[发明专利]有支座沉降时基于混合监测的索系统的递进式健康监测方法

权利要求书

1.一种有支座沉降时基于混合监测的索系统的递进式健康监测方法，其特征是该方法包括：

a.设共有N根索，首先确定索的编号规则，按此规则将索结构中所有的索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；

b.确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M₁个指定索的M₁个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化；每次共有M₁个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息；M₁是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据可由结构上K₂个指定点的、及每个指定点的L₂个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K₂个指定点的所有被测应变的变化；每次共有M₂个应变测量值或计算值来表征结构应变，M₂为K₂和L₂之积；M₂是不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，结构的被监测的角度数据由结构上K₃个指定点的、过每个指定点的L₃个指定直线的、每个指定直线的H₃个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化；每次共有M₃个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M₃为K₃、L₃和H₃之积；M₃是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的形状数据由结构上K₄个指定点的、及每个指定点的L₄个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K₄个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M₄个坐标测量值或计算值来表征结构形状，M₄为K₄和L₄之积；M₄是一个不小于0的整数；综合上述混合监测的被监测量，整个结构共有M个被监测量，M为M₁、M₂、M₃和M₄之和，定义参量K，K为M₁、K₂、K₃和K₄之和，K和M不得小于索的数量N；由于M个被监测量是不同类型的，所以本方法称为“有支座沉降时的基于混合监测的索系统的递进式健康监测方法”；为方便起见，在本方法中将本步所列出的“混合监测时结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；

c.利用索的无损检测数据建立索系统初始损伤向量d¹_o；如果没有索的无损检测数据及其他能够表达索的健康状态的数据时，或者认为结构初始状态为无损伤状态时，向量d¹_o的各元素数值取0；本步中d¹_o的上标1表示第一次循环，关于循环次数的表示方法在步骤f中具体说明；

d.在建立索系统初始损伤向量d¹_o的同时，直接测量计算得到索结构的所有指定的被监测量，组成“被监测量的初始数值向量C¹_o”；本步中C¹_o的上标1表示第一次循环，关于循环次数的表示方法在步骤f中具体说明；

e.在建立索系统初始损伤向量d¹_o和被监测量的初始数值向量C¹_o的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据，实测得到索结构的初始几何数据；

f.建立索结构的初始力学计算基准模型A_o，建立初始索结构支座坐标向量U_o，建立第一次循环开始时需要的索结构的力学计算基准模型A¹；本步中A¹的上标1表示第一次循环；依据索结构竣工之时的索结构的实测数据，该实测数据包括索结构形状数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据、索的无损检测数据，依据设计图和竣工图，利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型A_o；如果没有索结构竣工之时的结构的实测数据，那么就在建立健康监测系统前对该索结构进行实测，同样得到索结构的实测数据，根据此数据和索结构的设计图、竣工图，同样利用力学方法建立索结构的初始力学计算基准模型A_o；不论用何种方法获得A_o，基于A_o计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据，其间的差异不得大于5％；对应于A_o的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量U_o；A_o和U_o是不变的，只在第一次循环开始时建立；第i次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为Aⁱ，其中i表示循环次数；本方法中的字母i除了表示步骤编号的地方外，字母i仅表示循环次数，即第i次循环；因此第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为A¹，本方法中A¹就等于A_o；为叙述方便，命名“索结构当前力学计算基准模型A^ti_o”，在每一次循环中A^ti_o根据需要会不断更新，每一次循环开始时，A^ti_o等于Aⁱ；同样为叙述方便，命名“索结构实测支座坐标向量U^ti”，在每一次循环中，不断实测获得索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成当前索结构实测支座坐标向量U^ti，向量U^ti的元素与向量U_o相同位置的元素表示相同支座的相同方向的坐标；为叙述方便起见，对于第i次循环，将上一次更新A^ti_o时的索结构支座坐标当前数据记为当前索结构支座坐标向量U^ti_o；第一次循环开始时，A^t1_o等于A¹，U^t1_o等于U_o；

