鬼佬大哥大
  • / 25
  • 下載費用:30 金幣  

精簡索力監測載荷受損索廣義位移識別方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510438199.0

申請日:

2015.07.23

公開號:

CN105067309A

公開日:

2015.11.18

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回IPC(主分類):G01M 99/00申請公布日:20151118|||實質審查的生效IPC(主分類):G01M 99/00申請日:20150723|||公開
IPC分類號: G01M99/00(2011.01)I; G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G01M99/00
申請人: 東南大學
發明人: 韓玉林; 韓佳邑
地址: 211189江蘇省南京市江寧區東南大學路2號
優先權:
專利代理機構: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249 代理人: 楊曉玲
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201510438199.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.08.10|||2015.12.16|||2015.11.18

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

精簡索力監測載荷受損索廣義位移識別方法基于索力監測,通過建立索結構的力學計算基準模型,在此模型的基礎上計算獲得單位損傷被監測量數值變化矩陣。依據被監測量當前數值向量同被監測量初始數值向量、單位損傷被監測量數值變化矩陣和待求的被評估對象當前名義損傷向量間存在的近似線性關系算出被評估對象當前名義損傷向量的非劣解,據此可以識別出核心被評估對象的健康狀態。

權利要求書

1.精簡索力監測載荷受損索廣義位移識別方法,其特征在于所述方法包括:
a.當索結構承受的載荷雖有變化,但索結構正在承受的載荷沒有超出索結
構初始許用載荷時,本方法適用;索結構初始許用載荷指索結構在竣工時的許用
載荷,能夠通過常規力學計算獲得;本方法統一稱被評估的支座廣義位移分量、
支承索和載荷為被評估對象,設被評估的支座廣義位移分量的數量、支承索的數
量和載荷的數量之和為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k表示這一編號,k=1,2,3,…,N;本方法用名稱“核
心被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估的支承索和支座廣義位移分量,
設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數量之和為P,即核心被評估對象的數
量為P,本方法用名稱“次要被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估的載
荷;設索系統中共有M1根支承索,索結構索力數據包括這M1根支承索的索力,
本方法在監測全部M1根支承索索力的基礎上,在索結構上人為增加M2根索,
稱為傳感索,在索結構健康監測過程中將監測這新增加的M2根傳感索的索力;
綜合上述被監測量,整個索結構共有M根索的M個索力被監測,即有M個被監
測量,其中M為M1與M2之和;M應當大于核心被評估對象的數量,M小于被
評估對象的數量;新增加的M2根傳感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根傳感索的各傳感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根傳感索出現
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根傳感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根傳感索不會發生疲勞損傷;新增加的M2根傳感索的兩端應當充分錨
固,保證不會出現松弛;新增加的M2根傳感索應當得到充分的防腐蝕保護,保
證新增加的M2根傳感索不會發生損傷和松弛;為方便起見,在本方法中將“索
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,本
方法用用變量j表示這一編號,j=1,2,3,…,M,該編號在后續步驟中將用于生成
向量和矩陣;在本方法中新增加的M2根傳感索作為索結構的一部分,后文再提
到索結構時,索結構包括增加M2根傳感索前的索結構和新增加的M2根傳感索,
也就是說后文提到索結構時指包括新增加的M2根傳感索的索結構;測量得到新
增加的M2根傳感索的索力的方法同于索結構的M1根支承索的索力的測量方法,
在后文不再一一交代;對索結構的支承索進行任何測量時,同時對新增加的M2
根傳感索進行同樣的測量,在后文不再一一交代;新增加的M2根傳感索除了不
發生損傷和松弛外,對新增加的M2根傳感索的信息量的要求和獲得方法與索結
構的支承索的信息量的要求和獲得方法相同,在后文不再一一交代;在后文建立
索結構的各種力學模型時,將新增加的M2根傳感索視同索結構的支承索對待;
在后文中,除了提到支承索的損傷和松弛的場合外,當提到支承索時所說的支承
索包括索結構的支承索和新增加的M2根傳感索;物體、結構承受的外力可稱為
載荷,載荷包括面載荷和體積載荷;面載荷又稱表面載荷,是作用于物體表面的
載荷,包括集中載荷和分布載荷兩種;體積載荷是連續分布于物體內部各點的載
荷,包括物體的自重和慣性力在內;集中載荷分為集中力和集中力偶兩種,在包
括笛卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個集中力可以分解成三個分量,同樣的,
一個集中力偶也可以分解成三個分量,如果載荷實際上是集中載荷,在本方法中
將一個集中力分量或一個集中力偶分量計為或統計為一個載荷,此時載荷的變化
具體化為一個集中力分量或一個集中力偶分量的變化;分布載荷分為線分布載荷
和面分布載荷,分布載荷的描述至少包括分布載荷的作用區域和分布載荷的大小,
分布載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用分布特征和幅值來表達;如果載
荷實際上是分布載荷,本方法談論載荷的變化時,實際上是指分布載荷分布集度
的幅值的改變,而所有分布載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的;在
包括笛卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個分布載荷可以分解成三個分量,如
果這分布載荷的三個分量的各自的分布集度的幅值發生變化,且變化的比率不全
部相同,那么在本方法中把這分布載荷的三個分量計為或統計為三個分布載荷,
此時一個載荷就代表分布載荷的一個分量;體積載荷是連續分布于物體內部各點
的載荷,體積載荷的描述至少包括體積載荷的作用區域和體積載荷的大小,體積
載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用分布特征和幅值來表達;如果載荷實
際上是體積載荷,在本方法中實際處理的是體積載荷分布集度的幅值的改變,而
所有體積載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的,此時在本方法中提到
載荷的改變時實際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變,此時,發生變化的
載荷是指那些分布集度的幅值發生變化的體積載荷;在包括笛卡爾直角坐標系在
內的坐標系中,一個體積載荷可以分解成三個分量,如果這體積載荷的三個分量
的各自的分布集度的幅值發生變化,且變化的比率不全部相同,那么在本方法中
把這體積載荷的三個分量計為或統計為三個分布載荷;
b.測量計算得到初始索結構的實測數據,初始索結構的實測數據是包括索結
構集中載荷測量數據、索結構分布載荷測量數據、索結構體積載荷測量數據、索
結構支座初始廣義位移測量數據、所有被監測量的初始數值、所有支承索的初始
索力數據、初始索結構模態數據、初始索結構應變數據、初始索結構幾何數據、
初始索結構支座廣義坐標數據、初始索結構支座廣義坐標數據、初始索結構角度
數據和初始索結構空間坐標數據在內的實測數據,在得到初始索結構的實測數據
的同時,測量計算得到包括支承索的無損檢測數據在內的能夠表達支承索的健康
狀態的數據,此時的能夠表達支承索的健康狀態的數據稱為支承索初始健康狀態
數據;所有被監測量的初始數值組成被監測量初始數值向量Co,被監測量初始
數值向量Co的編號規則與M個被監測量的編號規則相同;利用索結構支座初始
廣義位移測量數據、支承索初始健康狀態數據和索結構載荷測量數據建立被評估
對象初始損傷向量do,向量do表示用初始力學計算基準模型Ao表示的索結構的
被評估對象的初始健康狀態;被評估對象初始損傷向量do的元素個數等于N,
do的元素與被評估對象是一一對應關系,向量do的元素的編號規則與被評估對
象的編號規則相同;如果do的某一個元素對應的被評估對象是索系統中的一根
支承索,那么do的該元素的數值代表對應支承索的初始損傷程度,若該元素的
數值為0,表示該元素所對應的支承索是完好的,沒有損傷的,若其數值為100%,
則表示該元素所對應的支承索已經完全喪失承載能力,若其數值介于0和100%
之間,則表示該支承索喪失了相應比例的承載能力;如果do的某一個元素對應
的被評估對象是某一個支座的某一個廣義位移分量,那么do的該元素的數值代
表這個支座的該廣義位移分量的初始數值;如果do的某一個元素對應的被評估
對象是某一個載荷,本方法中取do的該元素數值為0,代表這個載荷的變化的初
始數值為0;如果沒有索結構支座初始廣義位移測量數據或者可以認為索結構支
座初始廣義位移為0時,向量do中與索結構支座廣義位移相關的各元素數值取0;
如果沒有支承索的無損檢測數據及其他能夠表達支承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松弛狀態時,向量do中與支承索相關的各
元素數值取0;初始索結構支座廣義坐標數據指索結構設計狀態下的支座廣義坐
標數據,索結構支座初始廣義位移測量數據指在建立初始力學計算基準模型Ao
時,索結構支座相對于索結構設計狀態下的支座所發生的廣義位移;在測量計算
得到初始索結構的實測數據的同時,實測或查資料得到索結構所使用的各種材料
的物理和力學性能參數;
c.根據索結構的設計圖、竣工圖和初始索結構的實測數據、支承索初始健
康狀態數據、索結構支座初始廣義位移測量數據、索結構集中載荷測量數據、索
結構分布載荷測量數據、索結構體積載荷測量數據、索結構所使用的各種材料的
物理和力學性能參數和前面步驟得到的所有的索結構數據,建立索結構的初始力
學計算基準模型Ao,基于Ao計算得到的索結構計算數據必須非常接近其實測數
據,其間的差異不得大于5%;對應于Ao的被評估對象健康狀態用被評估對象初
始損傷向量do表示;對應于Ao的所有被監測量的初始數值用被監測量初始數值
向量Co表示;To和do是Ao的參數,由Ao的力學計算結果得到的所有被監測量
的初始數值與Co表示的所有被監測量的初始數值相同,因此也可以說Co由Ao
的力學計算結果組成;
d.從這里進入由第d步到第k步的循環;在結構服役過程中,不斷對新增
加的M2根傳感索進行無損檢測,從中鑒別出出現損傷或松弛的傳感索,依據被
監測量編號規則,從本方法之前出現的按照被監測量編號規則編號的各向量中去
除與鑒別出的出現損傷或松弛的傳感索對應的元素,在本方法之后出現的各向量
和矩陣中也不再出現與鑒別出的出現損傷或松弛的傳感索對應的元素,在本方法
之后提到傳感索時不再包括這里被鑒別出出現損傷或松弛的傳感索,在本方法之
后提到被監測量時不再包括這里被鑒別出出現損傷或松弛的傳感索的索力;從索
結構上鑒別出幾根出現損傷或松弛的傳感索,就將M2和M減小同樣的數量;
e.在初始力學計算基準模型Ao的基礎上按照步驟e1至e3進行若干次力學
計算,通過計算獲得索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和被評估對象單
位變化向量Du;
e1.在索結構的初始力學計算基準模型Ao的基礎上進行若干次力學計算,計
算次數數值上等于所有被評估對象的數量N,有N個評估對象就有N次計算;
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
象在原有損傷或廣義位移或載荷的基礎上再增加單位損傷或單位廣義位移或載
荷單位變化,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
該支承索在向量do表示的該支承索已有損傷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廣義位移分量,就假設該支座在該位移方向
再增加單位廣義位移,如果該被評估對象是一個載荷,就假設該載荷在向量do
表示的該載荷已有變化量的基礎上再增加載荷單位變化,用Duk記錄這一增加的
單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化,其中k表示增加單位損傷或單位廣義
位移或載荷單位變化的被評估對象的編號,Duk是被評估對象單位變化向量Du
的一個元素,被評估對象單位變化向量Du的元素的編號規則與向量do的元素的
編號規則相同;每一次計算中增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化的被
評估對象不同于其它次計算中增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化的
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,被監測量計算當前向量的元素編號規則與被監測量初始數值向量Co的元素
編號規則相同;
e2.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數值向量
Co得到一個向量,再將該向量的每一個元素都除以該次計算所假設的單位損傷
或單位廣義位移或載荷單位變化數值,得到一個被監測量單位變化向量,有N
個被評估對象就有N個被監測量單位變化向量;
e3.由這N個被監測量單位變化向量按照N個被評估對象的編號規則,依次
組成有N列的索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC;索結構單位損傷被監
測量數值變化矩陣ΔC的每一列對應于一個被監測量單位變化向量;索結構單位
損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的每一行對應于同一個被監測量在不同被評估對
象增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化時的不同的單位變化程度;索結
構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的列的編號規則與向量do的元素的編號規
則相同,索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的行的編號規則與M個被監
測量的編號規則相同;
f.實測得到索結構的所有被監測量的當前實測數值,組成被監測量當前數值
向量C;被監測量當前數值向量C和被監測量初始數值向量Co的定義方式相同,
兩個向量的相同編號的元素表示同一被監測量在不同時刻的具體數值;
g.定義被評估對象當前名義損傷向量d,被評估對象當前名義損傷向量d
的元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前名義損傷向量d的元素和被
評估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前名義損傷向量d的元素數值代表
對應被評估對象的名義損傷程度或名義廣義位移或名義載荷變化量;向量d的元
素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;
h.依據被監測量當前數值向量C同被監測量初始數值向量Co、索結構單位
損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和待求的被評估對象當前名義損傷向量d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名義損傷向量d;
C=Co+ΔC·d式1
i.定義被評估對象當前實際損傷向量da,被評估對象當前實際損傷向量da
的元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前實際損傷向量da的元素和
被評估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前實際損傷向量da的元素數值
代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際廣義位移或實際載荷變化量;向量
da的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;
j.利用式2表達的被評估對象當前實際損傷向量da的第k個元素dak同被評
估對象初始損傷向量do的第k個元素dok和被評估對象當前名義損傷向量d的第
k個元素dk間的關系,計算得到被評估對象當前實際損傷向量da的所有元素;

