所示的多目標優(yōu)化問題，式 (13)中Y是一個實數(shù)，R是實數(shù)域，空間區(qū)域Q限制了向量d的每一個元素的取值范圍 (本實施例要求向量d的每一個元素不小于O，不大于l)。式(13)的意思是尋找一個最小 的實數(shù)Y，使得式(14)得到滿足。式(14)中G(d)由式(15)定義，式(14)中加權向量W 與Y的積表示式(14)中G(d)與向量g之間允許的偏差，g的定義參見式(12)，其值已在 第七步計算得到。實際計算時向量W可以與向量g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。使用目標規(guī)劃法就可以求得索系統(tǒng)當前損傷向量d。
minimize Y (13)
Y G R， d G Q G(d)-WY《g (14) G(fiO = afc(+As (15) 索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素
和索之間是一一對應關系，索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素數(shù)值代表對應索的損傷程度或健
康狀態(tài)。若解得的索系統(tǒng)當前損傷向量d的某一元素的數(shù)值為O，表示該元素所對應的索
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比例的承載能力。 第十三步健康監(jiān)測系統(tǒng)中的計算機定期自動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。 第十四步在指定條件下，健康監(jiān)測系統(tǒng)中的計算機自動操作通信報警設備向監(jiān) 控人員、業(yè)主和(或)指定的人員報警。
第十五步回到第四步，開始由第四步到第十五步的循環(huán)。
權利要求
一種有支座沉降時的基于索力監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其特征在于所述方法包括a.設共有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.結(jié)構(gòu)索力數(shù)據(jù)就由N根支承索的索力來描述；為方便起見，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(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“索力的某某矩陣或某某向量”；c.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)測量初始向量Co；在實測得到被監(jiān)測量初始向量Co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)支座坐標數(shù)據(jù)，初始索結(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；d.根據(jù)索結(jié)構(gòu)的設計圖、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)支座坐標向量Uo建立索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao并第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型Ato，索結(jié)構(gòu)的實測數(shù)據(jù)至少包括索結(jié)構(gòu)的所有索的初始索力數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)和索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型Ato時，索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型Ato就等于索結(jié)構(gòu)的初始力學計算基準模型Ao；對應于索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型Ato的索結(jié)構(gòu)支座坐標數(shù)據(jù)組成當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uto，第一次建立索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型Ato時，Uto就等于Uo；e.從這里進入由第e步到第k步的循環(huán)；在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實測得到索結(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Ut；f.根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Ut，在必要時更新當前力學計算基準模型Ato和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量Uto；g.在當前力學計算基準模型Ato的基礎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ΔC和單位損傷標量Du；h.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C；i.定義索系統(tǒng)當前損傷向量d，索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素個數(shù)等于索的數(shù)量，索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素和索之間是一一對應關系，索系統(tǒng)當前損傷向量d的元素數(shù)值代表對應索的損傷程度或健康狀態(tài)；j.依據(jù)被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量C同被監(jiān)測量初始向量Co、索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣ΔC、單位損傷標量Du和待求的索系統(tǒng)當前損傷向量d間存在的近似線性關系，該近似線性關系可表達為式1，式1中除d外的其它量均為已知，求解式1就可以算出索系統(tǒng)當前損傷向量d；由于當前損傷向量d的元素數(shù)值代表對應索的損傷程度，所以根據(jù)當前損傷向量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；若當前索損傷向量的某一元素的數(shù)值為0，表示該元素所對應的索是完好的，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比例的承載能力； <mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>o</mi></msub><mo>+</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>D</mi><mi>u</mi> </msub></mfrac><mi>&Delta;C</mi><mo>&CenterDot;</mo><mi>d</mi> </mrow>式1k.回到第e步，開始有第e步到第k步的下一次循環(huán)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的有支座沉降時的基于索力監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其特征在于在步驟f中，根據(jù)當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量ut，在必要時更新當前力學計算基準模型At。和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量W。的具體方法為fl.在步驟e中實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量Ut后，比較Ut和于Ut。，如果Ut 等于Ut。，則At。和Ut。保持不變；f2.在步驟e中實測得到當前索結(jié)構(gòu)實測支座坐標向量W后，比較W和UV如果W不 等于UV則需要對At。和W。進行更新，更新方法是先計算W與U。的差，W與U。的差就是 索結(jié)構(gòu)支座關于初始位置的當前支座位移，用支座位移向量V表示支座位移，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關系，支座位移向量V中一個元素的數(shù)值對 應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At。的方法是對A。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) 值就取自支座位移向量V中對應元素的數(shù)值，對A。中的索結(jié)構(gòu)支座施加支座位移約束后得 到更新的當前力學計算基準模型A:更新At。的同時，W。所有元素數(shù)值也用第e步的W所 有元素數(shù)值對應代替，即更新了 Ut。，這樣就得到了正確地對應于At。的W。。
3. 根據(jù)權利要求1所述的有支座沉降時的基于索力監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法，其 特征在于在步驟g中，在當前力學計算基準模型At。的基礎上，通過若干次力學計算獲得索 結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC和單位損傷標量Du的具體方法為gl.索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC是不斷更新的，即在更新當前力學計算基 準模型At。和當前索結(jié)構(gòu)支座坐標向量W。的同時，必須同時更新索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量 變化矩陣A C和單位損傷標量Du ;g2.在索結(jié)構(gòu)的當前力學計算基準模型A\的基礎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，每一次計算假設索系統(tǒng)中只有一根索有單 位損傷標量Du，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，每一次計 算得到索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監(jiān)測量的當前計算 值組成一個被監(jiān)測量計算當前向量；g3.每一次計算得到的被監(jiān)測量計算當前向量減去被監(jiān)測量初始向量得到一個被監(jiān)測 量變化向量；有N根索就有N個被監(jiān)測量變化向量；g4.由這N個被監(jiān)測量變化向量依次組成有N列的索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣 AC ;索結(jié)構(gòu)單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣AC的每一列對應于一個被監(jiān)測量變化向量。
全文摘要
有支座沉降時的基于索力監(jiān)測的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測方法基于索力監(jiān)測、通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)支座坐標來決定是否需要更新結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型，只有當結(jié)構(gòu)支座坐標發(fā)生變化時才更新結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型，從而得到新的計入結(jié)構(gòu)支座沉降的結(jié)構(gòu)的力學計算基準模型，在此模型的基礎上計算獲得單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣。依據(jù)被監(jiān)測量的當前數(shù)值向量同被監(jiān)測量初始向量、單位損傷被監(jiān)測量變化矩陣、單位損傷標量和待求的索系統(tǒng)當前損傷向量間存在的近似線性關系，可以利用多目標優(yōu)化算法等合適的算法快速算出當前索損傷向量的非劣解，據(jù)此可以在有支座沉降時、比較準確地確定受損索的位置及其損傷程度。
文檔編號G01L1/00GK101793620SQ201010127260
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權日2010年3月17日
發(fā)明者韓玉林 申請人:東南大學