CN101782946B - 有支座沉降时空间坐标监测识别松弛的支承索的递进式方法 - Google Patents

有支座沉降时空间坐标监测识别松弛的支承索的递进式方法 Download PDF

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Abstract

有支座沉降时基于空间坐标监测的识别松弛的支承索的递进式方法基于应变监测、通过监测结构支座坐标,用于识别松弛的支承索时,考虑到了被监测量的当前数值向量同被监测量的初始数值向量、虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵和当前名义虚拟损伤向量间的线性关系是近似的,为克服此缺陷,给出了使用线性关系分段逼近非线性关系的方法,可识别出虚拟受损索,在使用无损检测等方法从中鉴别出真实受损索后,剩下的虚拟受损索就是松弛的支承索,依据松弛程度同虚拟损伤程度间的关系就可确定需调整的索长。

Description

有支座沉降时空间坐标监测识别松弛的支承索的递进式方
技术领域
[0001] 在有支座沉降时,本发明基于空间坐标等量的监测来识别索支承结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统(指所有支承索)中的需调整索力的支承索,并给出具体的索长调整量,属工程结构安全领域。
背景技术
[0002] 索系统通常是索结构(特别是大型索结构,例如大型斜拉桥、悬索桥)的关键组成部分,由于松弛等原因,新结构竣工一段时间后支承索的索力通常会发生变化,结构长期服役后其支承索的松弛也会引起支承索索力的变化,这些变化都将引起结构内力的变化,对结构的安全造成不良影响,严重时将会引起结构的失效,因此准确及时地识别需调整索力的支承索是非常必要的。
[0003] 支承索系统的健康状态发生变化(例如发生松弛、损伤等)后,会引起结构的可测量参数的变化,例如索结构的空间坐标会发生变化,实际上空间坐标的变化包含了索系统的健康状态信息,也就是说可以利用结构空间坐标判断结构的健康状态,可以基于空间坐标监测(本发明将被监测的空间坐标称为“被监测量”,后面提到“被监测量”就是指被监测的空间坐标)来识别受损索,被监测量除了受索系统健康状态的影响外,还会受索结构支座沉降(常常会发生)的影响,目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。因此可以基于被监测量监测来识别需调整索力的索,这样在有支座沉降时,就必须有一个能够合理有效的建立被监测量同所有索的特征参数间(具体根据索的特征参数来表征需调整索力的索)的关系的方法,基于该方法建立的需调整索力的支承索的识别结果才会更可信。
发明内容
[0004] 技术问题:本发明的目的是在索结构支座有沉降时,针对索结构中索系统中的、需调整索力的支承索的识别问题,公开了一种基于空间坐标等量的监测的、能够合理有效地识别需调整索力的有支座沉降时空间坐标监测识别松弛的支承索的递进式方法。
[0005] 技术方案:依据支承索的索力变化的原因,可将支承索的索力变化分为三种情况: 一是支承索受到了损伤,例如支承索出现了局部裂纹和锈蚀等等;二是支承索并无损伤,但索力也发生了变化,出现这种变化的主要原因之一是支承索自由状态(此时索张力也称索力为0)下的索长度(称为自由长度,本发明专指支承索两支承端点间的那段索的自由长度)发生了变化;三是支承索并无损伤,但索结构支座有了位移(其中在重力方向的分量就被称为沉降),也会引起结构内力的变化,当然也就会引起索力的变化。本发明的主要目的之一就是在有支座位移时,要识别出自由长度发生了变化的支承索,并识别出它们的自由长度的改变量,此改变量为该索的索力调整提供了直接依据。支承索自由长度发生变化的原因不是单一的,为了方便,本发明将自由长度发生变化的支承索统称为松弛索。[0006] 本发明由两大部分组成。分别是:一、建立用于识别索系统中的、需调整索力的支承索的健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)、基于实测索结构支座坐标的、基于被监测量等量的监测的、识别索结构的需调整索力的支承索的方法;二、 健康监测系统的软件和硬件部分。
[0007] 本发明的第一部分:建立用于识别索系统中的、需调整索力的支承索的健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)、基于实测索结构支座坐标的、基于被监测量等量的监测的、识别索结构的需调整索力的支承索的方法。可按如下步骤依次循环往复地、递进式进行,以获得更准确的索系统的健康状态评估。
[0008] 第一步:每一次循环开始时,首先需要建立或已建立本次循环开始时的索系统初始虚拟损伤向量d/G = 1,2,3,…。因为支承索实际上可能是松弛而没有损伤,为表示区别,这里称“虚拟损伤”,后同)、建立索结构的初始力学计算基准模型A。(例如有限元基准模型,在本发明中A。是不变的)、建立索结构的当前力学计算基准模型A"。(例如有限元基准模型,在每一次循环中A"。是不断更新的)、建立索结构的力学计算基准模型Ai (例如有限元基准模型,i = 1,2,3,…)。字母i除了明显地表示步骤编号的地方外,在本发明中字母 i仅表示循环次数,即第i次循环。
[0009] 设索系统中共有N根索,第i次循环开始时需要的索系统“初始虚拟损伤向量记为 d/”(如式(1)所示),用d/表示该次循环开始时索结构(用力学计算基准模型Ai表示) 的索系统的健康状态。
[0010] d'o=[d'ol ···<·· · d'oNJ (1)
[0011] 式(1)中d^a = 1,2,3,…;j = 1,2,3,.......,N)表示第i次循环开始时、力
学计算基准模型Ai中的索系统的第j根索的初始虚拟损伤值,Clioj为0时表示第j根索无损伤无松弛,为100%时表示该索彻底丧失承载能力,介于0与100%之间时表示第j根索丧失相应比例的承载能力。式⑴中T表示向量的转置(后同)。
[0012] 第一次循环开始时建立索系统初始虚拟损伤向量(依据式(1)记为d1。)时,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索系统初始虚拟损伤向量d1。。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,或者可以认为结构初始状态为无损伤无松弛状态时,向量d1。的各元素数值取0。
[0013] 第i次(i = 2,3,4,5,6…)循环开始时需要的索系统初始虚拟损伤向量d1。,是在前一次(即第i_l次,i = 2,3,4,5,6…)循环结束前计算获得的,具体方法在后文叙述。
[0014] 第i次循环开始时需要建立的力学计算基准模型或已建立的力学计算基准模型记为A、
[0015] 根据索结构竣工之时的索结构的设计图、竣工图和实测数据(包括索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据、索结构形状数据、结构角度数据、索力数据、拉杆拉力数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据等实测数据,对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据),利用力学方法(例如有限元法)建立A。;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结构进行实测,得到索结构的实测数据(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、 索结构模态数据等实测数据,对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据、索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据),根据此数据和索结构的设计图、竣工图,利用力学方法(例如有限元法)建立A。。不论用何种方法获得A。,基于A。计算得到的索结构计算数据(对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、索力数据、桥的模态数据)必须非常接近其实测数据,误差一般不得大于5%。这样可保证利用A。计算所得的模拟情况下的应变计算数据、索力计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度数据等,可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。对应于A。的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量U。。A。和U0是不变的,只在第一次循环开始时建立。
[0016] 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,A1就等于A。。A1对应的索的健康状态由d1。描述。
[0017] 第i次(i = 2,3,4,5,6…)循环开始时需要的力学计算基准模型Ai,是在前一次 (即第i_l次,i = 2,3,4,5,6…)循环结束前计算获得的,具体方法在后文叙述。
[0018] 已有力学计算基准模型A1和索系统初始虚拟损伤向量d1。后,模型A1中的各索的虚拟损伤由向量Cl10表达。在A1的基础上,将所有索的虚拟损伤值变更为0,力学模型A1更新为一个所有索的虚拟损伤都为0的力学模型(记为A°),力学模型A°实际上是完好无损无松弛的索结构对应的力学模型。不妨称模型A°为索结构的无损伤无松弛模型A°。