式2中k=1,2,3,.......,N,dak表示第k個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支承索,那么dak表示其當前實際損傷,dak
為0時表示無損傷,為100%時表示該支承索徹底喪失承載能力,介于0與100%
之間時表示喪失相應比例的承載能力;如果該被評估對象是一個支座的一個廣
義位移分量,那么dak表示其當前實際廣義位移數值;如果該被評估對象是一個
載荷,那么dak表示該載荷的實際變化量;所以根據被評估對象當前實際損傷向
量da能夠確定有哪些支承索受損及其損傷程度,確定有哪些支座發生了廣義位
移及其數值,確定有哪些載荷發生了變化及其變化的數值;至此本方法實現了
剔除支座廣義位移和載荷變化的影響的、索結構的受損索識別,實現了剔除載
荷變化和支承索健康狀態變化影響的、支座廣義位移的識別,實現了剔除支座
廣義位移和支承索健康狀態變化影響的、載荷變化量的識別;至此本方法以一
種有效的、廉價的方法實現了核心被評估對象的健康狀態的準確識別;對次要
被評估對象的健康狀態的識別結果偏離準確值較多,因此不予采信,在本方法
中僅要求正確識別核心被評估對象的健康狀態;
k.回到第d步,開始由第d步到第k步的下一次循環。

說明書

精簡索力監測載荷受損索廣義位移識別方法

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、拉桿等等,該類結構的共同點是以索、纜
或僅承受拉伸載荷的桿件為支承部件,為方便起見,本方法將該類結構表述為“索
結構”,并將索結構的所有承載索、承載纜,及所有僅承受軸向拉伸或軸向壓縮
載荷的桿件(又稱為二力桿件),為方便起見統一稱為“索系統”,本方法中用“支
承索”這一名詞指稱承載索、承載纜及僅承受軸向拉伸或軸向壓縮載荷的桿件,
有時簡稱為“索”,所以在后面使用“索”這個字的時候,對桁架結構實際就是
指二力桿件。在結構服役過程中,對支承索或索系統的健康狀態的正確識別關系
到整個索結構的安全。在支承索受損時,在索結構服役過程中,索結構支座可能
發生廣義位移,索結構承受的載荷也可能同時發生變化,實際上即使索結構的健
康狀態不發生變化,索結構承受的載荷也可能單獨發生變化,在這種復雜條件下,
本方法基于索力監測(本方法將被監測的索力稱為“被監測量”)來識別支座廣
義位移和受損索,屬工程結構健康監測領域。

背景技術

剔除載荷變化、索結構支座廣義位移對索結構健康狀態識別結果的影響,
從而準確地識別結構的健康狀態的變化,是目前迫切需要解決的問題;剔除載荷
變化、索結構健康狀態變化對索結構支座廣義位移識別結果的影響,從而準確地
識別索結構支座廣義位移,也是目前迫切需要解決的問題;本方法公開了一種解
決這兩個問題的有效的、廉價的方法。

發明內容

技術問題:本方法公開了一種方法,在造價更低的條件下,實現了兩種功
能,分別是,一、剔除支座廣義位移和載荷變化對索結構健康狀態識別結果的影
響,從而準確地識別出支承索的健康狀態;二、本方法還能夠剔除載荷變化和索
結構健康狀態變化對索結構支座廣義位移識別結果的影響,從而準確地識別索結
構支座廣義位移。

技術方案:本方法由三部分組成。分別是建立結構健康監測系統所需的知識
庫和參量的方法、基于知識庫(含參量)和實測被監測量的結構健康狀態評估方
法、健康監測系統的軟件和硬件部分。

在本方法中,用“支座空間坐標”指稱支座關于笛卡爾直角坐標系的X、Y、
Z軸的坐標,也可以說成是支座關于X、Y、Z軸的空間坐標,支座關于某一個
軸的空間坐標的具體數值稱為支座關于該軸的空間坐標分量,本方法中也用支座
的一個空間坐標分量表達支座關于某一個軸的空間坐標的具體數值;用“支座角
坐標”指稱支座關于X、Y、Z軸的角坐標,支座關于某一個軸的角坐標的具體
數值稱為支座關于該軸的角坐標分量,本方法中也用支座的一個角坐標分量表達
支座關于某一個軸的角坐標的具體數值;用“支座廣義坐標”指稱支座角坐標和
支座空間坐標全體,本方法中也用支座的一個廣義坐標分量表達支座關于一個軸
的空間坐標或角坐標的具體數值;支座關于X、Y、Z軸的坐標的改變稱為支座
線位移,也可以說支座空間坐標的改變稱為支座線位移,本方法中也用支座的一
個線位移分量表達支座關于某一個軸的線位移的具體數值;支座關于X、Y、Z
軸的角坐標的改變稱為支座角位移,本方法中也用支座的一個角位移分量表達支
座關于某一個軸的角位移的具體數值;支座廣義位移指稱支座線位移和支座角位
移全體,本方法中也用支座的一個廣義位移分量表達支座關于某一個軸的線位移
或角位移的具體數值;支座線位移也可稱為平移位移,支座沉降是支座線位移或
平移位移在重力方向的分量。

物體、結構承受的外力可稱為載荷,載荷包括面載荷和體積載荷。面載荷又
稱表面載荷,是作用于物體表面的載荷,包括集中載荷和分布載荷兩種。體積載
荷是連續分布于物體內部各點的載荷,如物體的自重和慣性力。

