[發(fā)明專利]有支座沉降時(shí)基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的識(shí)別松弛的支承索的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010127331.3
• 申請(qǐng)日: 2010-03-17
• 公開（公告）號(hào): CN101788401A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓玉林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M19/00
• 分類號(hào): G01M19/00;G01B21/32;G01N19/08
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種有支座沉降時(shí)基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的識(shí)別松弛的支承索的方法，其特征在于所述方法包括：

a.設(shè)共有N根索，首先確定索的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的索編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；

b.確定指定的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)，被監(jiān)測(cè)點(diǎn)即表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的所有指定點(diǎn)，并給所有指定點(diǎn)編號(hào)；確定被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變方向，并給所有指定的被監(jiān)測(cè)應(yīng)變編號(hào)；“被監(jiān)測(cè)應(yīng)變編號(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)的應(yīng)變數(shù)據(jù)”由上述所有被監(jiān)測(cè)應(yīng)變組成；本發(fā)明將“結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)”簡稱為“被監(jiān)測(cè)量”；被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量不得小于索的數(shù)量；所有被監(jiān)測(cè)量的數(shù)量之和不得小于索的數(shù)量；

c.利用索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)建立初始虛擬損傷向量d_o；如果沒有索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，向量d_o的各元素?cái)?shù)值取0；

d.在建立初始虛擬損傷向量d_o的同時(shí)，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)量的初始數(shù)值向量C_o；

e.在建立初始虛擬損傷向量d_o和被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C_o的同時(shí)，直接測(cè)量計(jì)算得到所有支承索的初始索力，組成初始索力向量F_o；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)得到所有支承索的初始自由長度，組成初始自由長度向量l_o；同時(shí)，依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、竣工數(shù)據(jù)或?qū)崪y(cè)得到索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)；同時(shí)，實(shí)測(cè)或根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；

f.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A_o，建立初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U_o，建立索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A^t_o；依據(jù)索結(jié)構(gòu)竣工之時(shí)的索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該實(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)模態(tài)數(shù)據(jù)、所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以及索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖和竣工圖，利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A_o；如果沒有索結(jié)構(gòu)竣工之時(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)該索結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)測(cè)，同樣得到索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)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，同樣利用力學(xué)方法建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A_o；不論用何種方法獲得A_o，基于A_o計(jì)算得到的索結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)必須非常接近其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其間的差異不得大于5％；對(duì)應(yīng)于A_o的索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U₀；A₀和U₀是不變的；為敘述方便，命名“索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A^t_o”，在結(jié)構(gòu)服役過程中A^t_o根據(jù)需要會(huì)不斷更新，開始時(shí)，A^t_o等于A_o；同樣為敘述方便，命名“當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量U^t”，在結(jié)構(gòu)服役過程中，不斷實(shí)測(cè)獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成“當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量U^t”，向量U^t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(biāo)；為敘述方便起見，將上一次更新A^t_o時(shí)的索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)記為當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U^t_o；開始時(shí)，A^t_o等于A_o，U^t_o等于U_o；A_o對(duì)應(yīng)的索的健康狀態(tài)由d_o描述；

g.健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始工作時(shí)，令A(yù)^t_o等于A_o；在結(jié)構(gòu)服役過程中不斷實(shí)測(cè)獲得索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)，所有索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)當(dāng)前數(shù)據(jù)組成當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量U^t，根據(jù)當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量U^t，按照步驟g1至g2更新索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A^t_o和當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座坐標(biāo)向量U^t_o；

g1.實(shí)測(cè)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量U^t后，比較U^t和U^t_o，如果U^t等于U^t_o，則不需要對(duì)A^t_o進(jìn)行更新；

g2.實(shí)測(cè)得到當(dāng)前索結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)支座坐標(biāo)向量U^t后，比較U^t和U^t_o，如果U^t不等于U^t_o，則需要對(duì)A^t_o進(jìn)行更新，更新方法是：先計(jì)算U^t與U_o的差，U^t與U_o的差就是當(dāng)前索結(jié)構(gòu)支座關(guān)于在建立A_o時(shí)的索結(jié)構(gòu)支座的當(dāng)前支座位移，用當(dāng)前支座位移向量V表示支座位移，當(dāng)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(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)前支座位移向量V中一個(gè)元素的數(shù)值對(duì)應(yīng)于一個(gè)指定支座的一個(gè)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^t_o的方法是：對(duì)A_o中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座位移約束，當(dāng)前支座位移約束的數(shù)值就取自當(dāng)前支座位移向量V中對(duì)應(yīng)元素的數(shù)值，對(duì)A_o中的索結(jié)構(gòu)支座施加當(dāng)前支座位移約束后，最終得到的就是更新的當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A^t_o，更新A^t_o的同時(shí)，U^t_o所有元素?cái)?shù)值也用U^t所有元素?cái)?shù)值代替，即更新了U^t_o，這樣就得到了正確地對(duì)應(yīng)于A^t_o的U^t_o；

h.在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A^t_o的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔC和名義虛擬單位損傷向量D_u；

i.實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu)的所有支承索的當(dāng)前索力，組成當(dāng)前索力向量F；同時(shí)，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”；實(shí)測(cè)計(jì)算得到所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)在水平方向分量的差就是兩個(gè)支承端點(diǎn)水平距離；給本步及本步之前出現(xiàn)的所有向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步及本步之前和之后出現(xiàn)的各向量的、編號(hào)相同的元素，表示同一被監(jiān)測(cè)量的、對(duì)應(yīng)于該元素所屬向量所定義的相關(guān)信息；

j.定義待求的當(dāng)前名義虛擬損傷向量d_c和當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量d；損傷向量d_o、d_c和d的元素個(gè)數(shù)等于索的數(shù)量，損傷向量的元素和索之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，損傷向量的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的虛擬損傷程度或健康狀態(tài)；

k.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)量的初始數(shù)值向量C_o”、“虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔC”和“當(dāng)前名義虛擬損傷向量d_c”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d_c外的其它量均為已知，求解式1就可以算出當(dāng)前名義虛擬損傷向量d_c；

