[发明专利]一种基于索力监测的索结构健康监测方法

摘要

一种基于索力监测的索结构健康监测方法，该方法基于索力监测，即对全部支承索和人为增加的索的索力进行监测，根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据等建立索结构的力学计算基准模型，在力学计算基准模型的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵。依据被监测量的当前数值向量同被监测量初始向量、索结构被监测量单位变化矩阵和待求的被评估对象当前健康状态向量间存在的近似线性关系，可以识别出索结构的健康状态的变化，即识别出支座位移、受损索和松弛索。

主权项

一种基于索力监测的索结构健康监测方法，其特征在于所述方法包括：a.称被评估的支承索和支座位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座位移分量的数量之和为N，即被评估对象的数量为N；确定被评估对象的编号规则，按此规则将索结构中所有的被评估对象编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；本发明用变量i表示这一编号，i＝1，2，3，...，N；b.设索系统中共有Q根支承索，结构索力数据包括这Q根支承索的索力，显然Q小于被评估对象的数量N；仅仅通过Q个支承索的Q个索力数据来求解未知的N个被评估对象的状态是不可能的，在监测全部Q根支承索索力的基础上，在结构上人为增加M2根索，在结构健康监测过程中将监测这新增加的M2根索的索力；综合上述被监测量，整个结构共有M根索的M个索力被监测，即有M个被监测量，其中M为Q与M2之和；M不得小于被评估对象的数量N；新增加的M2根索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，应当小得多；新增加的M2根索的索力应当比索结构的任意一根支承索的索力小得多，这样可以保证即使这新增加的M2根索出现了损伤或松弛，对索结构其他构件的应力、应变、变形的影响微乎其微；新增加的M2根索的横截面上正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的M2根索不会发生疲劳损伤；新增加的M2根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的M2根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M2根索不会发生损伤和松弛；将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；给M个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；c.利用索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据建立初始健康状态向量do。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，向量do的各元素数值取0。d.在建立初始健康状态向量do的同时，直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量的初始数值向量Co；e.在建立初始健康状态向量do和被监测量的初始数值向量Co的同时，直接测量计算得到所有支承索的初始索力，组成初始索力向量Fo；同时，依据结构设计数据、竣工数据得到所有支承索的初始自由长度，组成初始自由长度向量lo；同时，依据结构设计数据、竣工数据或实测得到索结构的初始几何数据；同时，实测或根据结构设计、竣工资料得到所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积；f.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据、索的无损检测数据和初始索结构支座坐标数据建立索结构的力学计算基准模型Ao；g.在力学计算基准模型Ao的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构被监测量单位变化矩阵ΔC；h.在结构健康监测过程中，对新增加的M2根索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的索；i.依据被监测量编号规则，从被监测量初始向量Co中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素； j.依据被监测量编号规则，从索结构被监测量单位变化矩阵ΔC中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；k.实测得到索结构的所有支承索的当前索力，组成当前索力向量F；同时，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C”；然后从被监测量的当前数值向量C中去除步骤h中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；实测计算得到所有支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离；l.定义待求的被评估对象当前健康状态向量dc和当前实际健康状态向量d；向量do、dc和d的元素个数等于被评估对象的数量，do、dc和d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，do、dc和d的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或位移、或与松弛程度力学等效的损伤程度；m.依据“被监测量的当前数值向量C”同“被监测量的初始数值向量Co”、“索结构被监测量单位变化矩阵ΔC”和“被评估对象当前健康状态向量dc”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dc外的其它量均为已知，求解式1就可以算出被评估对象当前健康状态向量dc；C＝Co+ΔC·dc                        式1n.利用式2表达的当前实际健康状态向量d的元素dj同初始健康状态向量do的元素doj和被评估对象当前健康状态向量dc的元素dcj间的关系，计算得到当前实际健康状态向量d的所有元素。di＝1-(1-doi)(1-dci)                式2式2中i＝1，2，3，……，N；由于当前实际健康状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的当前实际健康状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索，那么该元素表示其当前实际损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个位移分量，那么该元素表示其当前位移数值；当前实际健康状态向量d的元素数值为0时，表示对应的支承索无损伤无松弛、或对应的支座位移分量为0，不为0的元素对应于有问题的支承索或有位移的支座；由此确定了有问题的支承索，确定了支座位移；o.从步骤n中识别出的有问题的支承索中通过无损检测方法鉴别出受损索，剩下的就是松弛索；p.从当前实际健康状态向量d中取出支承索对应的元素组成支承索当前实际健康状态向量dc，支承索当前实际健康状态向量dc有Q个元素，表示Q根支承索的当前实际损伤值，dc元素的编号规则与向量Fo的编号规则相同，即dc和Fo相同编号的元素表示相同支承索的信息；q.利用在步骤p获得的支承索当前实际健康状态向量dc得到松弛索的当前实际损伤程度，利用在步骤k获得的当前索力向量F，利用在步骤k获得的所有支承索的两个支承端点的空间坐标，利用在步骤e获得的初始自由长度向量lo，利用在步骤e获得的所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积数据，通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、与当前实际损伤程度等效的松弛程度，等效的力学条件是：一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数、密度及材料的力学特性参数相同；二、松弛或损伤后，两等效的松弛索和 损伤索的索力和变形后的总长相同；满足上述两个等效条件时，这样的两根支承索在结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受损索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然；依据前述力学等效条件求得那些被判定为松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由长度的改变量，也就是确定了那些需调整索力的支承索的索长调整量；这样就实现了支承索的松弛识别；计算时所需索力由当前索力向量F对应元素给出。