集中載荷分為集中力和集中力偶兩種,在坐標系中,例如在笛卡爾直角坐標
系中,一個集中力可以分解成三個分量,同樣的,一個集中力偶也可以分解成三
個分量,如果載荷實際上是集中載荷,在本方法中將一個集中力分量或一個集中
力偶分量稱為一個載荷,此時載荷的變化具體化為一個集中力分量或一個集中力
偶分量的變化。

分布載荷分為線分布載荷和面分布載荷,分布載荷的描述至少包括分布載荷
的作用區域和分布載荷的大小,分布載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用
分布特征(例如均布、正弦函數等分布特征)和幅值來表達(例如兩個分布載荷
都是均布,但其幅值不同,可以均布壓力為例來說明幅值的概念:同一個結構承
受兩個不同的均布壓力,兩個分布載荷都是均布載荷,但一個分布載荷的幅值是
10MPa,另一個分布載荷的幅值是50MPa)。如果載荷實際上是分布載荷,本方
法談論載荷的變化時,實際上是指分布載荷分布集度的幅值的改變,而分布載荷
的作用區域和分布集度的分布特征是不變的。在坐標系中,一個分布載荷可以分
解成若干個分量,如果這分布載荷的若干個分量的各自的分布集度的幅值發生變
化,且變化的比率不全部相同,那么在本方法中把這若干個分布載荷的分量看成
同樣數量的獨立的分布載荷,此時一個載荷就代表一個分布載荷的分量,也可以
將其中分布集度的幅值變化比率相同的分量合成為一個分布載荷或稱為一個載
荷。

體積載荷是連續分布于物體內部各點的載荷,如物體的自重和慣性力,體積
載荷的描述至少包括體積載荷的作用區域和體積載荷的大小,體積載荷的大小用
分布集度來表達,分布集度用分布特征(例如均布、線性函數等分布特征)和幅
值來表達(例如兩個體積載荷都是均布,但其幅值不同,可以自重為例來說明幅
值的概念:同一個結構的兩個部分的材料不同,故密度不同,所以雖然這兩個部
分所受的體積載荷都是均布的,但一個部分所受的體積載荷的幅值可能是
10kN/m3,另一個部分所受的體積載荷的幅值是50kN/m3)。如果載荷實際上是
體積載荷,在本方法中實際處理的是體積載荷分布集度的幅值的改變,而體積載
荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的,此時在本方法中提到載荷的改變
時實際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變,此時,發生變化的載荷是指那
些分布集度的幅值發生變化的體積載荷。在坐標系中,一個體積載荷可以分解成
若干個分量(例如在笛卡爾直角坐標系中,體積載荷可以分解成關于坐標系的三
個軸的分量,也就是說,在笛卡爾直角坐標系中體積載荷可以分解成三個分量),
如果這體積載荷的若干個分量的各自的分布集度的幅值發生變化,且變化的比率
不全部相同,那么在本方法中把這若干個體積載荷的分量看成同樣數量的獨立的
載荷,也可以將其中分布集度的幅值變化比率相同的體積載荷分量合成為一個體
積載荷或稱為一個載荷。

當載荷具體化為集中載荷時,在本方法中,“載荷單位變化”實際上是指“集
中載荷的單位變化”,類似的,“載荷變化”具體指“集中載荷的大小的變化”,
“載荷變化量”具體指“集中載荷的大小的變化量”,“載荷變化程度”具體指“集
中載荷的大小的變化程度”,“載荷的實際變化量”是指“集中載荷的大小的實際
變化量”,“發生變化的載荷”是指“大小發生變化的集中載荷”,簡單地說,此
時“某某載荷的某某變化”是指“某某集中載荷的大小的某某變化”。

當載荷具體化為分布載荷時,在本方法中,“載荷單位變化”實際上是指“分
布載荷的分布集度的幅值的單位變化”,而分布載荷的分布特征是不變的,類似
的,“載荷變化”具體指“分布載荷的分布集度的幅值的變化”,而分布載荷的分
布特征是不變的,“載荷變化量”具體指“分布載荷的分布集度的幅值的變化量”,
“載荷變化程度”具體指“分布載荷的分布集度的幅值的變化程度”,“載荷的實
際變化量”具體指“分布載荷的分布集度的幅值的實際變化量”,“發生變化的載
荷”是指“分布集度的幅值發生變化的分布載荷”,簡單地說,此時“某某載荷
的某某變化”是指“某某分布載荷的分布集度的幅值的某某變化”,而所有分布
載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的。

當載荷具體化為體積載荷時,在本方法中,“載荷單位變化”實際上是指“體
積載荷的分布集度的幅值的單位變化”,類似的,“載荷變化”是指“體積載荷的
分布集度的幅值的變化”,“載荷變化量”是指“體積載荷的分布集度的幅值的變
化量”,“載荷變化程度”是指“體積載荷的分布集度的幅值的變化程度”,“載荷
的實際變化量”是指“體積載荷的分布集度的幅值的實際變化量”,“發生變化的
載荷”是指“分布集度的幅值發生變化的體積載荷”,簡單地說,“某某載荷的某
某變化”是指“某某體積載荷的分布集度的幅值的某某變化”,而所有體積載荷
的作用區域和分布集度的分布特征是不變的。

首先確認索結構承受的可能發生變化的載荷的數量。根據索結構所承受的載
荷的特點,確認其中“所有可能發生變化的載荷”,或者將所有的載荷視為“所
有可能發生變化的載荷”,設共有JZW個可能發生變化的載荷,即共有JZW個
次要被評估對象。

設索結構的支座廣義位移分量的數量、索結構的支承索的數量和JZW個“所
有可能發生變化的載荷”的數量之和為N,即共有N個被評估對象。給被評估對
象連續編號,該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣。

設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數量之和為P,即核心被評估對象
的數量為P,設被評估的支座廣義位移分量的數量為Z,設被評估的支承索的數
量為M1,結構索力數據包括這M1根支承索的索力,本方法在監測全部M1根支
承索索力的基礎上,增加M2個其他被監測量。

增加的M2個其他被監測量仍然是索力,敘述如下:

在結構健康檢測系統開始工作前,先在索結構上人為增加M2(M2不小于Z+4)
根索,稱為傳感索,新增加的M2根傳感索的剛度同索結構的任意一根支承索的
剛度相比,應當小很多,例如小20倍,新增加的M2根傳感索的索力應當較小,
例如其橫截面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根傳
感索不會發生疲勞損傷,新增加的M2根傳感索的兩端應當充分錨固,保證不會
出現松弛,新增加的M2根傳感索應當得到充分的防腐蝕保護,保證新增加的
M2根傳感索不會發生損傷和松弛,在結構健康監測過程中將監測這新增加的M2
根傳感索的索力。

還可以采用多增加傳感索的方式來保證健康監測的可靠性,例如使M2不小
于Z+8,在結構健康監測過程中只挑選其中的完好的傳感索的索力數據(稱為實
際可以使用的被監測量,記錄其數量為K,K不得小于Z+4)和對應的索結構被
監測量單位變化矩陣ΔC進行健康狀態評估。在結構健康監測過程中將監測這新
增加的M2根傳感索的索力。新增加的M2根傳感索應當安裝在結構上、人員易
于到達的部位,便于人員對其進行無損檢測。

在本方法中新增加的M2根傳感索作為索結構的一部分,后文再提到索結構
時,索結構包括增加M2根傳感索前的索結構和新增加的M2根傳感索,也就是
說后文提到索結構時指包括新增加的M2根傳感索的索結構。因此后文提到按照
“本方法的索結構的溫度測量計算方法”測量計算得到“索結構穩態溫度數據”
時,其中的索結構包括新增加的M2根傳感索,得到的“索結構穩態溫度數據”
包括新增加的M2根傳感索的穩態溫度數據,獲得新增加的M2根傳感索的穩態
溫度數據的方法同于索結構的M1根支承索的穩態溫度數據的獲得方法,在后文
不再一一交代;測量得到新增加的M2根傳感索的索力的方法同于索結構的M1
根支承索的索力的測量方法,在后文不再一一交代;對索結構的支承索進行任何
測量時,同時對新增加的M2根傳感索進行同樣的測量,在后文不再一一交代;
新增加的M2根傳感索除了不發生損傷和松弛外,新增加的M2根索的信息量與
索結構的支承索的信息量相同,在后文不再一一交代;新增加的M2根傳感索的
索力就是增加的M2個其他被監測量。在后文建立索結構的各種力學模型時,將
新增加的M2根傳感索視同索結構的M1根支承索對待,除了提到支承索的損傷
和松弛的場合,在其他場合提到支承索時包括新增加的M2根索。

綜合上述被監測量,整個索結構共有M(M=M1+M2)個被監測量,M應當
大于核心被評估對象的數量,M小于被評估對象的數量。

為方便起見,在本方法中將“索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。
本方法用用變量j表示這一編號,j=1,2,3,…,M。

本方法的第一部分:建立結構健康監測系統所需的知識庫和參量的方法。具
體如下:

1.建立索結構的初始力學計算基準模型Ao(例如有限元基準模型)的方法,
建立與Ao對應的被監測量初始數值向量Co的方法。被監測量初始數值向量Co
的編號規則與M個被監測量的編號規則相同。建立Ao和Co的方法如下。

