基於索力監測的識別受損索鬆弛索支座角位移的方法
2023-10-04 00:02:19 4
專利名稱：基於索力監測的識別受損索鬆弛索支座角位移的方法
技術領域：
斜拉橋、懸索橋、桁架結構等結構有一個共同點，就是它們有許多承受拉伸載荷的部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉杆等等，該類結構的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的杆件為支承部件，為方便起見本發明將該類結構表述為「索結構」。在索結構的服役過程中， 索結構的支承系統(指所有承載索、及所有起支承作用的僅承受拉伸載荷的杆件，為方便起見，本專利將該類結構的全部支承部件統一稱為「索系統」，但實際上索系統不僅僅指支承索，也包括僅承受拉伸載荷的杆件)會受損，同時索結構的支座也可能出現角位移(例如支座繞坐標軸x、Y、z的轉動，實際上就是支座繞坐標軸Χ、Υ、Ζ的角位移)，這些變化對索結構的安全是一種威脅，本發明基於結構健康監測技術，基於索力監測來識別支座角位移、識別索結構的索系統中的受損索、識別需調整索力的支承索，並給出具體的索長調整量，屬工程結構健康監測領域。
背景技術：
支座角位移對索結構安全是一項重大威脅，同樣的，索系統的損傷和鬆弛也將對結構的安全造成不良影響，嚴重時將會引起結構的失效，因此準確及時地識別支座角位移、 受損索和鬆弛索(即需調整索力的支承索)是非常必要的。索結構出現支座角位移、受損索和鬆弛索後會引起結構的可測量參數的變化，例如會引起索力的變化，實際上索力的變化包含了索結構的健康狀態信息，也就是說可以利用結構索力數據判斷結構的健康狀態，可以基於索力監測(本發明將被監測的索力稱為「被監測量」，後面提到「被監測量」就是指被監測的索力)來識別支座角位移、受損索和鬆弛索。
發明內容
技術問題本發明公開了一種基於索力監測的、能夠合理有效地識別支座角位移、 受損索和鬆弛索的健康監測方法。依據支承索的索力變化的原因，可將支承索的索力變化分為三種情況一是支承索受到了損傷，例如支承索出現了局部裂紋和鏽蝕等等；二是支承索並無損傷，但索力也發生了變化，出現這種變化的主要原因之一是支承索自由狀態(此時索張力也稱索力為0)下的索長度(稱為自由長度，本發明專指支承索兩支承端點間的那段索的自由長度)發生了變化；三是支承索並無損傷，但索結構支座有了角位移，也會引起結構內力的變化，當然也就會引起索力的變化。為了方便，本發明將自由長度發生變化的支承索統稱為鬆弛索。技術方案設索的數量和支座角位移分量的數量之和為#。為敘述方便起見，本發明統一稱被評估的索和支座角位移為「被評估對象」，給被評估對象連續編號，該編號在後續步驟中將用於生成向量和矩陣。本發明用用變量i表示這一編號，i=l，2，3，···，見因此可以說有#個被評估對象。設索系統中共有。根支承索，結構索力數據包括這C根支承索的索力，顯然。小於被評估對象的數量#。僅僅通過Q個支承索的Q個索力數據來求解未知的#個被評估對象的狀態是不可能的，本發明在監測全部C根支承索索力的基礎上，增加對不少於GV-仍個其他被監測量。增加的不少於GV- Q)個的其他被監測量仍然是索力，敘述如下
在結構上人為增加叢( 不小於N-⑴根索，新增加的叢根索的剛度同索結構的任意一根支承索的剛度相比，可以小很多，例如小10倍，新增加的叢根索的索力應當較小，例如其橫截面正應力應當小於其疲勞極限，這些要求可以保證新增加的叢根索不會發生疲勞損傷，新增加的叢根索的兩端應當充分錨固，保證不會出現鬆弛，新增加的叢根索應當得到充分的防腐蝕保護，保證新增加的叢根索不會發生損傷和鬆弛，在結構健康監測過程中將監測這新增加的叢根索的索力。綜合上述被監測量，整個結構共有if根索的I個被監測量，I不得小於被評估對象的數量見為方便起見，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Ji 個被監測量連續編號，該編號在後續步驟中將用於生成向量和矩陣。本發明由兩大部分組成。分別是一、建立用於識別支座角位移、受損索和鬆弛索的健康監測系統所需的知識庫和參量的方法、基於知識庫(含參量)、基於被監測量等量的監測的、識別索結構的支座角位移、受損索和鬆弛索的方法。二、健康監測系統的軟體和硬體部分。本發明的第一部分建立用於識別索結構支座角位移、受損索和鬆弛索的健康監測系統所需的知識庫和參量的方法、基於知識庫(含參量)、基於實測索結構支座角位移的、 基於被監測量等量的監測的、識別索結構的支座角位移、受損索和鬆弛索的方法。可按如下方法進行，以獲得更準確的索結構的健康狀態評估。第一步首先建立索結構初始健康狀態向量式、建立索結構的初始力學計算基準模型A。(例如有限元基準模型，在本發明中A。是不變的)。索結構「初始健康狀態向量記為d。」 (如式(1)所示)，用d0表示索結構(用索結構的初始力學計算基準模型A。表示)的健康狀態。da =[rfel 『 · · · · · · rf^J"(1)