[0019] “结构的全部被监测的空间坐标数据”由结构上K个指定点的、及每个指定点的L 个指定方向的空间坐标来描述,结构空间坐标数据的变化就是K个指定点的所有空间坐标分量的变化。每次共有M(M = KXL)个空间坐标测量值或计算值来表征结构空间坐标信息。 K和M不得小于支承索的数量N。为方便起见,在本发明中将“结构的被监测的空间坐标数据”简称为“被监测量”。
[0020] 本发明用“被监测量的初始数值向量Ci/ (i = 1,2,3,…)表示第i次(i = 1, 2,3,4,5,6···)循环开始时所有指定的被监测量的初始值(参见式O)),Citj的全称为“第i 次循环被监测量的初始数值向量”。
[0021]
Figure CN101782946BD00081
[0022]式(2)中 CiokG = 1,2,3,…;k = 1,2,3,· · . ·,M ;M 彡 N ;)是第 i 次循环开始时、 索结构中第k个被监测量。向量Citj是由前面定义的M个被监测量依据一定顺序排列而成, 对此排列顺序并无特殊要求,只要求后面所有相关向量也按此顺序排列数据即可。
[0023] 第一次循环开始时,“第1次循环被监测量的初始数值向量C1。”(见式O))由实测数据组成,由于根据模型A1计算所得被监测量的初始数值可靠地接近于相对应的实测数值,在后面的叙述中,将用同一符号来表示该计算值组成向量和实测值组成向量。
[0024] 第i次(i = 2,3,4,5,6···)循环开始时需要的“第i次循环被监测量的初始数值向量CV’,是在前一次(即第i-l次,i = 2,3,4,5,6···)循环结束前计算获得的,具体方法在后文叙述。
[0025] 第二步:在索结构服役过程中,在每一次循环中,不断实测获得索结构支座坐标当前数据(所有数据组成当前索结构实测支座坐标向量U",向量Uti的定义方式与向量U。相同)。为方便起见,对于第i次循环,将上一次更新当前力学计算基准模型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"。。建立和更新A"。的方法是:在每一次循环的开始时刻,索结构的当前力学计算基准模型A"。就等于Ai (i = 1,2,3,4,5,6···)。在索结构服役过程中,不断实测获得索结构支座坐标数据得到当前索结构实测支座坐标向量U", 如果Uti等于U"。,则不需要对A"。进行更新;如果Uti不等于U"。,则需要对A"。进行更新,此时Uti与U。的差就是索结构支座关于初始位置(对应于A。)的支座位移(用支座位移向量V表示支座位移,在重力方向的位移就是支座沉降)。更新A"。的方法是:在A。的基础上令索的健康状况为索系统初始损伤向量d1。,再进一步对A。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。 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"。,更新A"。后,U"。所有元素数值用Uti所有元素数值代替,即更新了 U"。,这样就得到了正确地对应于A"。的U"。。
[0026] 第三步:每一次循环需建立“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵”和“名义虚拟单位损伤向量”,,第i次循环建立的“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵”记为ACiG = 1,2,3,…)。第i次循环建立的“名义虚拟单位损伤向量”记为Diutl在每一次循环中ACi 和Diu是不断更新的,即在更新当前力学计算基准模型A"。的同时,更新虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi和名义虚拟单位损伤向量Diutl
[0027] 建立和更新更新虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵△ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu的过程如下:
[0028] 在索结构的当前力学计算基准模型A"。的基础上进行若干次计算,计算次数数值上等于所有索的数量。每一次计算假设索系统中只有一根索在原有虚拟损伤(原有虚拟损伤可以为0,也可以不为0)的基础上再增加虚拟单位损伤(例如取5% UO^dOW或30% 等损伤为虚拟单位损伤)。为方便计算,每一次循环中设定虚拟单位损伤时可以都是把该次循环开始时的结构健康状态当成是完全健康的,并在此基础上设定虚拟单位损伤(在后续步骤中、计算出的、索的损伤数值一称为名义虚拟损伤CliJi = 1,2,3,…),都是相对于将该次循环开始时的、将索的健康状态当成是完全健康而言的,因此必须依据后文给出的公式将计算出的名义虚拟损伤换算成真实虚拟损伤)。同一次循环的每一次计算中出现虚拟损伤的索不同于其它次计算中出现的虚拟损伤的索,并且每一次假定有虚拟损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值,用“名义虚拟单位损伤向量Diu”(如式(3)所示)记录各次循环中所有索的假定的虚拟单位损伤,第一次循环时记为D1u,每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的、在前面已指定的M个被监测量的当前计算值,每一次计算所得M个被监测量的当前计算值组成一个“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,可用式(4)表示所有指定的M个被监测量的计算当前数值向量C1tP ;每一次计算得到的被监测量的计算当前数值向量减去被监测量的初始数值向量C1。,所得向量就是此条件下(以有虚拟单位损伤的索的位置或编号等为标记) 的“被监测量的数值变化向量”(当第j根索有虚拟单位损伤时,用δ C1j表示被监测量的数值变化向量,SC1j的定义见式(5)、式(6)和式(7),式(5)为式(4)减去式⑵后再除以向量D1u的第j个元素Duj所得),被监测量的数值变化向量δ C1j的每一元素表示由于计算时假定有虚拟单位损伤的那根索(例如第j根索)的虚拟单位损伤(例如Diu.),而引起的该元素所对应的被监测量的数值改变量相对于假定的虚拟单位损伤Diu的变化率;有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”,每个被监测量的数值变化向量有M( —般的,M^N) 个元素,由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有MXN个元素的“单位损伤被监测
量变化矩阵AC1”(M行N列),每一个向量SC1jG = 1,2,3,.......,N)是矩阵AC1的一
列,AC1的定义如式(8)所示。
Figure CN101782946BD00101
[0030] 式(3)中名义虚拟单位损伤向量Diu的元素DiujG = 1,2,3,…;j = 1,2,
3,.......,N)表示第i次循环中假定的第j根索的虚拟单位损伤数值,向量Diu中的各元
素的数值可以相同也可以不同。
[0031] c'=[c;kl Q2 · · · 4 · · · qMJ ⑷
[0032]式 中元素
Figure CN101782946BD00102
M ;M ^ N)表示第i次循环由于第j根索有虚拟单位损伤时,依据编号规则所对应的第k个指定的被监测量的计算当前数值。
[0033] =S^ (5)
Figure CN101782946BD00103
[0034] 式(5)中各量的上标i(i = 1,2,3, ···)表示第i次循环,下标j(j = 1,2,
3,.......,N)表示第j根索有虚拟单位损伤,式中Diuj是向量Diu中的第j个元素。向量
S Cij的定义如式(6)所示,5(^的第1^&= 1,2,3,.......,M;M彡N)个元素δ Cijk表示
第i次循环中,建立矩阵ACi时,假定第j根索有虚拟单位损伤时计算所得第k个被监测量的改变量相对于假定的虚拟单位损伤Diiu.的变化率,其定义如式(7)所示。
Figure CN101782946BD00104
[0035]
Figure CN101782946BD00105
[0037] 式(7)中各量的定义已在前面叙述过。
Figure CN101782946BD00106
式(8)中向量 SCijG = 1,2,3,.......,,j = 1,2,3,.......,N)表示第 i 次
循环中,由于第j根索有虚拟单位损伤Diiu而引起的、所有被监测量的相对数值变化。矩阵 ACi的列(下标j)的编号规则与前面向量Cli0的元素的下标j的编号规则相同。
[0040] 在索结构服役过程中,在每一次循环中,不断实测获得索结构支座坐标当前数据, 一旦监测到Uti不等于U"。,则需要回到第二步对A"。进行更新,对A"。进行更新后再进入本步对ACi进行更新。实际上在每一次循环中ACi是不断更新的,即在更新当前力学计算基准模型A"。之后,更新虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵Δ C、
[0041] 第四步:识别索系统的当前健康状态。具体过程如下。
[0042] 第i(i = 1,2,3,...)次循环中,索系统“被监测量的当前(计算或实测)数值向量Ci"同“被监测量的初始数值向量Ci。”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵Δ Ci”和 “当前名义虚拟损伤向量屮。”间的近似线性关系,如式(9)或式(10)所示。