在索結構竣工之時,或者在建立結構健康監測系統前,使用常規方法直接測
量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值,同時使用常規方法(查資料或實
測)得到索結構所使用的各種材料的物理參數和力學性能參數(例如彈性模量、
泊松比),還必須使用常規方法實測計算得到索結構的實測計算數據。索結構的
實測計算數據首先是包括支承索的無損檢測數據在內的能夠表達索的健康狀態
的數據,索結構的實測計算數據還是包括索結構支座初始廣義位移測量數據、索
結構初始幾何數據、索力數據、拉桿拉力數據、初始索結構支座廣義坐標數據、
索結構模態數據、結構應變數據、結構角度測量數據、結構空間坐標測量數據和
載荷數據在內的實測數據。索結構的初始幾何數據可以是所有索的端點的空間坐
標數據加上結構上一系列的點的空間坐標數據,目的在于根據這些坐標數據確定
索結構的幾何特征。索結構支座初始廣義位移測量數據指在建立初始力學計算基
準模型Ao時,索結構支座相對于索結構設計狀態下的支座所發生的廣義位移。
對斜拉橋而言,初始幾何數據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上橋梁兩端
上若干點的空間坐標數據,這就是所謂的橋型數據。“所有可能發生變化的載荷”
的變化量在建立初始力學計算基準模型Ao時全部為0,也就是說后面識別出的
“所有可能發生變化的載荷”的變化量是相對于建立初始力學計算基準模型Ao
時結構所承受的對應載荷的變化量。利用支承索的無損檢測數據等能夠表達支承
索的健康狀態的數據、索結構支座初始廣義位移測量數據以及“所有可能發生變
化的載荷”的變化量數據建立被評估對象初始損傷向量do(如式(1)所示),用
do表示索結構(用初始力學計算基準模型Ao表示)的被評估對象的初始健康狀
態。如果沒有支承索的無損檢測數據及其他能夠表達支承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松弛狀態時,向量do的中與支承索相關
的各元素數值取0。向量do中與載荷的變化量相關的各元素數值取0。如果沒有
索結構支座初始廣義位移測量數據或者可以認為索結構支座初始廣義位移為0
時,向量do的中與索結構支座廣義位移相關的各元素數值取0。利用索結構的設
計圖、竣工圖和初始索結構的實測數據、索結構支座初始廣義位移測量數據、支
承索的無損檢測數據和索結構所使用的各種材料的物理和力學性能參數,利用力
學方法(例如有限元法)建立初始力學計算基準模型Ao。

do=[do1do2···dok···doN]T(1)

式(1)中dok(k=1,2,3,…….,N)表示初始力學計算基準模型Ao中的第k個被評
估對象的初始狀態,如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉桿),那么dok
表示其初始損傷,dok為0時表示無損傷,為100%時表示該索徹底喪失承載能力,
介于0與100%之間時表示喪失相應比例的承載能力;如果該被評估對象是一個支
座的一個廣義位移分量,那么dok表示其初始位移數值;如果該被評估對象是一
個“可能發生變化的載荷”,那么dok表示其初始數值,dok為0,也就是說后面識
別出的“所有可能發生變化的載荷”的變化量是相對于建立初始力學計算基準模
型Ao時結構所承受的對應載荷的變化量。上標T表示向量的轉置(后同)。

在獲得Ao的同時,使用常規方法直接測量計算得到的索結構的所有被監測
量的初始數值,組成被監測量初始數值向量Co(見式(2))。被監測量初始數值
向量Co表示對應于Ao的“被監測量”的具體數值。因在前述條件下,基于索結
構的計算基準模型計算所得的被監測量可靠地接近于初始被監測量的實測數據,
在后面的敘述中,將用同一符號來表示該計算值和實測值。

Co=[Co1Co2···Coj···CoM]T(2)

式(2)中Coj(j=1,2,3,…….,M)是索結構中第j個被監測量的初始量,該分量依
據編號規則對應于特定的第j個被監測量。

不論用何種方法獲得初始力學計算基準模型Ao,基于Ao計算得到的索結構
計算數據必須非常接近其實測數據,誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用Ao
計算所得的模擬情況下的索力計算數據、應變計算數據、索結構形狀計算數據和
位移計算數據、索結構角度數據、索結構空間坐標數據等,可靠地接近所模擬情
況真實發生時的實測數據。模型Ao中被評估對象的健康狀態用被評估對象初始
損傷向量do表示。由于基于Ao計算得到所有被監測量的計算數值非常接近所有
被監測量的初始數值(實測得到),所以也可以用在Ao的基礎上、進行力學計算
得到的、Ao的每一個被監測量的計算數值組成被監測量初始數值向量Co。do是
Ao的參數,也可以說Co由Ao的力學計算結果組成。

索結構中所有被監測量的當前值組成被監測量當前數值向量C(定義見式
(3))。

C=[C1C2···Cj···CM]T(3)

式(3)中Cj(j=1,2,3,…….,M)是索結構中第j個被監測量的當前值,該分量Cj
依據編號規則與Coj對應于同一“被監測量”。在索結構服役過程中不斷實測得到
索結構的所有被監測量的當前實測數值,組成被監測量當前數值向量C。

2.建立索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的方法。

建立索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的具體方法如下:

在索結構的初始力學計算基準模型Ao的基礎上進行若干次計算,計算次數數值
上等于所有被評估對象的數量。每一次計算假設只有一個被評估對象在原有損傷
或廣義位移或載荷(用向量do的對應元素表示)的基礎上再增加單位廣義位移、
單位損傷或載荷單位變化,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有單位損傷(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載荷,就假設該載荷在向量do表示的該載荷已
有變化量的基礎上再增加載荷單位變化(如果該載荷是分布載荷,且該分布載荷
是線分布載荷,載荷單位變化可以取1kN/m、2kN/m、3kN/m或1kNm/m、2kNm/m、
3kNm/m等為單位變化;如果該載荷是分布載荷,且該分布載荷是是面分布載荷,
載荷單位變化可以取1MPa、2MPa、3MPa或1kNm/m2、2kNm/m2、3kNm/m2
等為單位變化;如果該載荷是集中載荷,且該集中載荷是力偶,載荷單位變化可
以取1kNm、2kNm、3kNm等為單位變化;如果該載荷是集中載荷,且該集中
載荷是集中力,載荷單位變化可以取1kN、2kN、3kN等為單位變化;如果該
載荷是體積載荷,載荷單位變化可以取1kN/m3、2kN/m3、3kN/m3等為單位變化),
如果該被評估對象是一個支座的一個方向的廣義位移分量,就假設該支座在該位
移方向在向量do表示的該支座已有廣義位移的基礎上再發生單位廣義位移(例
如如果該被評估對象是一個支座的x方向的線位移分量,就假設該支座在x方向
有單位線位移,例如取1mm,如果該被評估對象是一個支座的繞x軸的角位移
分量,就假設該支座繞x軸有單位角位移,例如取十萬分之一弧度),用Duk記
錄這一單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化,其中k表示發生單位廣義位移、
單位損傷或載荷單位變化的被評估對象的編號。用“被評估對象單位變化向量
Du”(如式(4)所示)記錄所有的單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化。每
一次計算中出現單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化的被評估對象不同于其
它次計算中出現單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化的被評估對象,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k個被評估對象有單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化時,可用
式(5)表示被監測量計算當前向量Ctk);每一次計算得到被監測量計算當前向
量Ctk減去被監測量當前初始數值向量Cto后再除以該次計算所假設的單位廣義
位移、單位損傷或載荷單位變化數值Duk,所得向量就是此條件下(以有單位廣
義位移、單位損傷或載荷單位變化的被評估對象的編號為標記)的被監測量單位
變化向量(當第k個被評估對象有單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化時,
用δCk表示被監測量單位變化向量,定義見式(6)),被監測量單位變化向量的
每一元素表示由于計算時假定有單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化的那個
被評估對象的單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化而引起的該元素所對應的
被監測量的單位改變量;有N個被評估對象就有N個被監測量單位變化向量,
由于有M個被監測量,所以每個被監測量單位變化向量有M個元素,由這N個
被監測量單位變化向量依次組成有M×N個元素的被監測量單位變化矩陣ΔC,ΔC
的定義如式(6)所示。

Du=[Du1Du2···Duk···DuN]T(4)

式(4)中被評估對象單位變化向量Du的元素Duk(k=1,2,3,…….,N)表示第k
個被評估對象的單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化數值。

C t k = C t 1 k C t 2 k · · · C t j k · · · C t M k T - - - ( 5 ) ]]>

式(5)中元素Ctjk(k=1,2,3,…….,N;j=1,2,3,…….,M)表示由于第k個被
評估對象有單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化時,依據編號規則所對應的
第j個被監測量的當前計算量。

δC k = C t k - C o t D u k - - - ( 6 ) ]]>

Δ C = ΔC 1 , 1 ΔC 1 , 2 · ΔC 1 , k · ΔC 1 , N ΔC 2 , 1 ΔC 2 , 2 · ΔC 2 , k · ΔC 2 , N · · · · · · ΔC j , 1 ΔC j , 2 · ΔC j , k · ΔC j , N · · · · · · ΔC M , 1 ΔC M , 2 · ΔC M , k · ΔC M , N - - - ( 7 ) ]]>

式(7)中ΔCj,k(k=1,2,3,…….,N;j=1,2,3,…….,M)表示僅由于第k個被評
估對象有單位廣義位移、單位損傷或載荷單位變化而引起的、依據編號規則所對
應的第j個被監測量的計算當前數值的單位變化(代數值),被監測量單位變化
向量δCk實際上是矩陣ΔC中的一列。

3.被監測量當前數值向量C(計算或實測)同被監測量初始數值向量Co、
單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和被評估對象當前名義損傷向量d間的近似
線性關系,如式(8)或式(9)所示。被評估對象當前名義損傷向量d的定義參
見式(10)。

C=Co+ΔC·d(8)

C-Co=ΔC·d(9)

d=[d1d2···dk···dN]T(10)

