支座广义位移时空间坐标监测的识别松弛索的递进式方法

日期:2019-03-02 15:12:43

专利名称:支座广义位移时空间坐标监测的识别松弛索的递进式方法
技术领域
在有支座广义位移(例如支座广义位移指支座沿X、Y、Z轴的线位移及支座绕X、Y、 Z轴的角位移;对应于支座广义位移,支座广义坐标指支座关于x、Y、z轴的坐标及支座关于 X、Y、Z轴的角坐标)时,本发明基于空间坐标等量的监测来识别索支承结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统(指所有支承索)中的需调整索力的支承索,并给出具体的索长调整量,属工程结构安全领域。
背景技术
索系统通常是索结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉桥、悬索桥)的关键组成部分,由于松弛等原因,新结构竣工一段时间后支承索的索力通常会发生变化,结构长期服役后其支承索的松弛也会引起支承索索力的变化,这些变化都将引起结构内力的变化,对结构的安全造成不良影响,严重时将会引起结构的失效,因此准确及时地识别需调整索力的支承索是非常必要的。支承索系统的健康状态发生变化(例如发生松弛、损伤等)后,会引起结构的可测量参数的变化,例如索结构的空间坐标会发生变化,实际上空间坐标的变化包含了索系统的健康状态信息,也就是说可以利用结构空间坐标判断结构的健康状态,可以基于空间坐标监测(本发明将被监测的空间坐标称为“被监测量”,后面提到“被监测量”就是指被监测的空间坐标)来识别受损索,被监测量除了受索系统健康状态的影响外,还会受索结构支座广义位移(常常会发生)的影响,目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。因此可以基于被监测量监测来识别需调整索力的索,这样在支座广义位移时,就必须有一个能够合理有效的建立被监测量同所有索的特征参数间(具体根据索的特征参数来表征需调整索力的索)的关系的方法,基于该方法建立的需调整索力的支承索的识别结果才会更可信。

发明内容
技术问题本发明的目的是在索结构支座有广义位移时,针对索结构中索系统中的、需调整索力的支承索的识别问题,公开了一种基于空间坐标等量的监测的、能够合理有效地识别需调整索力的支承索的结构健康监测方法。依据支承索的索力变化的原因,可将支承索的索力变化分为三种情况一是支承索受到了损伤,例如支承索出现了局部裂纹和锈蚀等等;二是支承索并无损伤,但索力也发生了变化,出现这种变化的主要原因之一是支承索自由状态(此时索张力也称索力为0)下的索长度(称为自由长度,本发明专指支承索两支承端点间的那段索的自由长度)发生了变化;三是支承索并无损伤,但索结构支座有了位移,也会引起结构内力的变化,当然也就会引起索力的变化。本发明的主要目的之一就是在支座广义位移时,要识别出自由长度发生了变化的支承索,并识别出它们的自由长度的改变量,此改变量为该索的索力调整提供了直接依据。支承索自由长度发生变化的原因不是单一的,为了方便,本发明将自由长度发生变化的支承索统称为松弛索。技术方案本发明由两大部分组成。分别是一、建立用于识别索系统中的、需调整索力的支承索的健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)、基于 实测索结构支座广义位移的、基于被监测量等量的监测的、识别索结构的需调整索力的支承索的方法;二、健康监测系统的软件和硬件部分。本发明的第一部分建立用于识别索系统中的、需调整索力的支承索的健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)、基于实测索结构支座广义位移的、 基于被监测量等量的监测的、识别索结构的需调整索力的支承索的方法。可按如下步骤依次循环往复地、递进式进行,以获得更准确的索系统的健康状态评估。第一步每一次循环开始时,首先需要建立或已建立本次循环开始时的索系统初始虚拟损伤向量i// (i=l,2,3,···。因为支承索实际上可能是松弛而没有损伤,为表示区另IJ,这里称“虚拟损伤”,后同)、建立索结构的初始力学计算基准模型A。(例如有限元基准模型,在本发明中A。是不变的)、建立索结构的当前力学计算基准模型A"。(例如有限元基准模型,在每一次循环中A"。是不断更新的)、建立索结构的力学计算基准模型例如有限元基准模型,i=l,2,3,…)。字母i除了明显地表示步骤编号的地方外,在本发明中字母i仅表示循环次数,即第i次循环。设索系统中共有#根索,第i次循环开始时需要的索系统“初始虚拟损伤向量记为 d"(如式(1)所示),用 //表示该次循环开始时索结构(用力学计算基准模SAi表示)的索系统的健康状态。4 = [4ι · · · 4 · · ·心"T⑴
式(1)中(J (i=l, 2,3,···,· j =1, 2,3,…….,Μ)表示第i次循环开始时、力学计算基准模型Ai中的索系统的第J根索的初始虚拟损伤值,O时表示第J根索无损伤无松弛,为100%时表示该索彻底丧失承载能力,介于0与100%之间时表示第J根索丧失相应比例的承载能力。式(1)中Γ表示向量的转置(后同)。第一次循环开始时建立索系统初始虚拟损伤向量(依据式(1)记为时,利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立索系统初始虚拟损伤向量 <>。如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时,或者可以认为结构初始状态为无损伤无松弛状态时,向量d1。的各元素数值取0。第i次(i=2,3,4,5,6…)循环开始时需要的索系统初始虚拟损伤向量 /^, 是在前一次(即第i-1次,i=2,3,4,5,6···)循环结束前计算获得的,具体方法在后文叙述。