[0043] Ci =C0+AC丨·《 (9)
[0044] C-C0=AC1^dic (10)
[0045] 式(9)和式(10)中被监测量的当前(计算或实测)数值向量Ci的定义类似于被监测量的初始数值向量Citj的定义,见式(11);索系统“当前名义虚拟损伤向量di。”的定义见式(12)。[0046]
Figure CN101782946BD00111
[0047]式(11)中元素 CiJi = 1,2,3,....... ;k = 1,2,3,.......,M ;M 彡 N)是第 i 次
循环时索结构的、依据编号规则所对应的编号为k的被监测量的当前数值。
[0048]
Figure CN101782946BD00112
(12)
[0049]式(12)中(!^(i = 1,2,3,....... ;j = 1,2,3,.......,N)是第 i 次循环中索
系统第j根索的当前名义虚拟损伤值,向量C^的元素的下标j的编号规则与矩阵ACi的列的编号规则相同。
[0050] 当索实际损伤不太大时,由于索结构材料仍然处在线弹性阶段,索结构的变形也较小,式(9)或式(10)所表示的这样一种线性关系同实际情况的误差较小,误差可用误差向量^ (式(13))定义,表示式(9)或式(10)所示线性关系的误差。
[0051]
Figure CN101782946BD00113
(13)
[0052] 式(1¾中abs()是取绝对值函数,对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。
[0053] 由于式(9)或式(10)所表示的线性关系存在一定误差,因此不能简单根据式(9) 或式(10)和“被监测量的当前(实测)数值向量Ci"来直接求解得到“当前名义虚拟损伤向量必”。如果这样做了,得到的向量屮。中的元素甚至会出现较大的负值,也就是负损伤, 这明显是不合理的。因此获得向量di。的可接受的解(即带有合理误差,但可以比较准确地确定虚拟受损索的位置及其虚拟损伤程度)成为一个合理的解决方法,可用式(14)来表达这一方法。
[0054]
Figure CN101782946BD00114
(14)
[0055] 式(14)中abs()是取绝对值函数,向量f描述偏离理想线性关系(式(9)或式 (10))的合理偏差,由式(15)定义。
[0056]
Figure CN101782946BD00115
(15)
[0057]式(15)中 giji = 1,2,3,....... ;k = 1,2,3,.......,Μ)描述了第 i 次循环中
偏离式(9)或式(10)所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量¥可根据式(13)定义的误差向量eH式算选定。
[0058] 在“被监测量的初始数值向量Cit/'(实测或计算得到)、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"(计算得到)和“被监测量的当前数值向量Ci"(实测得到)已知时, 可以利用合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(14),获得“当前名义虚拟损伤向量屮。”的可接受的解,然后“当前实际虚拟损伤向量f”(定义见式(16))的元素可以根据式 (17)计算得到,也就是得到了“”当前实际虚拟损伤向量dS从而可由Cli确定虚拟受损索的位置和虚拟损伤程度,然后根据下面将叙述的方法确定松弛索的位置和松弛程度,也就是确定了需调整索力的索及其索长调整量。
[0059]
Figure CN101782946BD00116
(16)
[0060]式(16)中 Clij (i = 1,2,3,- ; j = 1,2,3,.......,N)表示第 i 次循环中第 j 根
索的实际虚拟损伤值,其定义见式(17),d%为0时表示第j根索无损伤无松弛,为100%时表示该索彻底丧失承载能力,介于0与100%之间时表示第j根索丧失相应比例的承载能力,向量Cli的元素的编号规则与式(1)中向量必的元素的编号规则相同。[0061]
Figure CN101782946BD00121
[0062]式(17)中(!^(i = 1,2,3,4,- ; j = 1,2,3,.......,N)是向量(Ii。的第 j 个元
素,d、是向量 < 的第j个元素。
[0063] 下面叙述得到了索当前实际虚拟损伤向量Cli后,如何确定松弛索的位置和松弛程度。
[0064] 设索系统中共有N根支承索,结构索力数据由N根支承索的索力来描述。可用“初始索力向量F。”表示索结构中所有支承索的初始索力(定义见式(18))。因为基于索结构的计算基准模型计算所得的初始索力可靠地接近于初始索力的实测数据,在后面的叙述中, 将用同一符号来表示该计算值和实测值。
[0065] F0= [F01 F02 …Foj …F0Jt (18)
[0066] 式(18)中F。i(j = 1,2,3,.......,N)是索结构中第j根支承索的初始索力,该
元素依据编号规则对应于指定支承索的索力。向量F。是常量,与循环次数无关,在第一次循环开始时确定后,就不再变化。在建立索结构的力学计算基准模型A1时使用了向量F。。
[0067] 本发明中用“当前索力向量Fi"表示第i次循环时实测得到的索结构中所有支承
索的当前索力(定义见式(19))。
[0068]
Figure CN101782946BD00122
[0069]式(19)中 FijG = 1,2,3,4,- ; j = 1,2,3,.......,N)是第 i 次循环时索结构
中第j根支承索的当前索力。
[0070] 本发明中,在支承索初始状态(无损伤、无松弛)下,且支承索处于自由状态(自由状态指索力为0,后同)时,支承索的长度称为初始自由长度,用“初始自由长度向量1。” 表示索结构中所有支承索的初始自由长度(定义见式00))。
[0071] I0= [I01 I02 …Ioj …I0Jt (20)
[0072] 式00)中l。j(j = 1,2,3,.......,N)是索结构中第j根支承索的初始自由长度。
向量1。是常量,与循环次数无关,在第一次循环开始时确定后,就不再变化。
[0073] 本发明中,用“当前自由长度向量产表示第i次循环时索结构中所有支承索的当前自由长度(定义见式01))。
[0074]
Figure CN101782946BD00123
[0075] 式Ql)中IijG = 1,2,3,4,…,j = l,2,3,.......,N)是第i次循环时索结构
中第j根支承索的当前自由长度。
[0076] 本发明中,用“自由长度改变向量Δ Ii"(或称支承索当前松弛程度向量)表示第 i次循环时索结构中所有支承索的自由长度的改变量(定义见式0¾和式03))。
[0077]
Figure CN101782946BD00124
[0078]式 02)中 AlijG = 1,2,3,4,- ; j = 1,2,3,.......,N)是当前(第 i 次循环
时)索结构中第j根支承索的自由长度的改变量,其定义见式03),不为O的索为松弛索,Δ Iij的数值为索的松弛量,并表示索系统第j根支承索的当前松弛程度,也是调整索力时该索的索长调整量。
[0079]
Figure CN101782946BD00125
[0080] 在本发明中通过将松弛索同受损索进行力学等效来进行松弛索的松弛程度识别, 等效的力学条件是:
[0081] 一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数及材料的力学特性参数相同;
[0082] 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。
[0083] 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,即如果用等效的受损索代替松弛索后,索结构不会发生任何变化,反之亦然。
[0084] 本发明中,第i次循环时,同第j个支承索(其当前松弛程度用Δ Iij定义)进行等效的虚拟受损的支承索的当前实际虚拟损伤程度用(表示的定义见式(16)和式 (17))。松弛的第j个支承索的当前松弛程度Δ Iij (Alij的定义见式02))同等效的受损索的当前实际虚拟损伤程度之间的关系由前述两项力学等效条件确定。Δ Iij同(之间的具体关系可以采用多种方法实现,例如可以直接根据前述等效条件确定(参见式04)), 也可采用基于Ernst等效弹性模量代替式04)中的E进行修正后确定(参见式05)),也可以采用基于有限元法的试算法等其它方法来确定。
Figure CN101782946BD00131
[0087] 式04)和式0¾中E是该支承索的弹性模量,A是该支承索的横截面面积,Fij是该支承索的当前索力,< 是该支承索的当前实际虚拟损伤程度,Oi是该支承索的单位长度的重量,1、是该支承索的两个支承端点的水平距离。式0¾中[]内的项是该支承索的 Ernst等效弹性模量,由式04)或式Q5)可以就可以确定支承索当前松弛程度向量Δ Ii15 式(25)是对式(24)的修正。
[0088] 第五步:判断是否结束本次(第i次)循环,如果是,则完成本次循环结束前的收尾工作,为下一次(即第i+Ι次,i = 1,2,3,4,…)循环准备力学计算基准模型和必要的向量。具体过程如下。