g.实测获得索结构支座坐标当前数据，所有索结构支座坐标当前数据组成当前索结构实测支座坐标向量U^ti，根据当前索结构实测支座坐标向量U^ti，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A^ti_o和当前索结构支座坐标向量U^ti_o；

h.在索结构当前力学计算基准模型A^ti_o的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵ΔCⁱ和名义单位损伤向量Dⁱ_u；

i.实测得到索结构的所有指定被监测量的当前实测数值，组成“被监测量的当前数值向量Cⁱ”，给本步及本步之前出现的所有向量的元素编号时，应使用同一编号规则，这样可以保证本步及本步之前出现的各向量的、编号相同的元素，表示同一被监测量的、对应于该元素所属向量所定义的相关信息；

j.定义索系统当前名义损伤向量dⁱ_c和当前实际损伤向量dⁱ，损伤向量的元素个数等于索的数量，损伤向量的元素和索之间是一一对应关系，损伤向量的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态；

k.依据“被监测量的当前数值向量Cⁱ”同“被监测量的初始数值向量Cⁱ_o”、“单位损伤被监测量变化矩阵ΔCⁱ”和“当前名义损伤向量dⁱ_c”间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除dⁱ_c外的其它量均为已知，求解式1就可以算出当前名义损伤向量dⁱ_c；

Ci=Coi+ΔCi·dci]]>式1

l.利用式2表达的当前实际损伤向量dⁱ同初始损伤向量dⁱ_o和当前名义损伤向量dⁱ_c的元素间的关系，计算得到当前实际损伤向量dⁱ的所有元素；

dji=1-(1-doji)(1-dcji)]]>式2

式2中j＝1，2，3，……，N；

由于当前实际损伤向量dⁱ的元素数值代表对应索的损伤程度，所以根据当前实际损伤向量dⁱ就能确定有哪些索受损及其损伤程度，即实现了索结构中索系统的健康监测；若当前实际损伤向量的某一元素的数值为0，表示该元素所对应的索是完好的，没有损伤的；若其数值为100％，则表示该元素所对应的索已经完全丧失承载能力；若其数值介于0和100％之间，则表示该索丧失了相应比例的承载能力；

m.在求得当前名义损伤向量dⁱ_c后，按照式3建立标识向量Fⁱ，式4给出了标识向量Fⁱ的第j个元素的定义；

Fi=F1iF2i···Fji···FNiT]]>式3

Fji=0,ifdcji<Duji1,ifdcji≥Duji]]>式4

式4中元素Fⁱ_j是标识向量Fⁱ的第j个元素，Dⁱ_uj是名义单位损伤向量Dⁱ_u的第j个元素，dⁱ_cj是索系统当前名义损伤向量dⁱ_c的第j个元素，它们都表示第j根索的相关信息，式4中j＝1，2，3，……，N；

n.如果标识向量Fⁱ的元素全为0，则回到步骤g继续本次循环；如果标识向量Fⁱ的元素不全为0，则进入下一步、即步骤o；

o.根据式5计算得到下一次、即第i+1次循环所需的初始损伤向量dⁱ⁺¹_o的每一个元素dⁱ⁺¹_oj；

doji+1=1-(1-doji)(1-DujiFji)]]>式5

式5中Dⁱ_uj是名义单位损伤向量Dⁱ_u的第j个元素，dⁱ_cj是索系统当前名义损伤向量dⁱ_c的第j个元素，Fⁱ_j是标识向量Fⁱ的第j个元素，式5中j＝1，2，3，……，N；

p.在索结构当前力学计算基准模型A^ti_o的基础上，令索的健康状况为dⁱ⁺¹_o后更新得到下一次、即第i+1次循环所需的力学计算基准模型Aⁱ⁺¹，即对力学计算基准模型进行了更新；