式(1)中式//=1，2，3，…….，N)表示A。中的索結構的第i個被評估對象的初始健康狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉杆)，那麼doi表示其初始損傷，doi 為0時表示無損傷，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介於0與100%之間時表示喪失相應比例的承載能力，如果經無損檢測查明該索沒有損傷，那麼doi表示該索與式,.損傷值力學等效的鬆弛，具體鬆弛量的計算方法在後面說明；如果該被評估對象是一個支座的一個角位移分量，那麼it.表示其初始角位移數值。式(1)中Γ表示向量的轉置(後同)。建立索結構初始健康狀態向量(依據式(1)記為式)時，利用索結構完工之時或健康監測系統開始工作之時的索結構的支座角位移的實測數據和設計圖、竣工圖確定索結構初始健康狀態向量式的對應於支座角位移的各元素數值；利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據確定索結構初始健康狀態向量式的對應於索的各元素數值；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，或者可以認為結構初始狀態為無損傷無鬆弛狀態時，向量d0的對應於索的各元素數值取0。
建立索結構的力學計算基準模型A。(例如有限元基準模型)的方法如下 首先在索結構上增加叢( 不小於N-⑴根索，新增加的叢根索的剛度同結構的任意
一根支承索的剛度相比，可以應當小很多，例如小10倍，在結構健康監測過程中將監測這新增加的尾根索的索力。在結構健康監測系統開始工作前實測得到這新增加的叢根索的索力。同時測量得到新增加的叢根索的幾何參數和力學參數，測量得到新增加的尾根索的兩個在索結構上安裝端點的坐標。稱上述信息為新增加的叢根索的所有信息。新增加的叢根索的所有信息已知後，再建立A。。建立A。時，根據已知的新增加的叢根索的所有信息，根據索結構完工之時的索結構的實測數據(包括索結構形狀數據、索力數據、拉杆拉力數據、索結構支座坐標數據、索結構支座角坐標數據、索結構模態數據等實測數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據、索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據)和設計圖、竣工圖，利用力學方法(例如有限元法)建立 A。；如果沒有索結構完工之時的結構的實測數據，那麼就在建立健康監測系統前對結構進行實測，得到索結構的實測數據(包括索結構形狀數據、索力數據、拉杆拉力數據、索結構支座坐標數據、索結構支座角坐標數據、索結構模態數據等實測數據，對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據、索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據)，根據此數據和索結構的設計圖、竣工圖，利用力學方法(例如有限元法)建立A。。不論用何種方法獲得A。，基於A。計算得到的索結構計算數據(對斜拉橋、懸索橋而言是橋的橋型數據、索力數據、橋的模態數據)必須非常接近其實測數據，誤差一般不得大於5%。這樣可保證利用A。計算所得的模擬情況下的應變計算數據、索力計算數據、索結構形狀計算數據和位移計算數據、索結構角度數據等，可靠地接近所模擬情況真實發生時的實測數據。本發明中用被監測量初始向量C；表示索結構的所有被監測量的初始值組成的向量(見式(2))。要求在獲得A。的同時獲得C；。因在前述條件下，基於索結構的計算基準模型計算所得的被監測量可靠地接近於初始被監測量的實測數據，在後面的敘述中，將用同一符號來表示該計算值和實測值。Ce Ce2 · · C·. · CauJ(2)
式(2)中6^.(/=1, 2，3，…….，M; M^JV)是索結構中第J個被監測量的初始量， 該分量依據編號規則對應於特定的第J·個被監測量。r表示向量的轉置(後同)。本發明中用被監測量當前數值向量C是由索結構中所有被監測量的當前值組成的向量(定義見式(3))。C = [Q C1 * · Cj * · · CmJ(3)