第i次循环开始时需要建立的力学计算基准模型或已建立的力学计算基准模型记为A、根据索结构竣工之时的索结构的设计图、竣工图和实测数据(包括索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据、索结构形状数据、结构角度数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座广义坐标数据、索结构模态数据等实测数据,对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据),利用力学方法(例如有限元法)建立A。;如果没有索结构竣工之时的结构的实测数据,那么就在建立健康监测系统前对结构进行实测,得到索结构的实测数据(包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座广义坐标数据、索结构模态数据等实测数据,对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据、索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据), 根据此数据和索结构的设计图、竣工图,利用力学方法(例如有限元法)建立A。。不论用何种方法获得A。,基于A。计算得到的索结构计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据) 必须非常接近其实测数据,误差一般不得大于5%。这样可保证利用A。计算所得的模拟情况下的应变计算数据、索力计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度数据等,可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。对应于A。的索结构支座广义坐标数据组成初始索结构支座广义坐标向量U0。Α。和U0是不变的,只在第一次循环开始时建立。第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为A1,A1就等于A。。A1对应的索的健康状态由 < 描述。第i次(i=2,3,4,5,6…)循环开始时需要的力学计算基准模型Ai,是在前一次(即第i-Ι次,i=2,3,4,5,6…)循环结束前计算获得的,具体方法在后文叙述。已有力学计算基准模型A1和索系统初始虚拟损伤向量Zij后,模型A1中的各索的虚拟损伤由向量表达。在A1的基础上,将所有索的虚拟损伤值变更为0,力学模型A1更新为一个所有索的虚拟损伤都为0的力学模型(记为A°),力学模型A°实际上是完好无损无松弛的索结构对应的力学模型。不妨称模型A°为索结构的无损伤无松弛模型A°。“结构的全部被监测的空间坐标数据”由结构上f个指定点的、及每个指定点的Z 个指定方向的空间坐标来描述,结构空间坐标数据的变化就是^个指定点的所有空间坐标分量的变化。每次共有#个空间坐标测量值或计算值来表征结构空间坐标信息。 #和#不得小于支承索的数量见为方便起见,在本发明中将“结构的被监测的空间坐标数据”简称为“被监测量”。本发明用“被监测量的初始数值向量(i=l,2,3,···)表示第i次(i=l,2, 3,4,5,6…)循环开始时所有指定的被监测量的初始值(参见式(2)),C^的全称为“第i 次循环被监测量的初始数值向量”。
权利要求
1. 一种支座广义位移时空间坐标监测的识别松弛索的递进式方法,其特征是该方法包括a.设共有N根索,首先确定索的编号规则,按此规则将索结构中所有的索编号,该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵;b.确定指定的将被监测空间坐标的被测量点,给所有指定点编号;确定过每一测量点的将被监测的空间坐标分量,给所有被测量空间坐标分量编号;上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵;“结构的全部被监测的空间坐标数据”由上述所有被测量空间坐标分量组成;为方便起见,将“结构的被监测的空间坐标数据”称为“被监测量”;测量点的数量不得小于索的数量;所有被测量空间坐标分量的数量之和不得小于索的数量;c.利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立初始虚拟损伤向量屮。,其中i表示循环次数,后面i及上标i都表示循环次数,i = 1,2,3,......;第一次循环时必记为d1。,如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时,或者可以认为结构初始状态为无松弛、无损伤状态时,向量Cl10的各元素数值取0 ;d.在建立初始虚拟损伤向量d1。的同时,直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值,组成被监测量的初始数值向量C1。;e.在建立初始虚拟损伤向量d1。和被监测量的初始数值向量C1。的同时,直接测量计算得到所有支承索的初始索力,组成初始索力向量F。;同时,依据结构设计数据、竣工数据得到所有支承索的初始自由长度,组成初始自由长度向量I。;同时,依据结构设计数据、竣工数据或实测得到索结构的初始几何数据;同时,实测或根据结构设计、竣工资料得到所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积;f.建立索结构的初始力学计算基准模型A。,建立初始索结构支座广义坐标向量U。,建立第一次循环开始时需要的索结构的力学计算基准模型A1 ;依据索结构竣工之时的索结构的实测数据,该实测数据包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座广义坐标数据、索结构模态数据、所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积等实测数据,以及索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据,依据设计图和竣工图,利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型A。