式(10)中dk(k=1,2,3,…….,N)是索結構中第k個被評估對象的當前健康狀態,
如果該被評估對象是索系統中的一根索(或拉桿),那么dk表示其當前損傷,dk
為0時表示無損傷,為100%時表示該索徹底喪失承載能力,介于0與100%之間時
表示喪失相應比例的承載能力,如果該被評估對象是一個支座的一個廣義位移分
量,那么dk表示其當前位移數值,如果該被評估對象是一個載荷,那么dk表示其
變化量。

可用式(11)定義的線性關系誤差向量e表示式(8)或式(9)所示線性關
系的誤差。

e=abs(ΔC·d-C+Co)(11)

式(11)中abs()是取絕對值函數,對括號內求得的向量的每一個元素取絕對值。

本方法的第二部分:基于知識庫(含參量)和實測被監測量的結構健康狀態
評估方法。

由于式(8)或式(9)所表示的線性關系存在一定誤差,因此不能簡單根據
式(8)或式(9)和實測被監測量當前數值向量C來直接求解得到被評估對象
當前名義損傷向量d。如果這樣做了,得到的被評估對象當前名義損傷向量d中
的元素甚至會出現較大的負值,也就是負損傷,這明顯是不合理的。因此獲得被
評估對象當前名義損傷向量d的可接受的解(即帶有合理誤差,但可以比較準確
地從索系統中確定受損索的位置及其損傷程度、也可以比較準確地確定載荷變化
數值、也可以比較準確地確定支座廣義位移數值)成為一個合理的解決方法,可
用式(12)來表達這一方法。

abs(ΔC·d-C+Co)≤g(12)

式(12)中abs()是取絕對值函數,向量g描述偏離理想線性關系(式(8)或式(9))
的合理偏差,由式(13)定義。

g=[g1g2···gj···gM]T(13)

式(13)中gj(j=1,2,3,…….,M)描述了偏離式(8)或式(9)所示的理想線性
關系的最大允許偏差。向量g可根據式(11)定義的誤差向量e試算選定。

在被監測量當前初始數值向量Cto、單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC、實
測被監測量當前數值向量C已知時,可以利用合適的算法(例如多目標優化算法)
求解式(12),獲得被評估對象當前名義損傷向量d的可接受的解。

定義被評估對象當前實際損傷向量da(見式(14)),可由da確定被評估對象
的健康狀態。

d a = [ d 1 a d 2 a · · · d k a · · · d N a ] T - - - ( 14 ) ]]>

式(14)中dak(k=1,2,3,…….,N)表示剔除了載荷變化對健康狀態識別結果的
影響后的、第k個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(或拉桿),那么dak表示其當前實際損傷,其定義見式(15),dak為0
時表示無損傷,為100%時表示該索徹底喪失承載能力,介于0與100%之間時表
示喪失相應比例的承載能力;如果該被評估對象是一個支座的一個廣義位移分量,
其定義見式(15),那么dak表示其當前實際廣義位移數值;如果該被評估對象是
一個載荷,其定義見式(15),那么dak表示其相對于建立初始力學計算基準模型
Ao時結構所承受的對應載荷的變化量。向量da的元素的編號規則與式(1)中向
量do的元素的編號規則相同。


式(15)中dok(k=1,2,3,…….,N)是向量do的第k個元素,dk是向量d的第k
個元素。

至此本方法以一種有效的、廉價的方法實現了核心被評估對象的健康狀態
的準確識別。對次要被評估對象的健康狀態的識別結果可能偏離準確值較多,在
本方法中僅要求正確識別核心被評估對象的健康狀態。

本方法的第三部分:健康監測系統的軟件和硬件部分。

硬件部分包括監測系統(包括被監測量監測系統)、信號采集器和計算機等。
要求實時監測每一個被監測量。

軟件應當能夠完成本方法中所需要的、可以用計算機實現的監測、記錄、控
制、存儲、計算、通知、報警等功能。

本方法具體包括:

a.當索結構承受的載荷雖有變化,但索結構正在承受的載荷沒有超出索結
構初始許用載荷時,本方法適用;索結構初始許用載荷指索結構在竣工時的許用
載荷,能夠通過常規力學計算獲得;本方法統一稱被評估的支座廣義位移分量、
支承索和載荷為被評估對象,設被評估的支座廣義位移分量的數量、支承索的數
量和載荷的數量之和為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k表示這一編號,k=1,2,3,…,N;本方法用名稱“核
心被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估的支承索和支座廣義位移分量,
設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數量之和為P,即核心被評估對象的數
量為P,本方法用名稱“次要被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估的載
荷;設索系統中共有M1根支承索,索結構索力數據包括這M1根支承索的索力,
本方法在監測全部M1根支承索索力的基礎上,在索結構上人為增加M2根索,
稱為傳感索,在索結構健康監測過程中將監測這新增加的M2根傳感索的索力;
綜合上述被監測量,整個索結構共有M根索的M個索力被監測,即有M個被監
測量,其中M為M1與M2之和;M應當大于核心被評估對象的數量,M小于被
評估對象的數量;新增加的M2根傳感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根傳感索的各傳感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根傳感索出現
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根傳感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根傳感索不會發生疲勞損傷;新增加的M2根傳感索的兩端應當充分錨
固,保證不會出現松弛;新增加的M2根傳感索應當得到充分的防腐蝕保護,保
證新增加的M2根傳感索不會發生損傷和松弛;為方便起見,在本方法中將“索
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,本
方法用用變量j表示這一編號,j=1,2,3,…,M,該編號在后續步驟中將用于生成
向量和矩陣;在本方法中新增加的M2根傳感索作為索結構的一部分,后文再提
到索結構時,索結構包括增加M2根傳感索前的索結構和新增加的M2根傳感索,
也就是說后文提到索結構時指包括新增加的M2根傳感索的索結構;測量得到新
增加的M2根傳感索的索力的方法同于索結構的M1根支承索的索力的測量方法,
在后文不再一一交代;對索結構的支承索進行任何測量時,同時對新增加的M2
根傳感索進行同樣的測量,在后文不再一一交代;新增加的M2根傳感索除了不
發生損傷和松弛外,對新增加的M2根傳感索的信息量的要求和獲得方法與索結
構的支承索的信息量的要求和獲得方法相同,在后文不再一一交代;在后文建立
索結構的各種力學模型時,將新增加的M2根傳感索視同索結構的支承索對待;
在后文中,除了提到支承索的損傷和松弛的場合外,當提到支承索時所說的支承
索包括索結構的支承索和新增加的M2根傳感索;物體、結構承受的外力可稱為
載荷,載荷包括面載荷和體積載荷;面載荷又稱表面載荷,是作用于物體表面的
載荷,包括集中載荷和分布載荷兩種;體積載荷是連續分布于物體內部各點的載
荷,包括物體的自重和慣性力在內;集中載荷分為集中力和集中力偶兩種,在包
括笛卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個集中力可以分解成三個分量,同樣的,
一個集中力偶也可以分解成三個分量,如果載荷實際上是集中載荷,在本方法中
將一個集中力分量或一個集中力偶分量計為或統計為一個載荷,此時載荷的變化
具體化為一個集中力分量或一個集中力偶分量的變化;分布載荷分為線分布載荷
和面分布載荷,分布載荷的描述至少包括分布載荷的作用區域和分布載荷的大小,
分布載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用分布特征和幅值來表達;如果載
荷實際上是分布載荷,本方法談論載荷的變化時,實際上是指分布載荷分布集度
的幅值的改變,而所有分布載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的;在
包括笛卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個分布載荷可以分解成三個分量,如
果這分布載荷的三個分量的各自的分布集度的幅值發生變化,且變化的比率不全
部相同,那么在本方法中把這分布載荷的三個分量計為或統計為三個分布載荷,
此時一個載荷就代表分布載荷的一個分量;體積載荷是連續分布于物體內部各點
的載荷,體積載荷的描述至少包括體積載荷的作用區域和體積載荷的大小,體積
載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用分布特征和幅值來表達;如果載荷實
際上是體積載荷,在本方法中實際處理的是體積載荷分布集度的幅值的改變,而
所有體積載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的,此時在本方法中提到
載荷的改變時實際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變,此時,發生變化的
載荷是指那些分布集度的幅值發生變化的體積載荷;在包括笛卡爾直角坐標系在
內的坐標系中,一個體積載荷可以分解成三個分量,如果這體積載荷的三個分量
的各自的分布集度的幅值發生變化,且變化的比率不全部相同,那么在本方法中
把這體積載荷的三個分量計為或統計為三個分布載荷;

