基于混合监测的递进式索结构健康监测方法

摘要

基于混合监测的递进式索结构健康监测方法基于混合监测，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、单位损伤被监测量变化矩阵和当前名义健康状态向量间的线性关系是近似的，为克服此缺陷，本发明给出了使用线性关系分段逼近非线性关系的方法，将大区间分割成连续的一个个小区间，在每一个小区间内上述线性关系都是足够准确的，在每一个小区间内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、受损索和松弛索。

主权项

一种基于混合监测的递进式索结构健康监测方法，其特征在于所述方法包括：a.为叙述方便起见，本方法统一称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；本方法用变量j表示这一编号，j＝1，2，3，...，N；b.确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有Q根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化；每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息；M1是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据可由结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化；每次共有M2个应变测量值或计算值来表征结构应变，M2为K2和L2之积；M2是不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化；每次共有M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积；M3是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M4为K4和L4之积；M4是一个不小于0的整数；综合上述混合监测的被监测量，整个结构共有M个被监测量，M为M1、M2、M3和M4之和，定义参量K，K为M1、K2、K3和K4之和，K和M不得小于被评估对象的数量N；由于M个被监测量是不同类型的，所以本方法称为“基于混合监测的递进式索结构健康监测方法”；为方便起见，在本方法中将本步所列出的“混合监测时结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；c.利用被评估对象的无损检测数据建立被评估对象初始健康状态向量dio；如果没有被评估对象的无损检测数据时，向量dio的各元素数值取0；向量dio的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；本方法用i表示循环次数，i＝1，2，3，......；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的初始健康状态向量dio可以具体化为d1o；d.在建立初始健康状态向量d1o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Cio；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的被监测量的初始数值向量Cio可以具体化为C1o；在实测得到被监测量初始数值向量C1o的同时，实测得到索结构的初始几何数据和初始索结构支座坐标数据；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Fo；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lo；向量Fo和向量lo是不变的；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；e.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Ai；这里是第一次循环，i取1，即这里建立的索结构的力学计算基准模型Ai可以具体化为A1；f.在力学计算基准模型Ai的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔCi”和“名义单位损伤向量Diu”；g.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Ci”；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；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；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；h.定义当前名义健康状态向量dic和当前实际健康状态向量di，两个损伤向量的元素个数等于被评估对象的数量，当前名义健康状态向量dic的元素数值代表对应被评估对象的当前名义损伤程度或支座位移，当前实际健康状态向量di的元素数值代表对应被评估对象的当前实际损伤程度或支座位移，两个损伤向量的元素的元素个数等于被评估对象的数量，两个损伤向量的元素和被评估对象之间是一一对应关系，两个损伤向量的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；i.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Cio”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔCi”和“当前名义健康状态向量dic”间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，该表达式中除dic外的其它量均为已知，求解该表达式就可以算出当前名义健康状态向量dic； C i = C o i + Δ C i · d c i 式1j.利用式2表达的当前实际健康状态向量di同初始健康状态向量dio和当前名义健康状态向量dic的元素间的关系，计算得到当前实际健康状态向量di的所有元素； d j i = 1 - ( 1 - d oj i ) ( 1 - d cj i ) 式2上式中j＝1，2，3，……，N；当前实际健康状态向量di的元素数值代表对应被评估对象的实际损伤程度或实际支座位移，根据当前实际健康状态向量di就能确定有哪些索受损及其损伤程度，就能确定实际支座位移；若当前实际健康状态向量的某一元素对应于索系统中的一根索，且其数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤或松弛的，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；如果当前实际健康状态向量的某一元素对应于一个支座的一个位移分量，那么dij表示其当前位移数值；k.从第j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；l.利用在第j步获得的当前实际健康状态向量di得到松弛索的当前实际虚拟损伤程度，利用在第g步获得的当前索力向量Fi，利用在第g步获得的所有支承索的两个支承端点的水平距离，利用在第d步获得的初始自由长度向量lo，利用在第d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，力学等效条件是：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；计算时所需索力由当前索力向量Fi对应元素给出；m.在求得当前名义健康状态向量dic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； B i = [ B 1 i B 2 i · · · B j i · · · B N i ] T 式3 B j i = 0 , if d cj i < D uj i 1 , if d cj i ≥ D uj i 式4在上列两公式中元素Bij是标识向量Bi的第j个元素，Diuj是名义单位损伤向量Diu的第j个元素，dicj是当前名义健康状态向量dic的第j个元素，它们都表示第j个被评估对象的相关信息，j＝1，2，3，……，N；n.如果标识向量Bi的元素全为0，则回到第g步继续本次循环；如果标识向量Bi的元素不全为0，则进入下一步、即第o步；o.根据式5计算得到下一次、即第i+1次循环所需的初始健康状态向量di+1o的每一个元素di+1oj； d oj i + 1 = 1 - ( 1 - d oj i ) ( 1 - D uj i B j i ) 式5上式中Diuj是名义单位损伤向量Diu的第j个元素，dioj是初始健康状态向量dio的第j个元素，Bij是标识向量Bi的第j个元素，j＝1，2，3，……，N；向量di+1o的元素的编号规则和被评估对象的编号规则相同；p.在力学计算基准模型Ai的基础上，令被评估对象的健康状况为di+1o后更新得到下一次、即第i+1次循环所需的力学计算基准模型Ai+1；q.通过对力学计算基准模型Ai+1的计算得到对应于模型Ai+1的结构的所有被监测量的数值，这些数值组成下一次、即第i+1次循环所需的被监测量的初始数值向量Ci+1o；r.回到第f步，开始下一次循环。