[0089] 在本次(第i次)循环中求得“当前名义虚拟损伤向量屮。”后,首先,按照式06) 建立“标识向量B1”,式(XT)给出了“标识向量Bi"的第j个元素的定义;如果“标识向量 Bi"的元素全为0,则在本次循环中继续对索系统的健康监测和计算;如果“标识向量Bi”的元素不全为0,则完成后续步骤后,进入下一次循环。所谓的后续步骤为:首先,根据式08) 计算得到下一次(即第i+Ι次,i = 1,2,3,4,…)循环所需的“初始虚拟损伤向量di+1。”的每一个元素di+1。j;第二,在力学计算基准模型AiG = 1,2,3,4,…)或索结构的无损伤模型 A0的基础上,令索的健康状况为di+1。后更新得到下一次(第i+Ι次,i = 1,2,3,4,…)循环所需的力学计算基准模型Aw ;最后,通过对力学计算基准模型Aw的计算得到被监测量的初始数值,由其组成下一次(即第i+Ι次,i = 1,2,3,4,…)循环所需的“被监测量的初始数值向量 Ci+1。”(i = 1,2,3,4,…)。[0090] Bi =[B[ Bi1 ··· B1j · · · B'n]t (26)
[0091] 式06)中标识向量Bi的上标i表示第i次循环,其元素BijG = 1,2,3,…,N) 的下标j表示第j根索的损伤特征,只能取O和1两个量,具体取值规则见式(XT)。
[0092]
Figure CN101782946BD00141
[0093] 式07)中元素Bij是“标识向量Bi"的第j个元素,Diuj是“名义虚拟单位损伤向量Diu ”的第j个元素(见式(3)),d、是“当前名义虚拟损伤向量f。”的第j个元素(见式(12)),它们都表示第j根索的相关信息。
[0094]
Figure CN101782946BD00142
[0095] 式08)中Diuj是“名义虚拟单位损伤向量Diu”的第j个元素(见式(3)),d、是 “当前名义虚拟损伤向量dV’的第j个元素(见式(12))。
[0096] 本发明的第二部分:健康监测系统的软件和硬件部分。硬件部分包括监测系统 (监测被监测量、监测索结构支座坐标、监测索力、监测支承索两支承端点的水平距离)、信号采集器和计算机等。要求实时或准实时监测每一个被监测量、监测每一个支承索的索力、 监测每一个支承索两支承端点的水平距离。软件应当具用下列功能:软件部分应当能够完成本发明的第一部分所设定的过程,即完成本发明中所需要的、可以用计算机实现的监测、 记录、控制、存储、计算、通知、报警等功能。
[0097] 本发明方法具体包括:
[0098] 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;
[0099] b.确定指定的将被监测空间坐标的被测量点,给所有指定点编号;确定过每一测量点的将被监测的空间坐标分量,给所有被测量空间坐标分量编号;上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵;“结构的全部被监测的空间坐标数据”由上述所有被测量空间坐标分量组成;为方便起见,在本发明中将“结构的被监测的空间坐标数据”称为“被监测量”;测量点的数量不得小于索的数量;所有被测量空间坐标分量的数量之和不得小于索的数量;
[0100] 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虚拟损伤向
量屮。,其中i表示循环次数,后面i及上标i都表示循环次数,i = 1,2,3,......;第一次
循环时f。记为d1。。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, 或者可以为结构初始状态为无松弛、无损伤状态时,向量Cl10的各元素数值取O。
[0101] d.在建立初始虚拟损伤向量d1。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C1。;
[0102] e.在建立初始虚拟损伤向量d1。和被监测量的初始数值向量C1。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F。;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1。;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;
[0103] f.建立索结构的初始力学计算基准模型A。,建立初始索结构支座坐标向量U。,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 ;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、所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积等实测数据,以及索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据,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。;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。;不论用何种方法获得A。,基于A。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。的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量U0 ;A。和 U。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;本发明的申请书中字母i除了明显地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,本发明中A1就等于A。;为叙述方便,命名“索结构当前力学计算基准模型A"。”,在每一次循环中Ati0根据需要会不断更新,每一次循环开始时,Ati0等于Ai ; 同样为叙述方便,命名“索结构实测支座坐标向量U"”,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",向量Uti的元素与向量U。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"。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"。;第一次循环开始时,Atl0等于A1,Utl0等于U0 ;A1对应的索的健康状态由d1。 描述;力学计算基准模型Ai对应的索的健康状态由f。描述;
[0104] g.每一次循环开始时,令A"。等于Ai ;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",根据当前索结构实测支座坐标向量U",在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A"。和当前索结构支座坐标向量 Uti0;
[0105] h.在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上进行若干次力学计算,通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵△ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu ;
[0106] i.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Fi ;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Ci: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。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和之后出现的各向量的、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;
[0107] j.定义待求的当前名义虚拟损伤向量f。和当前实际虚拟损伤向量d、损伤向量 d、、Cli。和Cli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虚拟损伤程度或健康状态;
[0108] 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C1。”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵Δ Ci"和“当前名义虚拟损伤向量f。”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C^外的其它量均为已知,求解式1就可以算出当前名义虚拟损伤向量屮。;[0109]
Figure CN101782946BD00161
[0110] 1.利用式2表达的当前实际虚拟损伤向量Cli的元素Clij同初始虚拟损伤向量屮。 的元素‘和当前名义虚拟损伤向量 < 的元素Clicu.间的关系,计算得到当前实际虚拟损伤向量Cli的所有元素。
[0111]
Figure CN101782946BD00162
[0112]式 2 中 j = 1,2,3,……,N。
[0113] 由于当前实际虚拟损伤向量Cli的元素数值代表对应索的当前实际虚拟损伤程度, 即实际松弛程度或实际损伤程度,当前实际虚拟损伤向量Cli中数值不为0的元素对应的支承索就是有问题的支承索,有问题的支承索可能是松弛索、也可能是受损索,其数值反应了松弛或损伤的程度;
[0114] m.从第1步中识别出的有问题的支承索中鉴别出受损索,剩下的就是松弛索。
