[發明專利]有支座沉降時基于應變監測的索系統的遞進式健康監測方法

有效

• 申請號: 201010127306.5
• 申請日: 2010-03-17
• 公開（公告）號: CN101788400A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 韓玉林
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01M19/00
• 分類號: G01M19/00;G01N19/08;G01B21/32
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種有支座沉降時基于應變監測的索系統的遞進式健康監測方法，其特征是該方法包括：

a.設共有N根索，首先確定索的編號規則，按此規則將索結構中所有的索編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；

b.確定指定的被監測點，被監測點即表征結構應變信息的所有指定點，并給所有指定點編號；確定被監測點的被監測的應變方向，并給所有指定的被監測應變編號；“被監測應變編號”在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；“結構的全部被監測的應變數據”由上述所有被監測應變組成；本發明將“結構的被監測的應變數據”簡稱為“被監測量”；被監測點的數量不得小于索的數量；所有被監測量的數量之和不得小于索的數量；

c.利用索的無損檢測數據建立索系統初始損傷向量d¹_o；如果沒有索的無損檢測數據，或者可以認為結構初始狀態為無損傷狀態時，向量d¹_o的各元素數值取0；本步中d¹_o的上標1表示第一次循環，關于循環次數的表示方法在步驟f中具體說明；

d.在建立索系統初始損傷向量d¹_o的同時，直接測量計算得到索結構的所有指定的被監測量，組成“被監測量的初始數值向量C¹_o”；本步中C¹_o的上標1表示第一次循環，關于循環次數的表示方法在步驟f中具體說明；

e.在建立索系統初始損傷向量d¹_o和被監測量的初始數值向量C¹_o的同時，實測得到索結構的所有索的初始索力數據，實測得到索結構的初始幾何數據；

f.建立索結構的初始力學計算基準模型A_o，建立初始索結構支座坐標向量U_o，建立第一次循環開始時需要的索結構的力學計算基準模型A¹；本步中A¹的上標1表示第一次循環；依據索結構竣工之時的索結構的實測數據，該實測數據包括索結構形狀數據、索力數據、拉桿拉力數據、索結構支座坐標數據、索結構模態數據，索的無損檢測數據，依據設計圖和竣工圖，利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型A_o；如果沒有索結構竣工之時的結構的實測數據，那么就在建立健康監測系統前對該索結構進行實測，同樣得到索結構的實測數據，根據此數據和索結構的設計圖、竣工圖，同樣利用力學方法建立索結構的初始力學計算基準模型A_o；不論用何種方法獲得A_o，基于A_o計算得到的索結構計算數據必須非常接近其實測數據，其間的差異不得大于5％；對應于A_o的索結構支座坐標數據組成初始索結構支座坐標向量U_o；A_o和U_o是不變的，只在第一次循環開始時建立；第i次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為Aⁱ，其中i表示循環次數；本發明的申請書中字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外，字母i僅表示循環次數，即第i次循環；因此第一次循環開始時建立的索結構的力學計算基準模型記為A¹，A¹就等于A_o；為敘述方便，命名“索結構當前力學計算基準模型A^ti_o”，在每一次循環中A^ti_o根據需要會不斷更新，每一次循環開始時，A^ti_o等于Aⁱ；同樣為敘述方便，命名“索結構實測支座坐標向量U^ti”，在每一次循環中，不斷實測獲得索結構支座坐標當前數據，所有索結構支座坐標當前數據組成當前索結構實測支座坐標向量U^ti，向量U^ti的元素與向量U_o相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐標；為敘述方便起見，對于第i次循環，將上一次更新A^ti_o時的索結構支座坐標當前數據記為當前索結構支座坐標向量U^ti_o；第一次循環開始時，A^t1_o等于A¹，U^t1_o等于U_o；

g.實測獲得索結構支座坐標當前數據，所有索結構支座坐標當前數據組成當前索結構實測支座坐標向量U^ti，根據當前索結構實測支座坐標向量U^ti，按照步驟g1至g2更新索結構當前力學計算基準模型A^ti_o和當前索結構支座坐標向量U^ti_o；

g1.實測得到當前索結構實測支座坐標向量U^ti后，比較U^ti和U^ti_o，如果U^ti等于U^ti_o，則不需要對A^ti_o進行更新；

g2.實測得到當前索結構實測支座坐標向量U^ti后，比較U^ti和U^ti_o，如果U^ti不等于U^ti_o，則需要對A^ti_o進行更新，更新方法是：先計算U^ti與U_o的差，U^ti與U_o的差就是當前索結構支座關于在建立A_o時的索結構支座的當前支座位移，用當前支座位移向量V表示支座位移，當前支座位移向量V中的元素與支座位移分量之間是一一對應關系，當前支座位移向量V中一個元素的數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A^ti_o的方法是：在A_o的基礎上令索的健康狀況為索系統初始損傷向量dⁱ_o，再進一步對A_o中的索結構支座施加當前支座位移約束，當前支座位移約束的數值就取自當前支座位移向量V中對應元素的數值，對A_o中的索結構支座施加當前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當前力學計算基準模型A^ti_o，更新A^ti_o的同時，U^ti_o所有元素數值也用U^ti所有元素數值代替，即更新了U^ti_o，這樣就得到了正確地對應于A^ti_o的U^ti_o；

h.在索結構當前力學計算基準模型A^ti_o的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ΔCⁱ和名義單位損傷向量Dⁱ_u；

i.實測得到索結構的所有指定被監測量的當前實測數值，組成“被監測量的當前數值向量Cⁱ”，給本步及本步之前出現的所有向量的元素編號時，應使用同一編號規則，這樣可以保證本步及本步之前出現的各向量的、編號相同的元素，表示同一被監測量的、對應于該元素所屬向量所定義的相關信息；

j.定義索系統當前名義損傷向量dⁱ_c和當前實際損傷向量dⁱ，損傷向量的元素個數等于索的數量，損傷向量的元素和索之間是一一對應關系，損傷向量的元素數值代表對應索的損傷程度或健康狀態；

k.依據“被監測量的當前數值向量Cⁱ”同“被監測量的初始數值向量Cⁱ_o”、“單

位損傷被監測量變化矩陣ΔCⁱ”和“當前名義損傷向量dⁱ_c”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dⁱ_c外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當前名義損傷向量dⁱ_c；