b.測量計算得到初始索結構的實測數據,初始索結構的實測數據是包括索結
構集中載荷測量數據、索結構分布載荷測量數據、索結構體積載荷測量數據、索
結構支座初始廣義位移測量數據、所有被監測量的初始數值、所有支承索的初始
索力數據、初始索結構模態數據、初始索結構應變數據、初始索結構幾何數據、
初始索結構支座廣義坐標數據、初始索結構支座廣義坐標數據、初始索結構角度
數據和初始索結構空間坐標數據在內的實測數據,在得到初始索結構的實測數據
的同時,測量計算得到包括支承索的無損檢測數據在內的能夠表達支承索的健康
狀態的數據,此時的能夠表達支承索的健康狀態的數據稱為支承索初始健康狀態
數據;所有被監測量的初始數值組成被監測量初始數值向量Co,被監測量初始
數值向量Co的編號規則與M個被監測量的編號規則相同;利用索結構支座初始
廣義位移測量數據、支承索初始健康狀態數據和索結構載荷測量數據建立被評估
對象初始損傷向量do,向量do表示用初始力學計算基準模型Ao表示的索結構的
被評估對象的初始健康狀態;被評估對象初始損傷向量do的元素個數等于N,
do的元素與被評估對象是一一對應關系,向量do的元素的編號規則與被評估對
象的編號規則相同;如果do的某一個元素對應的被評估對象是索系統中的一根
支承索,那么do的該元素的數值代表對應支承索的初始損傷程度,若該元素的
數值為0,表示該元素所對應的支承索是完好的,沒有損傷的,若其數值為100%,
則表示該元素所對應的支承索已經完全喪失承載能力,若其數值介于0和100%
之間,則表示該支承索喪失了相應比例的承載能力;如果do的某一個元素對應
的被評估對象是某一個支座的某一個廣義位移分量,那么do的該元素的數值代
表這個支座的該廣義位移分量的初始數值;如果do的某一個元素對應的被評估
對象是某一個載荷,本方法中取do的該元素數值為0,代表這個載荷的變化的初
始數值為0;如果沒有索結構支座初始廣義位移測量數據或者可以認為索結構支
座初始廣義位移為0時,向量do中與索結構支座廣義位移相關的各元素數值取0;
如果沒有支承索的無損檢測數據及其他能夠表達支承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松弛狀態時,向量do中與支承索相關的各
元素數值取0;初始索結構支座廣義坐標數據指索結構設計狀態下的支座廣義坐
標數據,索結構支座初始廣義位移測量數據指在建立初始力學計算基準模型Ao
時,索結構支座相對于索結構設計狀態下的支座所發生的廣義位移;在測量計算
得到初始索結構的實測數據的同時,實測或查資料得到索結構所使用的各種材料
的物理和力學性能參數;

c.根據索結構的設計圖、竣工圖和初始索結構的實測數據、支承索初始健
康狀態數據、索結構支座初始廣義位移測量數據、索結構集中載荷測量數據、索
結構分布載荷測量數據、索結構體積載荷測量數據、索結構所使用的各種材料的
物理和力學性能參數和前面步驟得到的所有的索結構數據,建立索結構的初始力
學計算基準模型Ao,基于Ao計算得到的索結構計算數據必須非常接近其實測數
據,其間的差異不得大于5%;對應于Ao的被評估對象健康狀態用被評估對象初
始損傷向量do表示;對應于Ao的所有被監測量的初始數值用被監測量初始數值
向量Co表示;To和do是Ao的參數,由Ao的力學計算結果得到的所有被監測量
的初始數值與Co表示的所有被監測量的初始數值相同,因此也可以說Co由Ao
的力學計算結果組成;

d.從這里進入由第d步到第k步的循環;在結構服役過程中,不斷對新增
加的M2根傳感索進行無損檢測,從中鑒別出出現損傷或松弛的傳感索,依據被
監測量編號規則,從本方法之前出現的按照被監測量編號規則編號的各向量中去
除與鑒別出的出現損傷或松弛的傳感索對應的元素,在本方法之后出現的各向量
和矩陣中也不再出現與鑒別出的出現損傷或松弛的傳感索對應的元素,在本方法
之后提到傳感索時不再包括這里被鑒別出出現損傷或松弛的傳感索,在本方法之
后提到被監測量時不再包括這里被鑒別出出現損傷或松弛的傳感索的索力;從索
結構上鑒別出幾根出現損傷或松弛的傳感索,就將M2和M減小同樣的數量;

e.在初始力學計算基準模型Ao的基礎上按照步驟e1至e3進行若干次力學
計算,通過計算獲得索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和被評估對象單
位變化向量Du;

e1.在索結構的初始力學計算基準模型Ao的基礎上進行若干次力學計算,計
算次數數值上等于所有被評估對象的數量N,有N個評估對象就有N次計算;
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
象在原有損傷或廣義位移或載荷的基礎上再增加單位損傷或單位廣義位移或載
荷單位變化,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
該支承索在向量do表示的該支承索已有損傷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廣義位移分量,就假設該支座在該位移方向
再增加單位廣義位移,如果該被評估對象是一個載荷,就假設該載荷在向量do
表示的該載荷已有變化量的基礎上再增加載荷單位變化,用Duk記錄這一增加的
單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化,其中k表示增加單位損傷或單位廣義
位移或載荷單位變化的被評估對象的編號,Duk是被評估對象單位變化向量Du
的一個元素,被評估對象單位變化向量Du的元素的編號規則與向量do的元素的
編號規則相同;每一次計算中增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化的被
評估對象不同于其它次計算中增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化的
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,被監測量計算當前向量的元素編號規則與被監測量初始數值向量Co的元素
編號規則相同;

e2.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數值向量
Co得到一個向量,再將該向量的每一個元素都除以該次計算所假設的單位損傷
或單位廣義位移或載荷單位變化數值,得到一個被監測量單位變化向量,有N
個被評估對象就有N個被監測量單位變化向量;

e3.由這N個被監測量單位變化向量按照N個被評估對象的編號規則,依次
組成有N列的索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC;索結構單位損傷被監
測量數值變化矩陣ΔC的每一列對應于一個被監測量單位變化向量;索結構單位
損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的每一行對應于同一個被監測量在不同被評估對
象增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化時的不同的單位變化程度;索結
構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的列的編號規則與向量do的元素的編號規
則相同,索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的行的編號規則與M個被監
測量的編號規則相同;

f.實測得到索結構的所有被監測量的當前實測數值,組成被監測量當前數值
向量C;被監測量當前數值向量C和被監測量初始數值向量Co的定義方式相同,
兩個向量的相同編號的元素表示同一被監測量在不同時刻的具體數值;

g.定義被評估對象當前名義損傷向量d,被評估對象當前名義損傷向量d
的元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前名義損傷向量d的元素和被
評估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前名義損傷向量d的元素數值代表
對應被評估對象的名義損傷程度或名義廣義位移或名義載荷變化量;向量d的元
素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;

h.依據被監測量當前數值向量C同被監測量初始數值向量Co、索結構單位
損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和待求的被評估對象當前名義損傷向量d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名義損傷向量d;

C=Co+ΔC·d式1

i.定義被評估對象當前實際損傷向量da,被評估對象當前實際損傷向量da
的元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前實際損傷向量da的元素和
被評估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前實際損傷向量da的元素數值
代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際廣義位移或實際載荷變化量;向量
da的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;

j.利用式2表達的被評估對象當前實際損傷向量da的第k個元素dak同被評
估對象初始損傷向量do的第k個元素dok和被評估對象當前名義損傷向量d的第
k個元素dk間的關系,計算得到被評估對象當前實際損傷向量da的所有元素;


式2中k=1,2,3,…….,N,dak表示第k個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支承索,那么dak表示其當前實際損傷,dak
為0時表示無損傷,為100%時表示該支承索徹底喪失承載能力,介于0與100%
之間時表示喪失相應比例的承載能力;如果該被評估對象是一個支座的一個廣
義位移分量,那么dak表示其當前實際廣義位移數值;如果該被評估對象是一個
載荷,那么dak表示該載荷的實際變化量;所以根據被評估對象當前實際損傷向
量da能夠確定有哪些支承索受損及其損傷程度,確定有哪些支座發生了廣義位
移及其數值,確定有哪些載荷發生了變化及其變化的數值;至此本方法實現了
剔除支座廣義位移和載荷變化的影響的、索結構的受損索識別,實現了剔除載
荷變化和支承索健康狀態變化影響的、支座廣義位移的識別,實現了剔除支座
廣義位移和支承索健康狀態變化影響的、載荷變化量的識別;至此本方法以一
種有效的、廉價的方法實現了核心被評估對象的健康狀態的準確識別;對次要
被評估對象的健康狀態的識別結果偏離準確值較多,因此不予采信,在本方法
中僅要求正確識別核心被評估對象的健康狀態;

k.回到第d步,開始由第d步到第k步的下一次循環。

有益效果:結構健康監測系統首先通過使用傳感器對結構響應進行長期在線監測,
獲得監測數據后對其進行在線(或離線)分析得到結構健康狀態數據,由于結構
的復雜性,結構健康監測系統需要使用大量的傳感器等設備進行結構健康監測,
因此其造價通常相當高,因此造價問題是制約結構健康監測技術應用的一個主要
問題。另一方面,核心被評估對象(例如斜拉索)的健康狀態的正確識別是結構
健康狀態的正確識別的不可或缺的組成部分,甚至是其全部,而次要被評估對象
(例如結構承受的載荷)的變化(例如通過斜拉橋的汽車的數量和質量的變化)
的正確識別對索結構的健康狀態的正確識別的影響是微乎其微的,甚至是不需要
的。但是次要被評估對象的數量與核心被評估對象的數量通常是相當的,次要被
評估對象的數量還常常大于核心被評估對象的數量,這樣被評估對象的數量常常
是核心被評估對象的數量的多倍。在次要被評估對象(載荷)發生變化時,為了
準確識別核心被評估對象,常規方法要求被監測量(使用傳感器等設備測量獲得)
的數量必須大于等于被評估對象的數量,當發生變化的次要被評估對象的數量比
較大時(實際上經常如此),結構健康監測系統所需要的傳感器等設備的數量是
非常龐大的,因此結構健康監測系統的造價就會變得非常高,甚至高得不可接受。
發明人研究發現,在次要被評估對象(例如結構承受的正常載荷,結構的正常載
荷是指結構正在承受的載荷不超過按照結構設計書或結構竣工書所限定的結構
許用載荷)變化較小時(對于載荷而言就是結構僅僅承受正常載荷,結構承受的
載荷是否是正常載荷,能夠通過肉眼等方法觀察確定,如果發現結構承受的載荷
不是正常載荷,那么人為去除、移除非正常載荷后,結構就只承受正常載荷了),
它們所引起的結構響應的變化幅度(本說明書稱其為“次要響應”)遠小于核心
被評估對象的變化(例如支承索受損)所引起的結構響應的變化幅度(本說明書
稱其為“核心響應”),次要響應與核心響應之和是結構響應的總變化(本說明書
稱其為“總體響應”),顯然核心響應在總體響應中占據主導地位,基于此,發明
人研究發現在確定被監測量數量時即使選取稍大于核心被評估對象數量、但遠小
于被評估對象數量的數值(本方法就是這樣做的),也就是說即使采用數量相對
少很多的傳感器等設備,仍然可以準確獲得核心被評估對象的健康狀態數據,滿
足結構健康狀態監測的核心需求,因此本方法所建議的結構健康監測系統的造價
顯而易見地比常規方法所要求的結構健康監測系統的造價低很多,也就是說本方
法能夠以造價低得多的條件實現對索結構的核心被評估對象的健康狀態的評估,
這種益處是對結構健康監測技術能否被采用是舉足輕重的。