[0115] η.利用在第1步获得的当前实际虚拟损伤向量Cli得到松弛索的当前实际虚拟损伤程度,利用在第i步获得的当前索力向量Fi,利用在第i步获得的所有支承索的两个支承端点的空间坐标,利用在第e步获得的初始自由长度向量1。,利用在第e步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、与当前实际虚拟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和损伤识别。计算时所需索力由当前索力向量Fi对应元素给出。
[0116] ο.在求得当前名义虚拟损伤向量Cli。后,按照式3建立标识向量Bi,式4给出了标识向量Bi的第j个元素的定义;
[0117]
Figure CN101782946BD00163
[0119] 式3、式4中元素Bij是标识向量Bi的第j个元素,Diuj是名义虚拟单位损伤向量 Diu的第j个元素,Clicj是当前名义虚拟损伤向量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。
[0120] p.如果标识向量Bi的元素全为0,则回到第g步继续本次循环;如果标识向量Bi 的元素不全为0,则进入下一步、即第q步。
[0121] q.根据式5计算得到下一次、即第i+Ι次循环所需的初始虚拟损伤向量di+1。的每一个元素(Τ、;
[0122]
Figure CN101782946BD00164
[0123] 式5中Diuj是第i次循环名义虚拟单位损伤向量Diu的第j个元素,Clicj是第i次循环当前名义虚拟损伤向量C^的第j个元素,Bij是第i次循环标识向量Bi的第j个元素。式5中j = 1,2,3,……,N。
[0124] r.在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上,令索的健康状况为di+1。后更新得到下一次、即第i+Ι次循环所需的力学计算基准模型Aw ;
[0125] s.通过对力学计算基准模型Aw的计算得到对应于模型Aw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+ι次循环所需的被监测量的初始数值向量Ci+1。;
[0126] t.建立下一次、即第i+Ι次循环所需的索结构当前力学计算基准模型Ati+1。,即取 Ati+1。等于 Aw ;
[0127] u.建立下一次、即第i+Ι次循环所需的当前索结构支座坐标向量Uti+1。,即取Uti+1。 等于U"。;
[0128] v.回到步骤g,开始下一次循环。
[0129] 在步骤g中,根据当前索结构实测支座坐标向量U",在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A"。和当前索结构支座坐标向量U"。的具体方法为:
[0130] gl.实测得到当前索结构实测支座坐标向量Uti后,比较Uti和U"。,如果Uti等于 U"。,则不需要对A"。进行更新;
[0131] g2.实测得到当前索结构实测支座坐标向量Uti后,比较Uti和U"。,如果Uti不等于 U"。,则需要对A"。进行更新,更新方法是:先计算Uti与U0的差,Uti与U0的差就是当前索结构支座关于在建立A。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"。的方法是:在A。的基础上令索的健康状况为索系统初始损伤向量d1。,再进一步对A。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。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"。,更新A"。的同时,Uti0所有元素数值也用Uti所有元素数值代替,即更新了 U"。,这样就得到了正确地对应于A"。的 U"。。
[0132] 在步骤h中,在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上进行若干次力学计算, 通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵Δ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu的具体方法为:
[0133] hi.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虚拟单位损伤被监测量变化矩阵Δ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu ;在非第i次循环开始的时刻,当步骤g中对A"。进行更新后,直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵Δ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu ;在非第i次循环开始的时刻,如果在步骤g中没有对A"。进行更新,则在此处直接转入步骤i进行后续工作;
[0134] h2.在索结构当前力学计算基准模型Α"。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虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤,每一次计算中出现虚拟单位损伤的索不同于其它次计算中出现虚拟单位损伤的索,并且每一次假定有虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值,用“名义虚拟单位损伤向量Diu”记录所有索的假定的单位损伤,每一次计算得到所有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Citj表示对应的“被监测量的当前计算数值向量C、”。在本步骤中给各向量的元素编号时,应同本发明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;
[0135] h3.每一次计算得到的那个“被监测量的当前计算数值向量Cit/减去“被监测量的初始数值向量Cit/'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虚拟单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量”;有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”;
[0136] h4.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵△ Ci";“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”;“虚拟单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义虚拟损伤向量f。和当前实际虚拟损伤向量Cli的元素编号规则相同。
[0137] 有益效果:本发明公开的系统和方法在索结构支座出现沉降的情况下、在有较多的索同步受损或松弛的条件下可以非常准确地监测评估出索系统的健康状态(包括所有松弛索和受损索的位置、及其松弛程度或损伤程度)。这是由于“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。”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵Δ Ci"和“当前名义虚拟损伤向量Cli/'间的线性关系是近似的,实际上是非线性的关系,特别是在受损索较多或受损程度较大时,上述量之间的关系的非线性特征更加明显,为克服此障碍,本发明公开了一种在小区间内用线性关系逼近该非线性关系的健康监测方法。本发明实际上使用了用线性关系分段逼近非线性关系的方法,将大区间分割成一个个小区间,在每一个小区间内线性关系都是足够准确的,依据其判断得到的索系统的健康状态也是可靠的,因此本发明公开的系统和方法对索系统的有效健康监测是非常有益的。
具体实施方式
[0138] 在有支座沉降时,针对索结构的索系统的健康监测,本发明公开了一种能够合理有效地监测索结构的索系统的每一根索的健康状况的系统和方法。本发明的实施例的下面说明实质上仅仅是示例性的,并且目的绝不在于限制本发明的应用或使用。
[0139] 在索结构支座出现沉降的情况下,本发明采用一种算法,该算法用于监测索结构中的索系统的健康状态(包括索的松弛程度和受损程度)。具体实施时,下列步骤是可采取的各种步骤中的一种。
[0140] 第一步:确定被监测量的类型、位置和数量,并编号。具体过程为:
[0141] 首先确定索的编号规则,按此规则将所有的索编号。该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。
[0142] 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。
[0143] 确定指定的被测量点(即所有表征结构空间坐标的指定点,设有K个指定点),给所有指定点编号;确定过每一测量点的被测量空间坐标分量(设过每一测量点有L个被测量的空间坐标分量),给所有指定的被测量的空间坐标分量编号。上述编号在后续步骤中同样将用于生成向量和矩阵。“结构的全部被监测的空间坐标数据”由上面确定的结构上 K个指定点的、过每个指定点的L个空间坐标分量来描述,结构空间坐标的变化就是所有指定点的、所有指定的空间坐标分量的变化。每次共有M(M = KXL)个空间坐标分量测量值或计算值来表征结构的空间坐标信息。K和M不得小于支承索的数量N。为方便起见,在本发明中将“结构的被监测的空间坐标数据”称为“被监测量”。