;如果没有索结构竣工之时的结构的实测数据,那么就在建立健康监测系统前对该索结构进行实测,同样得到索结构的实测数据,根据此数据和索结构的设计图、竣工图,同样利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型A0 ;不论用何种方法获得A。,基于A。计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据,其间的差异不得大于5% ;对应于A。的索结构支座广义坐标数据组成初始索结构支座广义坐标向量U。;A。和U0是不变的,只在第一次循环开始时建立;第i次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为Ai,其中i表示循环次数,即第i次循环;因此第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为A1,本发明中A1就等于A。;为叙述方便,命名“索结构当前力学计算基准模型A"。”,在每一次循环中A"。根据需要会不断更新,每一次循环开始时,A"。等于Ai ;同样为叙述方便,命名“索结构实测支座广义坐标向量U"”,在每一次循环中,不断实测获得索结构支座广义坐标当前数据,所有索结构支座广义坐标当前数据组成当前索结构实测支座广义坐标向量U",向量Uti的元素与向量U0相同位置的元素表示相同支座的相同方向的广义坐标;为叙述方便起见,对于第i次循环,将上一次更新A"。时的索结构支座广义坐标当前数据记为当前索结构支座广义坐标向量U"。;第一次循环开始时,Atl0等于A1,U"。等于U。;A1对应的索的健康状态由d1。描述;力学计算基准模型Ai对应的索的健康状态由f。描述;支座广义坐标包括线量和角量两种;g.每一次循环开始时,令A"。等于Ai;实测获得索结构支座广义坐标当前数据,所有索结构支座广义坐标当前数据组成当前索结构实测支座广义坐标向量U",根据当前索结构实测支座广义坐标向量U",在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A"。和当前索结构支座广义坐标向量U"。;h.在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上进行若干次力学计算,通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵△ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu ;i.实测得到索结构的所有支承索的当前索力,组成当前索力向量Fi;同时,实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值,组成“被监测量的当前数值向量Cu’,实测计算得到所有支承索的两个支承端点的空间坐标,两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离,给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时,应使用同一编号规则,这样可以保证本步及本步之前和之后出现的各向量的、编号相同的元素,表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息;j.定义待求的当前名义虚拟损伤向量C^和当前实际虚拟损伤向量屮。损伤向量屮。、 Clic和Cli的元素个数等于索的数量,损伤向量的元素和索之间是一一对应关系,损伤向量的元素数值代表对应索的虚拟损伤程度或健康状态;k.依据“被监测量的当前数值向量Ci"同“被监测量的初始数值向量C1。”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"和“当前名义虚拟损伤向量屮。”间存在的近似线性关系, 该近似线性关系可表达为式1,式1中除f。外的其它量均为已知,求解式1就可以算出当前名义虚拟损伤向量屮。; C =C:+AC·《式 1`1.禾Ij用式2表达的当前实际虚拟损伤向量Cli的元素Clij同初始虚拟损伤向量Cli0的元素‘和当前名义虚拟损伤向量 < 的元素Clicu.间的关系,计算得到当前实际虚拟损伤向量 Cli的所有元素,《=1-(1-<)(1-《)式 2 式2中j = 1,2,3,……,N,由于当前实际虚拟损伤向量Cli的元素数值代表对应索的当前实际虚拟损伤程度,即实际松弛程度或实际损伤程度,当前实际虚拟损伤向量Cli中数值不为0的元素对应的支承索就是有问题的支承索,有问题的支承索可能是松弛索、也可能是受损索,其数值反应了松弛或损伤的程度;m.从第1步中识别出的有问题的支承索中鉴别出受损索,剩下的就是松弛索; η.利用在第1步获得的当前实际虚拟损伤向量Cli得到松弛索的当前实际虚拟损伤程度,利用在第i步获得的当前索力向量Fi,利用在第i步获得的所有支承索的两个支承端点的空间坐标,利用在第e步获得的初始自由长度向量I。,利用在第e步获得的所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积数据,通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、 与当前实际虚拟损伤程度等效的松弛程度,等效的力学条件是一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数、密度及材料的力学特性参数相同;二、松弛或损伤后,两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同,满足上述两个等效条件时,这样的两根支承索在结构中的力学功能就是完全相同的,即如果用等效的松弛索代替受损索后,索结构不会发生任何变化,反之亦然,依据前述力学等效条件求得那些被判定为松弛索的松弛程度,松弛程度就是支承索自由长度的改变量,也就是确定了那些需调整索力的支承索的索长调整量,这样就实现了支承索的松弛识别和损伤识别,计算时所需索力由当前索力向量Fi对应元素给出;ο.在求得当前名义虚拟损伤向量 < 后,按照式3建立标识向量Bi,式4给出了标识向量Bi的第j个元素的定义;