具體實施方式

本方法的實施例的下面說明實質上僅僅是示例性的,并且目的絕不在于限制
本方法的應用或使用。

第一步:首先確認索結構承受的可能發生變化的載荷的數量。根據索結構所
承受的載荷的特點,確認其中“所有可能發生變化的載荷”,或者將所有的載荷
視為“所有可能發生變化的載荷”,設共有JZW個可能發生變化的載荷,即共有
JZW個次要被評估對象。

設索結構的支座廣義位移分量的數量、索結構的支承索的數量和JZW個“所
有可能發生變化的載荷”的數量之和為N,即共有N個被評估對象。給被評估對
象連續編號,該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣。

設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數量之和為P,即核心被評估對象
的數量為P,設被評估的支座廣義位移分量的數量為Z,設被評估的支承索的數
量為M1,結構索力數據包括這M1根支承索的索力,本方法在監測全部M1根支
承索索力的基礎上,增加M2個其他被監測量。

增加的M2個其他被監測量仍然是索力,敘述如下:

在結構健康監測系統開始工作前,先在索結構上人為增加M2(M2不小于4)
根索,稱為傳感索,新增加的M2根傳感索的剛度同索結構的任意一根支承索的
剛度相比,應當小很多,例如小20倍,新增加的M2根傳感索的索力應當較小,
例如其橫截面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根傳
感索不會發生疲勞損傷,新增加的M2根傳感索的兩端應當充分錨固,保證不會
出現松弛,新增加的M2根傳感索應當得到充分的防腐蝕保護,保證新增加的
M2根傳感索不會發生損傷和松弛,在結構健康監測過程中將監測這新增加的M2
根傳感索的索力。

還可以采用多增加傳感索的方式來保證健康監測的可靠性,例如使M2不小
于8,在結構健康監測過程中只挑選其中的完好的傳感索的索力數據(和支承索
的索力數據一起稱為實際可以使用的被監測量,記錄其數量為K,K不得小于4+
M1)和對應的索結構被監測量單位變化矩陣ΔC進行健康狀態評估。在結構健康
監測過程中將監測這新增加的M2根傳感索的索力。新增加的M2根傳感索應當
安裝在結構上、人員易于到達的部位,便于人員對其進行無損檢測。

在本方法中新增加的M2根傳感索作為索結構的一部分,后文再提到索結構
時,索結構包括增加M2根傳感索前的索結構和新增加的M2根傳感索,也就是
說后文提到索結構時指包括新增加的M2根傳感索的索結構。因此后文提到按照
“本方法的索結構的溫度測量計算方法”測量計算得到“索結構穩態溫度數據”
時,其中的索結構包括新增加的M2根傳感索,得到的“索結構穩態溫度數據”
包括新增加的M2根傳感索的穩態溫度數據,獲得新增加的M2根傳感索的穩態
溫度數據的方法同于索結構的M1根支承索的穩態溫度數據的獲得方法,在后文
不再一一交代;測量得到新增加的M2根傳感索的索力的方法同于索結構的M1
根支承索的索力的測量方法,在后文不再一一交代;對索結構的支承索進行任何
測量時,同時對新增加的M2根傳感索進行同樣的測量,在后文不再一一交代;
新增加的M2根傳感索除了不發生損傷和松弛外,新增加的M2根索的信息量與
索結構的支承索的信息量相同,在后文不再一一交代。在后文建立索結構的各種
力學模型時,將新增加的M2根傳感索視同索結構的M1根支承索對待,除了提
到支承索的損傷和松弛的場合,在其他場合提到支承索時包括新增加的M2根索。

綜合上述被監測量,整個索結構共有M(M=M1+M2)根索的M個被監測量,
M不得小于核心被評估對象的數量加4,M小于被評估對象的數量N。

為方便起見,在本方法中將“索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。
本方法用用變量j表示這一編號,j=1,2,3,…,M。

第二步:建立初始力學計算基準模型Ao。

在索結構竣工之時,或者在建立健康監測系統前,使用常規方法直接測量計
算得到索結構的所有被監測量的初始數值,組成被監測量初始數值向量Co。

在得到被監測量初始數值向量Co的同時,使用常規方法(查資料或實測)
得到索結構所使用的各種材料的物理參數和力學性能參數(例如彈性模量、泊松
比)。

在得到被監測量初始數值向量Co的同時,使用常規方法實測計算得到索結
構的實測計算數據。索結構的實測計算數據包括支承索的無損檢測數據等能夠表
達索的健康狀態的數據、索結構初始幾何數據、索力數據、拉桿拉力數據、初始
索結構支座廣義坐標數據、初始索結構支座廣義坐標數據、索結構支座初始廣義
位移測量數據、索結構集中載荷測量數據、索結構分布載荷測量數據、索結構體
積載荷測量數據、索結構模態數據、結構應變數據、結構角度測量數據、結構空
間坐標測量數據等實測數據。初始索結構支座廣義坐標數據指索結構設計狀態下
的支座廣義坐標數據,索結構支座初始廣義位移測量數據指在建立初始力學計算
基準模型Ao時,索結構支座相對于索結構設計狀態下的支座所發生的廣義位移。
索結構的初始幾何數據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上結構上一系列
的點的空間坐標數據,目的在于根據這些坐標數據確定索結構的幾何特征。對斜
拉橋而言,初始幾何數據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上橋梁兩端上若
干點的空間坐標數據,這就是所謂的橋型數據。利用支承索的無損檢測數據等能
夠表達支承索的健康狀態的數據、索結構支座初始廣義位移測量數據以及索結構
載荷測量數據建立被評估對象初始損傷向量do(如式(1)所示),用do表示索
結構(用初始力學計算基準模型Ao表示)的被評估對象的初始健康狀態。如果
沒有支承索的無損檢測數據及其他能夠表達支承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松弛狀態時,向量do的中與支承索相關的各元
素數值取0;如果沒有索結構支座初始廣義位移測量數據或者可以認為索結構支
座初始廣義位移為0時,向量do的中與索結構支座廣義位移相關的各元素數值
取0;如果do的某一個元素對應的被評估對象是某一個載荷,本方法中取do的
該元素數值為0,代表這個載荷的變化的初始數值為0。利用索結構的設計圖、
竣工圖和初始索結構的實測數據、支承索的無損檢測數據和索結構所使用的各種
材料的物理和力學性能參數,利用力學方法(例如有限元法)建立初始力學計算
基準模型Ao。

不論用何種方法獲得初始力學計算基準模型Ao,基于Ao計算得到的索結構
計算數據必須非常接近其實測數據,誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用Ao
計算所得的模擬情況下的索力計算數據、應變計算數據、索結構形狀計算數據和
位移計算數據、索結構角度數據、索結構空間坐標數據等,可靠地接近所模擬情
況真實發生時的實測數據。模型Ao中支承索的健康狀態用被評估對象初始損傷
向量do表示。由于基于Ao計算得到所有被監測量的計算數值非常接近所有被監
測量的初始數值(實測得到),所以也可以用在Ao的基礎上、進行力學計算得到
的、Ao的每一個被監測量的計算數值組成被監測量初始數值向量Co。對應于Ao
的被評估對象健康狀態用被評估對象初始損傷向量do表示;對應于Ao的所有被
監測量的初始數值用被監測量初始數值向量Co表示。do是Ao的參數,Co由Ao
的力學計算結果組成。

第三步:在索結構服役過程中,實測得到索結構的所有被監測量的當前實測
數值,組成“被監測量當前數值向量C”。

在實測得到被監測量當前數值向量C的同時,對新增加的M2根傳感索進行
無損檢測,例如超聲波探傷、目視檢查、紅外成像檢查,從中鑒別出出現損傷或
松弛的傳感索,依據被監測量編號規則,從本方法之前出現的按照被監測量編號
規則編號的各向量中去除與鑒別出的出現損傷或松弛的傳感索對應的元素,在本
方法之后出現的各向量和矩陣中也不再出現與鑒別出的出現損傷或松弛的傳感
索對應的元素,在本方法之后提到傳感索時不再包括這里被鑒別出出現損傷或松
弛的傳感索,在本方法之后提到被監測量時不再包括這里被鑒別出出現損傷或松
弛的傳感索的索力;從索結構上鑒別出幾根出現損傷或松弛的傳感索,就將M2
和M減小同樣的數量。