[0144] 第二步: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虚拟损伤向量d1。。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,或者可以认为结构初始状态为无损伤、无松弛状态时,向量Cl10的各元素数值取0。
[0145] 第三步:在建立初始虚拟损伤向量d1。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C1。”;同时,直接测量计算得到索结构的所有支承索的初始索力,组成“初始索力向量F。” ;同时,依据结构设计数据、竣工数据得到所有索的初始自由长度,组成“支承索初始自由长度向量1。” ;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。
[0146] 第四步:在建立初始虚拟损伤向量d1。的同时,可以采用成熟的测量方法进行索力测量、应变测量、角度测量和空间坐标测量。直接测量或测量后计算得到索结构初始几何形状数据(对于斜拉桥就是其初始桥型数据),索结构的初始几何形状数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上结构上一系列的点的空间坐标数据,目的在于根据这些坐标数据确定索结构的几何特征。对斜拉桥而言,初始几何形状数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上桥梁两端上若干点的空间坐标数据,这就是所谓的桥型数据。
[0147] 建立索结构的初始力学计算基准模型A。,建立初始索结构支座坐标向量U。,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 ;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、索结构模态数据等实测数据,以及索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据, 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。;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A0 ;不论用何种方法获得A。,基于A。计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据,其间的差异一般不得大于5% ;对应于A。的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量U。;A。和U。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;本发明的申请书中字母i除了明显地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,本发明中A1就等于 A。;为叙述方便,命名“索结构当前力学计算基准模型A"。”,在每一次循环中A"。根据需要会不断更新,每一次循环开始时,A"。等于Ai ;同样为叙述方便,命名“索结构实测支座坐标向量U"”,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",向量Uti的元素与向量U0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"。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"。;第一次循环开始时,A"。等于 A1,Utl0等于U。。A1对应的索的健康状态由d1。描述;力学计算基准模型Ai对应的索的健康状态由必描述。
[0148] 第五步:安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括:被监测量监测系统(例如含空间坐标测量系统、信号调理器等)、索结构支座坐标监测系统(例如用全站仪进行测量)、索力监测系统(例如含加速度传感器、信号调理器等)、各支承索两支承端点的水平距离监测系统(例如用全站仪进行测量)、信号(数据)采集器、计算机和通信报警设备。每一个被监测量、每一个支承索的索力和每一根支承索两支承端点的水平距离都必须被监测系统监测到,监测系统将监测到的信号传输到信号(数据)采集器;信号经信号采集器传递到计算机;计算机则负责运行索结构的索系统的健康监测软件,包括记录信号采集器传递来的信号;当监测到索有松弛或损伤时,计算机控制通信报警设备向监控人员、 业主和(或)指定的人员报警。
[0149] 第六步:编制并在监控计算机上安装索结构的索系统健康监测系统软件。在每一次循环时都运行该软件,或者说此软件始终在运行。该软件将完成本发明“有支座沉降时基于空间坐标监测的识别松弛的支承索的递进式方法”任务所需要的监测、记录、控制、存储、 计算、通知、报警等功能(即本具体实施方法中所有可以用计算机完成的工作),并能定期或由人员操作健康监测系统生成索系统健康情况报表,还能依据设定的条件(例如损伤达到某一值),自动通知或提示监控人员通知特定的技术人员完成必要的计算工作。
[0150] 第七步:由此步开始循环运作,为叙述方便记为第i次循环,其中i = 1,2,3,4, 5,...。实测(例如用全站仪进行测量)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",根据当前索结构实测支座坐标向量U", 在必要时更新索结构当前力学计算基准模型A"。和当前索结构支座坐标向量U"。。具体方法为:
[0151] 每一次循环开始时,令A"。等于Ai ;
[0152] 实测得到当前索结构实测支座坐标向量Uti后,比较Uti和U"。,如果Uti等于U"。, 则不需要对A"。进行更新;
[0153] 实测得到当前索结构实测支座坐标向量Uti后,比较Uti和U"。,如果Uti不等于U"。, 则需要对Ati0进行更新,更新方法是:先计算Uti与U0的差,Uti与U0的差就是当前索结构支座关于在建立A。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"。的方法是:在A。的基础上令索的健康状况为索系统初始损伤向量d1。,再进一步对A。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。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"。,更新A"。的同时,Uti0所有元素数值也用Uti所有元素数值代替,即更新了 U"。,这样就得到了正确地对应于A"。的U"。。
[0154] 第八步:在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上进行若干次力学计算,通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi和名义虚拟单位损伤向量 Diu0具体方法为:
[0155] a.在第i次循环开始时,直接按步骤b至步骤d所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵Δ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu ;在非第i次循环开始的时刻,当第七步中对A"。进行更新后,直接按步骤b至步骤d所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ACi和名义虚拟单位损伤向量Diu;在非第i次循环开始的时刻,如果在第七步中没有对A"。进行更新,则在此处直接转入第九步进行后续工作;
[0156] b.在索结构当前力学计算基准模型A"。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虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤,每一次计算中出现虚拟单位损伤的索不同于其它次计算中出现虚拟单位损伤的索,并且每一次假定有虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值,用“名义虚拟单位损伤向量Diu”记录所有索的假定的单位损伤,每一次计算得到所有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Citj表示对应的“被监测量的当前计算数值向量C、”。在本步骤中给各向量的元素编号时,应同本发明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;
[0157] c.每一次计算得到的那个“被监测量的当前计算数值向量Cit/减去“被监测量的初始数值向量Cit/'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虚拟单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量”;有N根索就有N个“被监测量的数值变化向量”;