C＝C_o+ΔC·d_c?????????????????????????????????式1

l.利用式2表達(dá)的當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量d的元素d_j同初始虛擬損傷向量d_o的元素d_oj和當(dāng)前名義虛擬損傷向量d_c的元素d_cj間的關(guān)系，計(jì)算得到當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量d的所有元素；

d_j＝1-(1-d_oj)(1-d_cj)??????????????????????????式2

式2中j＝1，2，3，……，N；

由于當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量d的元素?cái)?shù)值代表對(duì)應(yīng)索的當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷程度，即實(shí)際松弛程度或?qū)嶋H損傷程度，當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量d中數(shù)值不為0的元素對(duì)應(yīng)的支承索就是有問題的支承索，有問題的支承索可能是松弛索、也可能是受損索，其數(shù)值反應(yīng)了松弛或損傷的程度；

m.從第1步中識(shí)別出的有問題的支承索中鑒別出受損索，剩下的就是松弛索；

n.利用在第1步獲得的當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量d得到松弛索的當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷程度，利用在第i步獲得的當(dāng)前索力向量F，利用在第i步獲得的所有支承索的兩個(gè)支承端點(diǎn)的空間坐標(biāo)，利用在第e步獲得的初始自由長度向量l_o，利用在第e步獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數(shù)據(jù)，通過將松弛索同受損索進(jìn)行力學(xué)等效來計(jì)算松弛索的、與當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學(xué)條件是：一、兩等效的索的無松弛和無損傷時(shí)的初始自由長度、幾何特性參數(shù)、密度及材料的力學(xué)特性參數(shù)相同；二、松弛或損傷后，兩等效的松弛索和損傷索的索力和變形后的總長相同；滿足上述兩個(gè)等效條件時(shí)，這樣的兩根支承索在結(jié)構(gòu)中的力學(xué)功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受損索后，索結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何變化，反之亦然；依據(jù)前述力學(xué)等效條件求得那些被判定為松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由長度的改變量，也就是確定了那些需調(diào)整索力的支承索的索長調(diào)整量，這樣就實(shí)現(xiàn)了支承索的松弛識(shí)別和損傷識(shí)別，計(jì)算時(shí)所需索力由當(dāng)前索力向量F對(duì)應(yīng)元素給出。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有支座沉降時(shí)基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)的識(shí)別松弛的支承索的方法，其特征在于在步驟h中，在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A^t_o的基礎(chǔ)上進(jìn)行若干次力學(xué)計(jì)算，通過計(jì)算獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔC和名義虛擬單位損傷向量D_u的具體方法為：

h1.健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第一次開始工作時(shí)，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔC和名義虛擬單位損傷向量D_u；以后，如果步驟g中對(duì)A^t_o進(jìn)行了更新，直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得索結(jié)構(gòu)虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔC和名義虛擬單位損傷向量D_u，如果在步驟g中沒有對(duì)A^t_o進(jìn)行更新，則在此處直接轉(zhuǎn)入步驟i進(jìn)行后續(xù)工作；

h2.在索結(jié)構(gòu)當(dāng)前力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A^t_o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)值上等于所有索的數(shù)量，有N根索就有N次計(jì)算，每一次計(jì)算假設(shè)索系統(tǒng)中只有一根索在原有虛擬損傷的基礎(chǔ)上再增加虛擬單位損傷，每一次計(jì)算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索不同于其它次計(jì)算中出現(xiàn)虛擬單位損傷的索，并且每一次假定有虛擬單位損傷的索的虛擬單位損傷值可以不同于其他索的虛擬單位損傷值，用“名義虛擬單位損傷向量D_u”記錄所有索的假定的單位損傷，每一次計(jì)算得到所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值，每一次計(jì)算得到的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前數(shù)值組成一個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算當(dāng)前數(shù)值向量”；當(dāng)假設(shè)第j根索有單位損傷時(shí)，可用C_tj表示對(duì)應(yīng)的“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算數(shù)值向量C_tj”；在本步驟中給各向量的元素編號(hào)時(shí)，應(yīng)同本發(fā)明中其它向量使用同一編號(hào)規(guī)則，這樣可以保證本步驟中各向量中的任意一個(gè)元素，同其它向量中的、編號(hào)相同的元素，表達(dá)了同一被監(jiān)測(cè)量或同一對(duì)象的相關(guān)信息；

h3.每一次計(jì)算得到的那個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前計(jì)算數(shù)值向量C_tj”減去“被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值向量C_o”得到一個(gè)向量，再將該向量的每一個(gè)元素都除以本次計(jì)算中假定的虛擬單位損傷值后得到一個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量”；有N根索就有N個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量”；

h4.由這N個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量”依次組成有N列的“虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔC”；“虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣ΔC”的每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)“被監(jiān)測(cè)量的數(shù)值變化向量”；“虛擬單位損傷被監(jiān)測(cè)量數(shù)值變化矩陣”的列的編號(hào)規(guī)則與當(dāng)前名義虛擬損傷向量d_c和當(dāng)前實(shí)際虛擬損傷向量d的元素編號(hào)規(guī)則相同。