式(3)中 .(/=1，2，3，…….，Μ; M^JV)是索結構中第^/個被監測量的當前值， 該分量Cj依據編號規則與Coj對應於同一 「被監測量」。第二步建立索結構被監測量單位變化矩陣」C的方法。在索結構的力學計算基準模型Α。的基礎上進行若干次計算，計算次數數值上等於#。每一次計算假設只有一個被評估對象在原健康狀態(用索結構初始健康狀態向量i/ ^ 表示)的基礎上再增加有單位損傷或單位角位移(本發明稱為健康狀態有單位變化，或簡稱有單位變化)，具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那麼就假設該支承索增加單位損傷(例如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷)，如果該被評估對象是一個支座的一個方向的角位移分量，就假設該支座在該角位移方向增加發生單位角位移(例如 取十萬分之一弧度、十萬分之二弧度、十萬分之三弧度等為單位角位移)，用記錄這一單 位損傷或單位角位移，其中i表示假設增加發生單位損傷或單位角位移的被評估對象的編 號。用「單位損傷或單位角位移向量iV』(如式(4)所示)記錄所有的單位損傷或單位角位 移。每一次計算中出現單位損傷或單位角位移的被評估對象不同於其它次計算中出現單位 損傷或單位角位移的被評估對象，每一次計算都利用力學方法(例如有限元法)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(當假設第i個被監測量有單位損傷或單位角位移時，可用式(5)表示 被監測量計算當前向量^；勺；每一次計算得到被監測量計算當前向量減去被監測量初始向 量後再除以該次計算所假設的單位損傷或單位角位移數值，所得向量就是此條件下(以有 單位損傷或單位角位移的被評估對象的編號為標記)的被監測量變化向量(當第i個被評估 對象有單位損傷或單位角位移時，用表示被監測量變化向量，定義見式(6)，式(6)為 式(5)減去式(2)所得)，被監測量變化向量的每一元素表示由於計算時假定有單位損傷或 單位角位移的那個被評估對象的單位變化而引起的該元素所對應的被監測量的改變量；有 #個被評估對象就有#個被監測量變化向量，由於有個被監測量，所以每個被監測量變化 向量有if個元素，由這#個被監測量變化向量依次組成有個元素的被監測量單位變化 矩陣」」的定義如式(7)所示。
權利要求
1. 一種基於索力監測的識別受損索鬆弛索支座角位移的方法，其特徵在於所述方法包括a.為敘述方便起見，統一稱被評估的支承索和支座角位移分量為被評估對象，設被評估的支承索的數量和支座角位移分量的數量之和為見即被評估對象的數量為# ；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，該編號在後續步驟中將用於生成向量和矩陣；用變量i表示這一編號，i=l, 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小於被評估對象的數量僅僅通過^個支承索的C個索力數據來求解未知的#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，在結構上人為增加叢根索，在結構健康監測過程中將監測這新增加的叢根索的索力；綜合上述被監測量，整個結構共有I根索的I個索力被監測，即有I個被監測量，真01為C與叢之和#不得小於被評估對象的數量#;新增加的叢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；新增加的叢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叢根索出現了損傷或鬆弛，對索結構其他構件的應力、應變、變形的影響微乎其微；新增加的叢根索的橫截面上正應力應當小於其疲勞極限，這些要求可以保證新增加的叢根索不會發生疲勞損傷；新增加的叢根索的兩端應當充分錨固，保證不會出現鬆弛；新增加的叢根索應當得到充分的防腐蝕保護，保證新增加的尾根索不會發生損傷和鬆弛；為方便起見， 將「結構的被監測的所有參量」簡稱為「被監測量」；給I個被監測量連續編號，該編號在後續步驟中將用於生成向量和矩陣；c.利用索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的數據建立初始健康狀態向量 d0O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，向量式的各元素數值取0。d.在建立初始健康狀態向量式的同時，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G ；e.