[0158] d.由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有N列的“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵△ Ci";“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”;“虚拟单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义虚拟损伤向量f。和当前实际虚拟损伤向量Cli的元素编号规则相同。
[0159] 在本步骤中及其后给各向量的元素编号时,应同本发明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。
[0160] 第九步:建立线性关系误差向量^和向量g、利用前面的数据(“被监测量的初始数值向量Ci。”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"),在第八步进行每一次计算的同时,即在每一次计算中假设索系统中只有一根索在原有虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤的同时,每一次计算组成一个“虚拟损伤向量Clit ”,虚拟损伤向量Clit的元素个数等于索的数量,虚拟损伤向量Clit的所有元素中只有一个元素的数值取每一次计算中假设增加虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值,Clit的其它元素的数值取0,那个不为0的元素的编号与假定增加虚拟单位损伤的索的对应关系、同其他向量的同编号的元素同该索的对应关系是相同的;将CitjX: AC^dit带入式(13)(需注意的,式(13)中Ci用Citj带入,C^ 用Clit带入),得到一个线性关系误差向量eS每一次计算得到一个线性关系误差向量^ ;有 N根索就有N次计算,就有N个线性关系误差向量A将这N个线性关系误差向量^相加后得到一个向量,将此向量的每一个元素除以N后得到的新向量就是最终的线性关系误差向量e、向量f等于最终的误差向量e、将向量f保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上,供健康监测系统软件使用。
[0161] 将“初始索力向量F。”、“被监测量的初始数值向量C1。”、“名义虚拟单位损伤向量Diu”、“初始自由长度向量1。”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵Δ Ci"和所有索的弹性模量、初始横截面面积、索的单位长度重量等参数以数据文件的方式保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上。
[0162] 第十步: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Fi ;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 Ci: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。
[0163] 第十一步:依据“被监测量的当前(计算或实测)数值向量Ci"同“被监测量的初始数值向量C1。”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"和“当前名义虚拟损伤向量屮。”间存在的近似线性关系(见式(9)),按照多目标优化算法计算索系统当前名义虚拟损伤向量C^的非劣解。
[0164] 可以采用的多目标优化算法有很多种,例如:基于遗传算法的多目标优化、基于人工神经网络的多目标优化、基于粒子群的多目标优化算法、基于蚁群算法的多目标优化、约束法(Constrain Method)、力口权法(Weighted Sum Method)、目标规划法(Goal Attainment Method)等等。由于各种多目标优化算法都是常规算法,可以方便地实现,本实施步骤仅以目标规划法为例给出求解当前名义虚拟损伤向量 < 的过程,其它算法的具体实现过程可根据其具体算法的要求以类似的方式实现。
[0165] 按照目标规划法,式(9)可以转化成式09)和式(30)所示的多目标优化问题,式 (29)中Yi是一个实数,R是实数域,空间区域Ω限制了向量f。的每一个元素的取值范围 (本实施例要求向量f。的每一个元素不小于0,不大于1)。式09)的意思是寻找一个绝对值最小的实数Yi,使得式(30)得到满足。式(30)中G(Clic)由式(31)定义,式(30)中加权向量矿与Yi的积表示式(30)中G(Clic)与向量f之间允许的偏差,f的定义参见式 (15),其值将在第八步计算得到。实际计算时向量Wi可以与向量f相同。目标规划法的具体编程实现已经有通用程序可以直接采用。按照目标规划法就可以求得当前名义损伤向量 d1。。
[0166] minimize γ1
[0167] y 1 e eQ
[0168] G(^)-Wi/<g' (30)
[0169]
Figure CN101782946BD00221
[0170] 求得当前名义虚拟损伤向量 < 后,可依据式(17)得到的当前实际虚拟损伤向量 Cli每一个元素,当前实际虚拟损伤向量Cli就是带有合理误差、但可以比较准确地从所有索中确定有问题的索(即虚拟受损索,可能是受损也可能是松弛)的位置及其虚拟损伤程度的解。若解得的当前实际虚拟损伤向量Cli的某一元素的数值为0,表示该元素所对应的索是完好的,没有损伤或松弛的;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。
[0171] 第十二步:由于当前实际虚拟损伤向量Cli的元素数值代表对应索的虚拟损伤程度,所以根据当前实际虚拟损伤向量就能确定有哪些索可能受损或松弛了及其可能的损伤程度或松弛程度,但这些索究竟是发生了损伤还是发生了松弛,需进行鉴别。鉴别的方法多种多样,可以通过去除支承索的保护层,对支承索进行目视鉴别,或者借助光学成像设备进行目视鉴别,也可以通过无损检测方法对支承索是否受损进行鉴别,超声波探伤就是一种目前广泛使用的无损检测方法。鉴别后那些没有发现损伤且虚拟损伤程度不为0的支承索就是发生了松弛的索,就是需调整索力的索,可由软件完成松弛索的松弛程度(即索长调整量)的求解。
[0172] 第十三步:在本次循环,即第i次循环中求得当前名义虚拟损伤向量Cli。后,首先, 按照式⑶、式(27)建立标识向量B、
[0173] 第十四步:如果标识向量Bi的元素全为0,则回到第七步继续本次循环;如果标识向量Bi的元素不全为0,则进入下一步、即第十五步。
[0174] 第十五步:根据式08)计算得到下一次、即第i+Ι次循环所需的初始虚拟损伤向
量di+1。的每一个元素di+1。j.。
[0175] 第十六步:在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上,令索的健康状况为上一步计算得到的向量di+1。后,得到新的力学计算基准模型,即下一次(第i+Ι次)循环所需的力学计算基准模型Ai+1。
[0176] 第十七步:通过对力学计算基准模型Aw的计算得到对应于模型Aw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+Ι次循环所需的向量Ci+1。,即被监测量的初始数值向量。
[0177] 第十八步:建立下一次、即第i+Ι次循环所需的索结构当前力学计算基准模型 Ati+1。,即取 Ati+1。等于 Ai+1。
[0178] 第十九步: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Uti+1。,即取U"+1。等于U"。。
[0179] 第二十步:回到第七步,开始下一次循环。

Claims (1)

1. 一种有支座沉降时空间坐标监测识别松弛的支承索的递进式方法,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.确定指定的将被监测空间坐标的被测量点,给所有指定点编号;确定过每一测量点的将被监测的空间坐标分量,给所有被测量空间坐标分量编号;上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵;“结构的全部被监测的空间坐标数据”由上述所有被测量空间坐标分量组成;为方便起见,将“结构的被监测的空间坐标数据”称为“被监测量”;测量点的数量不得小于索的数量;所有被测量空间坐标分量的数量之和不得小于索的数量;c.利用包括索的无损检测数据的能够表达索的健康状态的数据建立初始虚拟损伤向量屮。,其中i表示循环次数,后面i及上标i都表示循环次数,i = 1,2,3,......;第一次循环时Cli。记为d1。;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,或者可以认为结构初始状态为无松弛、无损伤状态时,向量Cl10的各元素数值取0 ;d.在建立初始虚拟损伤向量d1。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C1。;e.在建立初始虚拟损伤向量d1。和被监测量的初始数值向量C1。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F。;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1。;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.