專利名稱：基于角度監(jiān)測(cè)的識(shí)別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測(cè)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)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(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)，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)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X、Y、Z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)，基于角度監(jiān)測(cè)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，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)別支座角位移和受損索。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)明公開了一種基于角度監(jiān)測(cè)的、能夠合理有效地識(shí)別支座角位移和受損索的健康監(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i表示這一編號(hào)，i=l, 2，3，…，N,因此可以說(shuō)有#個(gè)被評(píng)估對(duì)象?！敖Y(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)”由結(jié)構(gòu)上^個(gè)指定點(diǎn)的、過(guò)每個(gè)指定點(diǎn)的Z個(gè)指定直線的、每個(gè)指定直線的//個(gè)角度坐標(biāo)分量來(lái)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#歷個(gè)角度坐標(biāo)分量測(cè)量值或計(jì)算值來(lái)表征結(jié)構(gòu)的角度信息。^和#不得小于支承索的數(shù)量見(jiàn)為方便起見(jiàn)，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”。在后面提到“被監(jiān)測(cè)量的某某矩陣或某某向量”時(shí)，也可讀成“被監(jiān)測(cè)的角度的某某矩陣或某某
向量”。本發(fā)明由三大部分組成。分別是建立被評(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)的被監(jiān)測(cè)量的被評(píng)估對(duì)象健康狀態(tài)評(píng)估方法、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。具體如下
1.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)支座角坐標(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(wú)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(méi)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)支座角坐標(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(wú)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)。本發(fā)明中用被監(jiān)測(cè)量初始向量G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(jiàn)式(1))。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(lái)表示該計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。
權(quán)利要求
1.一種基于角度監(jiān)測(cè)的識(shí)別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測(cè)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i表示這一編號(hào)，i=l, 2，3，…，N-,b.確定指定的被測(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)的被測(cè)量直線，給所有指定的被測(cè)量直線編號(hào)；確定每一被測(cè)量直線的被測(cè)量的角度坐標(biāo)分量，給所有被測(cè)量角度坐標(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)的角度數(shù)據(jù)”由上述所有被測(cè)量角度坐標(biāo)分量組成；為方便起見(jiàn)，在本發(fā)明中將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的角度數(shù)據(jù)”簡(jiǎn)稱為“被監(jiān)測(cè)量”；所有被測(cè)量角度坐標(biāo)分量的數(shù)量之和不得小于c.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)量初始向量C；； 在實(shí)測(cè)得到被監(jiān)測(cè)量初始向量G的同時(shí)，實(shí)測(cè)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)；d.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)支座角坐標(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。；e.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(guò)計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣」C;f.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;g.定義被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)向量^被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)向量J的元素個(gè)數(shù)等于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)向量J的元素和被評(píng)估對(duì)象之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)向量J的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的損傷程度或角位移；h.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)量初始向量C；、索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣」C和待求的被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前狀態(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1，式1中除i/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)前狀態(tài)向量i/；由于被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)向量i/的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)被評(píng)估對(duì)象的損傷程度或角位移，所以根據(jù)被評(píng)估對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)向量確定有哪些索受損及其損傷程度，可以確定支座角位移，即實(shí)現(xiàn)了支座角位移的評(píng)估和索結(jié)構(gòu)中索系統(tǒng)的健康狀態(tài)評(píng)估；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于角度監(jiān)測(cè)的識(shí)別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測(cè)方法， 其特征在于在步驟e中，在力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A0的基礎(chǔ)上，通過(guò)若干次力學(xué)計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣」C的具體方法為el.在索結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型Α。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)值上等于每一次計(jì)算假設(shè)只有一個(gè)被評(píng)估對(duì)象有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)該支承索有單位損傷，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發(fā)生單位角位移，用Dui記錄這一單位損傷或單位角位移，其中i表示發(fā)生單位損傷或單位角位移的被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)；每一次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位角位移的被評(píng)估對(duì)象不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)單位損傷或單位角位移的被評(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；e2.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；e3.由這#個(gè)被監(jiān)測(cè)量變化向量依次組成有#列的索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣」C ； 索結(jié)構(gòu)被監(jiān)測(cè)量單位變化矩陣」C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
基于角度監(jiān)測(cè)的識(shí)別受損索和支座角位移的健康監(jiān)測(cè)方法基于角度監(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(guò)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)前狀態(tài)向量間存在的近似線性關(guān)系，可以利用多目標(biāo)優(yōu)化算法等合適的算法快速識(shí)別出支座角位移和受損索。
文檔編號(hào)G01B21/32GK102297773SQ20111012262
公開日2011年12月28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)明者賈春, 韓玉林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)