q.通过对力学计算基准模型Aⁱ⁺¹的计算得到对应于模型Aⁱ⁺¹的结构的所有被监测量的数值，这些数值组成下一次、即第i+1次循环所需的被监测量的初始数值向量Cⁱ⁺¹_o；

r.建立下一次、即第i+1次循环所需的索结构当前力学计算基准模型A^ti+1_o，即取A^ti+1_o等于Aⁱ⁺¹；

s.建立下一次、即第i+1次循环所需的当前索结构支座坐标向量U^ti+1_o，即取U^ti+1_o等于U^ti_o；

t.回到步骤g，开始下一次循环；

在步骤g中，根据当前索结构实测支座坐标向量U^ti，在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A^ti_o和当前索结构支座坐标向量U^ti_o的具体方法为：

g1.实测得到当前索结构实测支座坐标向量U^ti后，比较U^ti和U^ti_o，如果U^ti等于U^ti_o，则不需要对A^ti_o进行更新；

g2.实测得到当前索结构实测支座坐标向量U^ti后，比较U^ti和U^ti_o，如果U^ti不等于U^ti_o，则需要对A^ti_o进行更新，更新方法是：先计算U^ti与U_o的差，U^ti与U_o的差就是当前索结构支座关于在建立A_o时的索结构支座的当前支座位移，用当前支座位移向量V表示支座位移，当前支座位移向量V中的元素与支座位移分量之间是一一对应关系，当前支座位移向量V中一个元素的数值对应于一个指定支座的一个指定方向的位移，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的基础上令索的健康状况为索系统初始损伤向量dⁱ_o，再进一步对A_o中的索结构支座施加当前支座位移约束，当前支座位移约束的数值就取自当前支座位移向量V中对应元素的数值，对A_o中的索结构支座施加当前支座位移约束后，最终得到的就是更新的当前力学计算基准模型A^ti_o，更新A^ti_o的同时，U^ti_o所有元素数值也用U^ti所有元素数值代替，即更新了U^ti_o，这样就得到了正确地对应于A^ti_o的U^ti_o。

2.根据权利要求1所述的有支座沉降时基于混合监测的索系统的递进式健康监测方法，其特征在于在步骤h中，在索结构当前力学计算基准模型A^ti_o的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵ΔCⁱ和名义单位损伤向量Dⁱ_u的具体方法为：

h1.在第i次循环开始时，直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵ΔCⁱ和名义单位损伤向量Dⁱ_u；在其它时刻，当步骤g中对A^ti_o进行更新后，必须按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构单位损伤被监测量变化矩阵ΔCⁱ和名义单位损伤向量Dⁱ_u，如果在步骤g中没有对A^ti_o进行更新，则在此处直接转入步骤i进行后续工作；

h2.在索结构当前力学计算基准模型A^ti_o的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于所有索的数量，有N根索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根索在原有损伤的基础上再增加单位损伤，每一次计算中出现损伤的索不同于其它次计算中出现损伤的索，并且每一次假定有损伤的索的单位损伤值可以不同于其他索的单位损伤值，用“名义单位损伤向量Dⁱ_u”记录所有索的假定的单位损伤，每一次计算得到索结构中所有指定被监测量的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量的计算当前数值向量”；当假设第j根索有单位损伤时，可用Cⁱ_tj表示对应的“被监测量的计算当前数值向量”；在本步骤中给各向量的元素编号时，应同本方法中其它向量使用同一编号规则，这样可以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的元素，表达了同一被监测量或同一对象的相关信息；

h3.每一次计算得到的那个“被监测量的计算当前数值向量Cⁱ_tj”减去“被监测量的初始数值向量Cⁱ_o”得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量δCⁱ_j”；有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”；

h4.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“单位损伤被监测量变化矩阵ΔCⁱ”；“单位损伤被监测量变化矩阵ΔCⁱ”的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”；“单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义损伤向量dⁱ_c和当前实际损伤向量dⁱ的元素编号规则相同。