2.根据权利要求1所述的支座广义位移时空间坐标监测的识别松弛索的递进式方法, 其特征在于在步骤g中,根据当前索结构实测支座广义坐标向量U",在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A"。和当前索结构支座广义坐标向量U"。的具体方法为gl.实测得到当前索结构实测支座广义坐标向量Uti后,比较Uti和U"。,如果Uti等于 U"。,则不需要对A"。进行更新;g2.实测得到当前索结构实测支座广义坐标向量Uti后,比较Uti和U"。,如果Uti不等于 U"。,则需要对A"。进行更新,更新方法是先计算Uti与U0的差,Uti与U0的差就是当前索结构支座关于在建立A。时的索结构支座的当前支座广义位移,用当前支座广义位移向量V表示支座广义位移,当前支座广义位移向量V中的元素与支座广义位移分量之间是一一对应关系,当前支座广义位移向量V中一个元素的数值对应于一个指定支座的一个指定方向的旋转;更新A"。的方法是在A。的基础上令索的健康状况为索系统初始损伤向量d。再进一步对A。中的索结构支座施加当前支座广义位移约束,当前支座广义位移约束的数值就取自当前支座广义位移向量V中对应元素的数值,对A。中的索结构支座施加当前支座广义位移约束后,最终得到的就是更新的当前力学计算基准模型A"。,更新A"。的同时,Uti0所有元素数值也用Uti所有元素数值代替,即更新了 U"。,这样就得到了正确地对应于A"。的U"。。
3.根据权利要求1所述的支座广义位移时空间坐标监测的识别松弛索的递进式方法, 其特征在于在步骤h中,在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上进行若干次力学计算,通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ACi和名义虚拟单位损伤向量 Diu的具体方法为hi.在第i次循环开始时,直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵Δ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu ;在非第i次循环开始的时刻,当步骤 g中对A"。进行更新后,直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ACi和名义虚拟单位损伤向量Diu ;在非第i次循环开始的时刻,如果在步骤g 中没有对A"。进行更新,则在此处直接转入步骤i进行后续工作;h2.在索结构当前力学计算基准模型Α"。的基础上进行若干次力学计算,计算次数数值上等于所有索的数量,有N根索就有N次计算,每一次计算假设索系统中只有一根索在原有虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤,每一次计算中出现虚拟单位损伤的索不同于其它次计算中出现虚拟单位损伤的索,并且每一次假定有虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值,用“名义虚拟单位损伤向量Diu”记录所有索的假定的单位损伤,每一次计算得到所有被监测量的当前数值,每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”,当假设第j根索有单位损伤时, 可用Citj表示对应的“被监测量的当前计算数值向量C、”。在本步骤中给各向量的元素编号时,应同本方法中其它向量使用同一编号规则,这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素,同其它向量中的、编号相同的元素,表达了同一被监测量或同一对象的相关信息;h3.每一次计算得到的那个“被监测量的当前计算数值向量Cit/减去“被监测量的初始数值向量Cit/"得到一个向量,再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的虚拟单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量”;有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”;h4.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi";“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”;“虚拟单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义虚拟损伤向量f。和当前实际虚拟损伤向量Cli的元素编号规则相同。
全文摘要
支座广义位移时空间坐标监测的识别松弛索的递进式方法基于应变监测、通过监测结构支座广义坐标,用于识别松弛的支承索时,考虑到了被监测量的当前数值向量同被监测量的初始数值向量、虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵和当前名义虚拟损伤向量间的线性关系是近似的,为克服此缺陷,给出了使用线性关系分段逼近非线性关系的方法,可识别出虚拟受损索,在使用无损检测等方法从中鉴别出真实受损索后,剩下的虚拟受损索就是松弛的支承索,依据松弛程度同虚拟损伤程度间的关系就可确定需调整的索长。
文档编号G01M99/00GK102323099SQ20111014449
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者张居锁, 韩玉林 申请人:东南大学


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