第四步:在初始力學計算基準模型Ao的基礎上進行若干次力學計算,通過計算
獲得索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和被評估對象單位變化向量Du。
具體方法為:在索結構的初始力學計算基準模型Ao的基礎上進行若干次力學計
算,計算次數數值上等于所有被評估對象的數量,有N個被評估對象就有N次
計算,每一次計算假設只有一個被評估對象在原有損傷或原有廣義位移分量或載
荷的基礎上再增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化,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向量do表示的該支
承索已有損傷的基礎上再增加單位損傷(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廣義位移分量,就假
設該支座在該位移方向在向量do表示的該支座已有廣義位移的基礎上再發生單
位廣義位移(例如如果該被評估對象是一個支座的x方向的線位移分量,就假設
該支座在x方向有單位線位移,例如取1mm,如果該被評估對象是一個支座的
繞x軸的角位移分量,就假設該支座繞x軸有單位角位移,例如取十萬分之一弧
度),如果該被評估對象是一個載荷,就假設該載荷在向量do表示的該載荷已有
變化量的基礎上再增加載荷單位變化(如果該載荷是分布載荷,且該分布載荷是
線分布載荷,載荷單位變化可以取1kN/m、2kN/m、3kN/m或1kNm/m、2kNm/m、
3kNm/m等為單位變化;如果該載荷是分布載荷,且該分布載荷是是面分布載荷,
載荷單位變化可以取1MPa、2MPa、3MPa或1kNm/m2、2kNm/m2、3kNm/m2
等為單位變化;如果該載荷是集中載荷,且該集中載荷是力偶,載荷單位變化可
以取1kNm、2kNm、3kNm等為單位變化;如果該載荷是集中載荷,且該集中
載荷是集中力,載荷單位變化可以取1kN、2kN、3kN等為單位變化;如果該
載荷是體積載荷,載荷單位變化可以取1kN/m3、2kN/m3、3kN/m3等為單位變化),
用Duk記錄這一單位損傷或載荷單位變化,其中k表示發生單位損傷或單位廣義
位移或發生載荷單位變化的被評估對象的編號;每一次計算中出現單位損傷或單
位廣義位移或載荷單位變化的被評估對象不同于其它次計算中出現單位損傷或
單位廣義位移或載荷單位變化的被評估對象,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C,被監測量計算當前向量的元素編號規則與
被監測量初始數值向量Co的元素編號規則相同;每一次計算得到的被監測量計
算當前向量C減去被監測量初始數值向量Co后再除以該次計算所假設的單位損
傷或單位廣義位移或載荷單位變化數值,得到一個被監測量單位變化向量,有N
個被評估對象就有N個被監測量單位變化向量;由這N個被監測量單位變化向
量依次組成有N列的單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC;單位損傷被監測量數
值變化矩陣的每一列對應于一個被監測量單位變化向量,索結構單位損傷被監測
量數值變化矩陣ΔC的每一行對應于同一個被監測量在不同被評估對象發生單位
損傷或單位廣義位移或載荷單位變化時的不同的單位變化幅度;索結構單位損傷
被監測量數值變化矩陣ΔC的列的編號規則與向量do的元素的編號規則相同,索
結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的行的編號規則與M個被監測量的編號
規則相同。

第五步:建立線性關系誤差向量e和向量g。利用前面的數據(被監測量初
始數值向量Co、單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC),在第四步進行每一次計
算的同時,即在每一次計算假設被評估對象中只有一個被評估對象的增加單位損
傷或單位廣義位移載荷單位變化Duk,每一次計算中增加單位損傷或單位廣義位
移或載荷單位變化的被評估對象不同于其它次計算中增加單位損傷或單位廣義
位移或載荷單位變化的被評估對象,每一次計算都利用力學方法(例如采用有限
元法)計算索結構中所有被監測量的當前數值,每一次計算組成一個被監測量計
算當前向量C的同時,每一次計算組成一個損傷向量d,本步出現的損傷向量d
只在本步使用,損傷向量d的所有元素中只有一個元素的數值取Duk,其它元素
的數值取0,損傷向量d的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;將
C、Cto、ΔC、Du、d帶入式(12),得到一個線性關系誤差向量e,每一次計算得
到一個線性關系誤差向量e;有N個被評估對象就有N次計算,就有N個線性
關系誤差向量e,將這N個線性關系誤差向量e相加后得到一個向量,將此向量
的每一個元素除以N后得到的新向量就是最終的線性關系誤差向量e。向量g等
于最終的誤差向量e。

第六步:安裝索結構健康監測系統的硬件部分。硬件部分至少包括:被監測
量監測系統(例如含索力測量系統、信號調理器等)、信號(數據)采集器、計
算機和通信報警設備。每一個被監測量都必須被監測系統監測到,監測系統將監
測到的信號傳輸到信號(數據)采集器;信號經信號采集器傳遞到計算機;計算
機則負責運行索結構的被評估對象的健康監測軟件,包括記錄信號采集器傳遞來
的信號;當監測到被評估對象健康狀態有變化時,計算機控制通信報警設備向監
控人員、業主和(或)指定的人員報警。

第七步:將被監測量初始數值向量Co、單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC、
被評估對象單位變化向量Du參數以數據文件的方式保存在運行健康監測系統軟
件的計算機硬盤上。

第八步:編制并在計算機上安裝運行本方法系統軟件,該軟件將完成本方法
任務所需要的監測、記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能(即本具體實
施方法中所有可以用計算機完成的工作)

第九步:依據被監測量當前數值向量C同被監測量初始數值向量Co、單位
損傷被監測量數值變化矩陣ΔC、被評估對象單位變化向量Du和被評估對象當前
名義損傷向量d(由所有索當前名義損傷量組成)間存在的近似線性關系(式(8)),
按照多目標優化算法計算被評估對象當前名義損傷向量d的非劣解,也就是帶有
合理誤差、但可以比較準確地反映被評估對象的健康狀態的變化的解。

可以采用的多目標優化算法有很多種,例如:基于遺傳算法的多目標優化、
基于人工神經網絡的多目標優化、基于粒子群的多目標優化算法、基于蟻群算法
的多目標優化、約束法(ConstrainMethod)、加權法(WeightedSumMethod)、
目標規劃法(GoalAttainmentMethod)等等。由于各種多目標優化算法都是常規
算法,可以方便地實現,本實施步驟僅以目標規劃法為例給出求解當前損傷向量
d的過程,其它算法的具體實現過程可根據其具體算法的要求以類似的方式實現。

按照目標規劃法,式(8)可以轉化成式(16)和式(17)所示的多目標優
化問題,式(16)中γ是一個實數,R是實數域,空間區域Ω限制了向量d的每
一個元素的取值范圍(本實施例要求向量d的每一個元素不小于0,不大于1)。
式(16)的意思是尋找一個最小的實數γ,使得式(17)得到滿足。式(17)中
G(d)由式(18)定義,式(17)中加權向量W與γ的積表示式(17)中G(d)與向
量g之間允許的偏差,g的定義參見式(13),其值已在第五步計算得到。實際
計算時向量W可以與向量g相同。目標規劃法的具體編程實現已經有通用程序
可以直接采用。使用目標規劃法就可以求得被評估對象當前名義損傷向量d。

minimizeγ(16)

γ∈R,d∈Ω

G(d)-Wγ≤g(17)

G(d)=abs(ΔC·d-C+Co)(18)

被評估對象當前名義損傷向量d的元素個數等于被評估對象的數量,被評估
對象當前名義損傷向量d的元素和被評估對象之間是一一對應關系,被評估對象
當前名義損傷向量d的元素數值代表對應被評估對象的名義廣義位移、名義損傷
程度或名義載荷變化程度;向量d的元素的編號規則與向量do的元素的編號規
則相同。

第十步:定義被評估對象當前實際損傷向量da,被評估對象當前實際損傷向
量da的元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前實際損傷向量da的元
素和被評估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前實際損傷向量da的元素
數值代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際廣義位移或實際載荷變化程度;
向量da的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同。利用式(15)表達
的被評估對象當前實際損傷向量da的第k個元素dak同被評估對象初始損傷向量
do的第k個元素dok和被評估對象當前名義損傷向量d的第k個元素dk間的關系,
計算得到被評估對象當前實際損傷向量da的所有元素。

dak表示第k個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
統中的一根支承索,那么dak表示其當前實際損傷,dak為0時表示無損傷,為100%
時表示該支承索徹底喪失承載能力,介于0與100%之間時表示喪失相應比例的
承載能力。

dak表示第k個被評估對象的當前實際健康狀態,如果該被評估對象是一個
支座的一個廣義位移分量,那么dak表示其當前實際廣義位移數值。

dak表示第k個被評估對象的當前實際健康狀態,如果該被評估對象是一個
載荷,其定義見式(15),那么dak表示其相對于建立初始力學計算基準模型Ao
時結構所承受的對應載荷的變化量;所以根據被評估對象當前實際損傷向量da
能夠確定有哪些支承索受損及其損傷程度,同時能夠確定有哪些載荷發生了變化
及其數值。

至此本方法以一種有效的、廉價的方法實現了核心被評估對象的健康狀態
的準確識別。對次要被評估對象的健康狀態的識別結果可能偏離準確值較多,在
本方法中僅要求正確識別核心被評估對象的健康狀態。

第十一步:健康監測系統中的計算機定期自動或由人員操作健康監測系統生
成索系統健康情況報表。

第十二步:在指定條件下,健康監測系統中的計算機自動操作通信報警設備
向監控人員、業主和(或)指定的人員報警。

第十三步:回到第三步,開始由第三步到第十三步的循環。

關 鍵 詞:
精簡 監測 載荷 受損 廣義 位移 識別 方法
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:精簡索力監測載荷受損索廣義位移識別方法.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6385933.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大