在建立初始健康狀態向量之和被監測量的初始數值向量C；的同時，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^ ；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人；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。；g.在力學計算基準模型A。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」C;h.在結構健康監測過程中，對新增加的叢根索進行無損檢測，從中鑑別出出現損傷或鬆弛的索；i.依據被監測量編號規則，從被監測量初始向量G中去除步驟h中鑑別出的出現損傷或鬆弛的索對應的元素；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」C中去除步驟h中鑑別出的出現損傷或鬆弛的索對應的行；k.實測得到索結構的所有支承索的當前索力，組成當前索力向量廠；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廣』;然後從被監測量的當前數值向量C中去除步驟h中鑑別出的出現損傷或鬆弛的索對應的元素；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；.1.定義待求的被評估對象當前健康狀態向量之和當前實際健康狀態向量向量式、 dc和d的元素個數等於被評估對象的數量，式、之和d的元素和被評估對象之間是一一對應關係，d0、dc和d的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或角位移、或與鬆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^同「被監測量的初始數值向量C；」、「索結構被監測量單位變化矩陣」C,,和「被評估對象當前健康狀態向量之」間存在的近似線性關係，該近似線性關係可表達為式1，式1中除之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之；
2.根據權利要求1所述的基於索力監測的識別受損索鬆弛索支座角位移的方法，其特徵在於在步驟g中，在力學計算基準模型A。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」C的具體方法為gl.在索結構的力學計算基準模型A。的基礎上進行若干次力學計算，計算次數數值上等於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角位移，為敘述方便本發明合稱單位損傷和單位角位移為單位變化；具體的，如果該被評估對象是索系統中的一根支承索，那麼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角位移分量，就假設該支座在該角位移方向在原有健康狀態的基礎上再增加發生單位角位移，用久,.記錄這一單位損傷或單位角位移，其中i表示發生單位損傷或單位角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角位移的被評估對象不同於其它次計算中出現單位損傷或單位角位移的被評估對象，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後再除以該次計算所假設的單位損傷或單位角位移數值，得到一個被監測量變化向量，有#個被評估對象就有#個被監測量變化向量；g3.由這#個被監測量變化向量依次組成有#列的索結構被監測量單位變化矩陣」C ； 索結構被監測量單位變化矩陣」C的每一列對應於一個被監測量變化向量。
全文摘要
基於索力監測的識別受損索鬆弛索支座角位移的方法，該方法基於索力監測，即對全部支承索和人為增加的索的索力進行監測，根據索結構的設計圖、竣工圖和索結構的實測數據等建立索結構的力學計算基準模型，在力學計算基準模型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。依據被監測量的當前數值向量同被監測量初始向量、索結構被監測量單位變化矩陣和待求的被評估對象當前健康狀態向量間存在的近似線性關係，可以識別出索結構的健康狀態的變化，即識別出支座角位移、受損索和鬆弛索。
文檔編號G01L5/04GK102297783SQ20111012276
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者劉娟, 韓玉林 申請人:東南大學