Ci=Coi+ΔCi·dci]]>式1

l.利用式2表達的當前實際損傷向量dⁱ同初始損傷向量dⁱ_o和當前名義損傷向量dⁱ_c的元素間的關系，計算得到當前實際損傷向量dⁱ的所有元素；

dji=1-(1-doji)(1-dcji)]]>式2

式2中j＝1，2，3，……，N；

由于當前實際損傷向量dⁱ的元素數值代表對應索的損傷程度，所以根據當前實際損傷向量dⁱ就能確定有哪些索受損及其損傷程度，即實現了索結構中索系統的健康監測；若當前實際損傷向量的某一元素的數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷的；若其數值為100％，則表示該元素所對應的索已經完全喪失承載能力；若其數值介于0和100％之間，則表示該索喪失了相應比例的承載能力；

m.在求得當前名義損傷向量dⁱ_c后，按照式3建立標識向量Fⁱ，式4給出了標識向量Fⁱ的第j個元素的定義；

是索系統當前名義損傷向量dⁱ_c的第j個元素，它們都表示第j根索的相關信息，式4中j＝1，2，3，……，N；

n.如果標識向量Fⁱ的元素全為0，則回到步驟g繼續本次循環；如果標識向量Fⁱ的元素不全為0，則進入下一步、即步驟o；

o.根據式5計算得到下一次、即第i+1次循環所需的初始損傷向量dⁱ⁺¹_o的每一個元素dⁱ⁺¹_oj；

doji+1=1-(1-doji)(1-DujiFji)]]>式5

式5中Dⁱ_uj是名義單位損傷向量Dⁱ_u的第j個元素，dⁱ_cj是索系統當前名義損傷向量dⁱ_c的第j個元素，Fⁱ_j是標識向量Fⁱ的第j個元素，式5中j＝1，2，3，……，N；

p.在索結構當前力學計算基準模型A^ti_o的基礎上，令索的健康狀況為dⁱ⁺¹_o后更新得到下一次、即第i+1次循環所需的力學計算基準模型Aⁱ⁺¹，即對力學計算基準模型進行了更新；

q.通過對力學計算基準模型Aⁱ⁺¹的計算得到對應于模型Aⁱ⁺¹的結構的所有被監測量的數值，這些數值組成下一次、即第i+1次循環所需的被監測量的初始數值向量Cⁱ⁺¹_o；

r.建立下一次、即第i+1次循環所需的索結構當前力學計算基準模型A^ti+1_o，即取A^ti+1_o等于Aⁱ⁺¹；

s.建立下一次、即第i+1次循環所需的當前索結構支座坐標向量U^ti+1_o，即取U^ti+1_o等于U^ti_o；

t.回到步驟g，開始下一次循環。

2.根據權利要求1所述的有支座沉降時基于應變監測的索系統的遞進式健康監測方法，其特征在于在步驟h中，在索結構當前力學計算基準模型A^ti_o的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ΔCⁱ和名義單位損傷向量Dⁱ_u的具體方法為：

h1.在第i次循環開始時，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ΔCⁱ和名義單位損傷向量Dⁱ_u；在其它時刻，當步驟g中對A^ti_o進行更新后，必須按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結構單位損傷被監測量變化矩陣ΔCⁱ和名義單位損傷向量Dⁱ_u，如果在步驟g中沒有對A^ti_o進行更新，則在此處直接轉入步驟i進行后續工作；

h2.在索結構當前力學計算基準模型A^ti_o的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于所有索的數量，有N根索就有N次計算，每一次計算假設索系統中只有一根索在原有損傷的基礎上再增加單位損傷，每一次計算中出現損傷的索不同于其它次計算中出現損傷的索，并且每一次假定有損傷的索的單位損傷值可以不同于其他索的單位損傷值，用“名義單位損傷向量Dⁱ_u”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計算得到索結構中所有指定被監測量的當前數值，每一次計算得到的所有被監測量的當前數值組成一個“被監測量的計算當前數值向量”；當假設第j根索有單位損傷時，可用Cⁱ_tj表示對應的“被監測量的計算當前數值向量”；在本步驟中給各向量的元素編號時，應同本發明中其它向量使用同一編號規則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個元素，同其它向量中的、編號相同的元素，表達了同一被監測量或同一對象的相關信息；

h3.每一次計算得到的那個“被監測量的計算當前數值向量Cⁱ_tj”減去“被監測量的初始數值向量Cⁱ_o”得到一個向量，再將該向量的每一個元素都除以本次計算中假定的單位損傷值后得到一個“被監測量的數值變化向量δCⁱ_j”；有N根索就有N個“被監測量的數值變化向量”；

h4.由這N個“被監測量的數值變化向量”依次組成有N列的“單位損傷被監測量變化矩陣ΔCⁱ”；“單位損傷被監測量變化矩陣ΔCⁱ”的每一列對應于一個“被監測量的數值變化向量”；“單位損傷被監測量變化矩陣”的列的編號規則與當前名義損傷向量dⁱ_c和當前實際損傷向量dⁱ的元素編號規則相同。