[發明專利]一種基于索力監測的索結構健康監測方法

有效

• 申請號: 201010140114.8
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN101806668A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發明（設計）人: 韓玉林;張居鎖
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01M19/00
• 分類號: G01M19/00;G01B21/32;G01B21/22;G01B21/00;G01N19/08;G01L5/00
• 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

1.一種基于索力監測的索結構健康監測方法，其特征在于所述方法包括：

a.稱被評估的支承索和支座位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座位移分量的數量之和為N，即被評估對象的數量為N；確定被評估對象的編號規則，按此規則將索結構中所有的被評估對象編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；本方法用變量i表示這一編號，i＝1，2，3，...，N；

b.設索系統中共有Q根支承索，結構索力數據包括這Q根支承索的索力，顯然Q小于被評估對象的數量N；僅僅通過Q個支承索的Q個索力數據來求解未知的N個被評估對象的狀態是不可能的，在監測全部Q根支承索索力的基礎上，在結構上人為增加M₂根索，在結構健康監測過程中將監測這新增加的M₂根索的索力；綜合上述被監測量，整個結構共有M個索力被監測，即有M個被監測量，其中M為Q與M₂之和；M不得小于被評估對象的數量N；新增加的M₂根索的剛度同索結構的任意一根支承索的剛度相比，應當小得多；新增加的M₂根索的索力應當比索結構的任意一根支承索的索力小得多，這樣可以保證即使這新增加的M₂根索出現了損傷或松弛，對索結構其他構件的應力、應變、變形的影響微乎其微；新增加的M₂根索的橫截面上正應力應當小于其疲勞極限，這些要求可以保證新增加的M₂根索不會發生疲勞損傷；新增加的M₂根索的兩端應當充分錨固，保證不會出現松弛；新增加的M₂根索應當得到充分的防腐蝕保護，保證新增加的M₂根索不會發生損傷和松弛；將“結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測量”；給M個被監測量連續編號，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；

c.利用索的無損檢測數據能夠表達索的健康狀態的數據建立初始健康狀態向量d_o；如果沒有索的無損檢測數據及其他能夠表達索的健康狀態的數據時，向量d_o的各元素數值取0；

d.在建立初始健康狀態向量d_o的同時，直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監測量的初始數值向量C_o；

e.索結構索力數據由Q根支承索的索力來描述，用初始索力向量F_o表示索結構中所有支承索的初始索力，在建立初始健康狀態向量d_o和被監測量的初始數值向量C_o的同時，直接測量計算得到所有Q根支承索的初始索力，組成初始索力向量F_o；同時，依據結構設計數據、竣工數據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，依據結構設計數據、竣工數據或實測得到索結構的初始幾何數據；同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所有Q根支承索和新增加的M₂根索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；

f.根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據、索的無損檢測數據和初始索結構支座坐標數據建立索結構的力學計算基準模型A_o；

g.在力學計算基準模型A_o的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構被監測量單位變化矩陣ΔC；

h.在結構健康監測過程中，對新增加的M₂根索進行無損檢測，從中鑒別出出現損傷或松弛的索；

i.依據被監測量編號規則，從被監測量初始向量C_o中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的元素；

j.依據被監測量編號規則，從索結構被監測量單位變化矩陣ΔC中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的行；

k.實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量F；同時，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C”；然后從被監測量的當前數值向量C中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的元素；實測計算得到所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，兩個支承端點的空間坐標在水平方向分量的差就是兩個支承端點水平距離；

l.定義待求的被評估對象當前健康狀態向量d_c和當前實際健康狀態向量d；向量d_o、d_c和d的元素個數等于被評估對象的數量，d_o、d_c和d的元素和被評估對象之間是一一對應關系，d_o、d_c和d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或位移、或與松弛程度力學等效的損傷程度；

m.依據“被監測量的當前數值向量C”同“被監測量的初始數值向量C_o”、“索結構被監測量單位變化矩陣ΔC”和“被評估對象當前健康狀態向量d_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d_c外的其它量均為已知，求解式1就可以算出被評估對象當前健康狀態向量d_c；

C＝C_o+ΔC·d_c????式1

n.利用式2表達的當前實際健康狀態向量d的元素d_i同初始健康狀態向量d_o的元素d_oi和被評估對象當前健康狀態向量d_c的元素d_ci間的關系，計算得到當前實際健康狀態向量d的所有元素；

d_i＝1-(1-d_oi)(1-d_ci)????式2

式2中i＝1，2，3，……，N；

由于當前實際健康狀態向量d的元素數值代表對應被評估對象的當前實際健康狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索，那么該元素表示其當前實際損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個位移分量，那么該元素表示其當前位移數值；當前實際健康狀態向量d的元素數值為0時，表示對應的支承索無損傷無松弛、或對應的支座位移分量為0，不為0的元素對應于有問題的支承索或有位移的支座；由此確定了有問題的支承索，確定了支座位移；

o.從步驟n中識別出的有問題的支承索中通過無損檢測方法鑒別出受損索，剩下的就是松弛索；

p.從當前實際健康狀態向量d中取出支承索對應的元素組成支承索當前實際健康狀態向量d^c，支承索當前實際健康狀態向量d^c有Q個元素，表示Q根支承索的當前實際損傷值，d^c元素的編號規則與向量F_o的編號規則相同，即d^c和F_o相同編號的元素表示相同支承索的信息；

q.利用在步驟p獲得的支承索當前實際健康狀態向量d^c得到松弛索的當前實際損傷程度，利用在步驟k獲得的當前索力向量F，利用在步驟k獲得的所有支承索的兩個支承端點的空間坐標，利用在步驟e獲得的初始自由長度向量l_o，利用在步驟e獲得的所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積數據，通過將松弛索同受損索進行力學等效來計算松弛索的、與當前實際損傷程度等效的松弛程度，力學等效條件是：一、兩等效的索的無松弛和無損傷時的初始自由長度、幾何特性參數、密度及材料的力學特性參數相同；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；滿足上述兩個等效條件時，這樣的兩根支承索在結構中的力學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，索結構不會發生任何變化，反之亦然；依據前述力學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整索力的支承索的索長調整量；這樣就實現了支承索的松弛識別；計算時所需索力由當前索力向量F對應元素給出。

2.根據權利要求1所述的一種基于索力監測的索結構健康監測方法，其特征在于在步驟g中，在力學計算基準模型A_o的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得索結構被監測量單位變化矩陣ΔC的具體方法為：

g1.在索結構的力學計算基準模型A_o的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于N；每一次計算假設只有一個被評估對象在原健康狀態的基礎上再增加有單位損傷或單位位移，為敘述方便本方法合稱單位損傷和單位位移為單位變化；具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那么就假設該支承索在原有健康狀態的基礎上再增加單位損傷，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的位移分量，就假設該支座在該位移方向在原有健康狀態的基礎上再增加發生單位位移，用D_ui記錄這一單位損傷或單位位移，其中i表示發生單位損傷或單位位移的被評估對象的編號；每一次計算中出現單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其它次計算中出現單位損傷或單位位移的被評估對象，每一次計算都利用力學方法計算索結構的所有被監測量的當前計算值，每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組成一個被監測量計算當前向量；

g2.每一次計算得到的被監測量計算當前向量減去被監測量初始向量后再除以該次計算所假設的單位損傷或單位位移數值，得到一個被監測量變化向量，有N個被評估對象就有N個被監測量變化向量；

g3.由這N個被監測量變化向量依次組成有N列的索結構被監測量單位變化矩陣ΔC；索結構被監測量單位變化矩陣ΔC的每一列對應于一個被監測量變化向量。