基于索力监测的识别受损索和支座位移的健康监测方法

摘要

基于索力监测的识别受损索和支座位移的健康监测方法基于索力监测，即对全部支承索和人为增加的索的索力进行监测，根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据等建立索结构的力学计算基准模型，在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵；依据被监测量的当前数值向量同被监测量初始向量、索结构被监测量单位变化矩阵和待求的被评估对象当前状态向量间存在的近似线性关系，可以利用多目标优化算法等合适的算法快速识别出支座位移和受损索。

主权项

一种基于索力监测的识别受损索和支座位移的健康监测方法，其特征在于所述方法包括：a.被评估的支承索和支座位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座位移分量的数量之和为N，即被评估对象的数量为N；确定被评估对象的编号规则，按此规则将索结构中所有的被评估对象编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；用变量i表示这一编号，i＝1，2，3，...，N；b.设索系统中共有M1根支承索，索结构索力数据包括这M1根支承索的索力，显然M1小于被评估对象的数量N；仅仅通过M1个支承索的M1个索力数据来求解未知的N个被评估对象的状态是不可能的，在监测全部M1根支承索索力的基础上，在索结构上人为增加M2根索，在索结构健康监测过程中将监测这新增加的M2根索的索力；综合上述被监测量，整个索结构共有M根索的M个索力被监测，即有M个被监测量，其中M为M1与M2之和；M不得小于被评估对象的数量N；新增加的M2根索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，小得多；新增加的M2根索的索力比索结构的任意一根支承索的索力小得多，保证即使这新增加的M2根索出现了损伤或松弛，对索结构其他构件的应力、应变、变形的影响微乎其微；新增加的M2根索的横截面上正应力小于其疲劳极限，保证新增加的M2根索不会发生疲劳损伤；新增加的M2根索的两端充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的M2根索得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M2根索不会发生损伤和松弛；将“索结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；给M个被监测量连续编号，用变量j表示这一编号，j＝1，2，3，...，M，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；c.直接测量计算得到索结构的所有M个被监测量的初始数值，组成被监测量初始向量Co；在实测得到被监测量初始向量Co的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据、索结构的初始几何数据和初始索结构支座坐标数据；d.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据、索的无损检测数据和初始索结构支座坐标数据，建立索结构的力学计算基准模型Ao；基于力学计算基准模型Ao计算得到索结构的计算数据必须非常接近其实测数据，误差不得大于5％；e.在力学计算基准模型Ao的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵ΔC；具体方法为e1.在索结构的力学计算基准模型Ao的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于N；每一次计算假设只有一个被评估对象有单位损伤或单位位移，合称单位损伤或单位位移为单位变化，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索有单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的位移分量，就假设该支座在该位移方向发生单位位移，用Dui记录这一单位损伤或单位位移，其中i表示发生单位损伤或单位位移的被评估对象的编号；每一次计算中出现单位损伤或单位位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位位移的被评估对象，每一次计算都利用力学方法计算索结构的所有被监测量的当前计算值， 每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前向量，被监测量计算当前向量的不同元素对应于不同的被监测量；e2.每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位位移数值，得到一个被监测量变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量变化向量；e3.由这N个被监测量变化向量依次组成有N列的索结构被监测量单位变化矩阵ΔC；索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的每一列对应于一个被监测量变化向量，索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的每一行对应于同一个被监测量在不同被评估对象发生单位变化时的不同的变化幅度，其中，一个被监测量对应于一根索，索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的不同行对应于不同索的索力在不同被评估对象发生单位变化时的不同的变化幅度；f.在索结构健康监测过程中，对新增加的M2根索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的索；g.依据被监测量编号规则，从被监测量初始向量Co中去除步骤f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；h.依据被监测量编号规则，从索结构被监测量单位变化矩阵ΔC中去除步骤f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；i.实测得到索结构的所有被监测量的当前实测数值，组成被监测量的当前数值向量C，然后从被监测量的当前数值向量C中去除步骤f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；j.定义被评估对象当前状态向量d，被评估对象当前状态向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前状态向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或位移；k.依据被监测量的当前数值向量C同被监测量初始向量Co、索结构被监测量单位变化矩阵ΔC和待求的被评估对象当前状态向量d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d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出被评估对象当前状态向量d；由于被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或位移，所以根据被评估对象当前状态向量确定有哪些索受损及其损伤程度，可以确定支座位移，即实现了支座位移的评估和索结构中索系统的健康状态评估；如果被评估对象当前状态向量d的一个元素对应的该被评估对象是支承索，那么该被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态，若解得的该元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的，若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力，若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力；如果被评估对象当前状态向量d的一个元素对应的该被评估对象是一个支座位移分量，那么该被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应支座位移分量的数值；C＝Co+ΔC ·d    式1。