[發明專利]基于索力監測的遞進式索結構健康監測方法

有效

• 申請號: 201010140123.7
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN101832875A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 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;G01L1/00;G01N19/08
• 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遞進式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；用變量j表示這一編號，j＝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，本發明在監測全部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根索的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；為方便起見，在本發明中將“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.利用被評估對象的無損檢測數據等能夠表達被評估對象的健康狀態的數據建立被評估對象初始健康狀態向量dⁱ_o；如果沒有被評估對象的無損檢測數據時，向量dⁱ_o的各元素數值取0；向量dⁱ_o的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；本發明用i表示循環次數，i＝1，2，3，......；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的初始健康狀態向量dⁱ_o可以具體化為d¹_o；

d.在建立初始健康狀態向量d¹_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Cⁱ_o；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的被監測量的初始數值向量Cⁱ_o可以具體化為C¹_o；在實測得到被監測量初始數值向量C¹_o的同時，實測得到索結構的初始幾何數據和初始索結構支座坐標數據；直接測量計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，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；向量F_o和向量l_o是不變的；同時，實測或根據結構設計、竣工資料得到所有索的彈性模量、密度、初始橫截面面積；

e.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Aⁱ；這里是第一次循環，i取1，即這里建立的索結構的力學計算基準模型Aⁱ可以具體化為A¹；

f.在力學計算基準模型Aⁱ的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCⁱ”和“名義單位損傷向量Dⁱ_u”；

g.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；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Fⁱ；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；

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，從被監測量的初始數值向量Cⁱ_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；依據被監測量編號規則，從單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCⁱ中去除步驟h中鑒別出的出現損傷或松弛的索對應的行；

j.定義當前名義健康狀態向量dⁱ_c和當前實際健康狀態向量dⁱ，兩個損傷向量的元素個數等于被評估對象的數量，當前名義健康狀態向量dⁱ_c的元素數值代表對應被評估對象的當前名義損傷程度或支座位移，當前實際健康狀態向量dⁱ的元素數值代表對應被評估對象的當前實際損傷程度或支座位移，兩個損傷向量的元素的元素個數等于被評估對象的數量，兩個損傷向量的元素和被評估對象之間是一一對應關系，兩個損傷向量的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；

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”、“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCⁱ”和“當前名義健康狀態向量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健康狀態向量dⁱ_c；

Ci=Coi+ΔCi·dci]]>式1

1.利用式2表達的當前實際健康狀態向量dⁱ同初始損傷向量dⁱ_o和當前名義健康狀態向量dⁱ_c的元素間的關系，計算得到當前實際健康狀態向量dⁱ的所有元素；

dji=1-(1-doji)(1-dcji)]]>式2

式2中j＝1，2，3，……，N；

當前實際健康狀態向量dⁱ的元素數值代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際支座位移，根據當前實際健康狀態向量dⁱ就能確定有哪些索受損及其損傷程度，就能確定實際支座位移；若當前實際健康狀態向量的某一元素對應于是索系統中的一根索，且其數值為0，表示該元素所對應的索是完好的，沒有損傷或松弛的的，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；如果當前實際健康狀態向量的某一元素對應于一個支座的一個位移分量，那么dⁱ_j表示其當前位移數值；

m.從第1步中識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步獲得的當前實際虛擬損傷向量dⁱ得到松弛索的當前實際虛擬損傷程度，利用在第g步獲得的當前索力向量Fⁱ，利用在第g步獲得的所有支承索的兩個支承端點的水平距離，利用在第d步獲得的初始自由長度向量l_o，利用在第d步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、與當前實際虛擬損傷程度等效的松弛程度，等效的力學條件是：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Fⁱ對應元素給出。

o.在求得當前名義健康狀態向量dⁱ_c后，按照式3建立標識向量Bⁱ，式4給出了標識向量Bⁱ的第j個元素的定義；

Bi=B1iB2i...Bji...BNiT]]>式3

Bji=0,ifdcji<Duji1,ifdcji≥Duji]]>式4

式4中元素Bⁱ_j是標識向量Bⁱ的第j個元素，Dⁱ_uj是名義單位損傷向量Dⁱ_u的第j個元素，dⁱ_cj是當前名義健康狀態向量dⁱ_c的第j個元素，它們都表示第j個被評估對象的相關信息，式4中j＝1，2，3，……，N；

p.如果標識向量Bⁱ的元素全為0，則回到第g步繼續本次循環；如果標識向量Fⁱ的元素不全為0，則進入下一步、即第q步；

q.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是當前名義健康狀態向量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；向量dⁱ⁺¹_o的元素的編號規則和被評估對象的編號規則相同；

r.在力學計算基準模型Aⁱ的基礎上，令被評估對象的健康狀況為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；

s.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應變的點的、將被監測的應變方向的應變數值，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；

t.回到第f步，開始下一次循環。

2.根據權利要求1所述的基于索力監測的遞進式索結構健康監測方法，其特征在于在步驟f中，在力學計算基準模型Aⁱ的基礎上進行若干次力學計算，通過計算獲得“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCⁱ”和“名義單位損傷向量Dⁱ_u”的具體方法為：

f1.在索結構的力學計算基準模型Aⁱ的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等于N；依據被評估對象的編號規則，依次進行計算；每一次計算假設只有

一個被評估對象在原有損傷或位移的基礎上再增加單位損傷或單位位移，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再增加單位位移，每一次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象不同于其它次計算中再增加單位損傷或單位位移的被評估對象，用“名義單位損傷向量Dⁱ_u”記錄記錄所有假定的再增加的單位損傷或單位位移，其中i表示第i次循環，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數值向量；

f2.每一次計算得到的被監測量計算當前數值向量減去被監測量初始數值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；

f3.由這N個被監測量變化向量按照N個被評估對象的編號規則，依次組成有N列的索結構被監測量單位變化矩陣ΔCⁱ。