建立索结构的初始力学计算基准模型A。,建立初始索结构支座坐标向量U0,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 ;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、所有索的弹性模量、密度、初始横截面面积,以及包括索的无损检测数据的能够表达索的健康状态的数据,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。;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K ;不论用何种方法获得A。,基于A。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。的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量U0 ;A。和U0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;其中字母i除了明显地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, 其中A1就等于A。;为叙述方便,命名“索结构当前力学计算基准模型A"。”,在每一次循环中 Ati0根据需要会不断更新,每一次循环开始时,A"。等于Ai ;同样为叙述方便,命名“索结构实测支座坐标向量U"”,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",向量Uti的元素与向量U。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"。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"。;第一次循环开始时,Atl0等于A1,Utl0等于U。;A1对应的索的健康状态由d1。描述;力学计算基准模型Ai对应的索的健康状态由必描述;g.每一次循环开始时,令A"。等于Ai ;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",根据当前索结构实测支座坐标向量U",按步骤gl、g2更新索结构当前力学计算基准模型A"。和当前索结构支座坐标向量 Uti0;gl.实测得到当前索结构实测支座坐标向量Uti后,比较Uti和U"。,如果Uti等于U"。,则不需要对A"。进行更新;g2.实测得到当前索结构实测支座坐标向量Uti后,比较Uti和U"。,如果Uti不等于U"。, 则需要对A"。进行更新,更新方法是:先计算Uti与U0的差,Uti与U0的差就是当前索结构支座关于在建立A。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"。的方法是:在A。的基础上令索的健康状况为索系统初始损伤向量d1。,再进一步对A。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。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"。,更新A"。的同时,Uti0所有元素数值也用Uti所有元素数值代替,即更新了 U"。,这样就得到了正确地对应于A"。的U"。;h.在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上按步骤hl、h2、h3、h4进行力学计算, 通过计算获得索结构虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi和名义虚拟单位损伤向量 Diu;hi.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虚拟单位损伤被监测量变化矩阵Δ Ci和名义虚拟单位损伤向量Diu ;在非第i次循环开始的时刻,当步骤 g中对A"。进行更新后,直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得索结构虚拟单位损伤被监测量变化矩阵ACi和名义虚拟单位损伤向量Diu ;在非第i次循环开始的时刻,如果在步骤g 中没有对A"。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Α"。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虚拟损伤的基础上再增加虚拟单位损伤,每一次计算中出现虚拟单位损伤的索不同于其它次计算中出现虚拟单位损伤的索,并且每一次假定有虚拟单位损伤的索的虚拟单位损伤值可以不同于其他索的虚拟单位损伤值,用“名义虚拟单位损伤向量Diu”记录所有索的假定的单位损伤,每一次计算得到所有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Ciw表示对应的“被监测量的当前计算数值向量Cit/ ;h3.每一次计算得到的那个“被监测量的当前计算数值向量Cit/减去“被监测量的初始数值向量Cit/'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虚拟单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量”;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“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi";“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”;“虚拟单位损伤被监测量变化矩阵”的列的编号规则与当前名义虚拟损伤向量f。和当前实际虚拟损伤向量Cli的元素编号规则相同;i.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Fi ;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Ci";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;j.定义待求的当前名义虚拟损伤向量C^和当前实际虚拟损伤向量Cli ;损伤向量屮。、 Clic和Cli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虚拟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C1。”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi"和“当前名义虚拟损伤向量屮。”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f。外的其它量均为已知,求解式1就可以算出当前名义虚拟损伤向量屮。; C丨=C0+ AC' 式 11.禾Ij用式2表达的当前实际虚拟损伤向量Cli的元素Clij同初始虚拟损伤向量Cli0的元素‘和当前名义虚拟损伤向量 < 的元素Clicu.间的关系,计算得到当前实际虚拟损伤向量 Cli的所有元素;4=1-(1-4)(1-4)^2式2中j = 1,2,3,……,N;由于当前实际虚拟损伤向量Cli的元素数值代表对应索的当前实际虚拟损伤程度,即实际松弛程度或实际损伤程度,当前实际虚拟损伤向量Cli中数值不为0的元素对应的支承索就是有问题的支承索,有问题的支承索可能是松弛索、也可能是受损索,其数值反应了松弛或损伤的程度;m.从第1步中识别出的有问题的支承索中鉴别出受损索,剩下的就是松弛索; η.利用在第1步获得的当前实际虚拟损伤向量Cli得到松弛索的当前实际虚拟损伤程度,利用在第i步获得的当前索力向量Fi,利用在第i步获得的所有支承索的两个支承端点的空间坐标,利用在第e步获得的初始自由长度向量1。,利用在第e步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、 与当前实际虚拟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和损伤识别,计算时所需索力由当前索力向量Fi对应元素给出;ο.在求得当前名义虚拟损伤向量 < 后,按照式3建立标识向量Bi,式4给出了标识向量Bi的第j个元素的定义;Bi=H ·· B1j ·· · 5;]7·式 3J Iv If d'cj>D'UJ^^式3、式4中元素Bij是标识向量Bi的第j个元素,Diuj是名义虚拟单位损伤向量Diu的第j个元素,Clicj是当前名义虚拟损伤向量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;P.如果标识向量Bi的元素全为0,则回到第g步继续本次循环;如果标识向量Bi的元素不全为0,则进入下一步、即第q步;q.根据式5计算得到下一次、即第i+Ι次循环所需的初始虚拟损伤向量di+1。的每一个元素 d1+1oJ ;C1 =1-(1-4)(1-¾^)式 5式5中Diuj是第i次循环名义虚拟单位损伤向量Diu的第j个元素,Clicj是第i次循环当前名义虚拟损伤向量 < 的第j个元素,Bij是第i次循环标识向量Bi的第j个元素; 式5中j = 1,2,3,……,N;r.在索结构当前力学计算基准模型A"。的基础上,令索的健康状况为ai+1。后更新得到下一次、即第i+Ι次循环所需的力学计算基准模型Aw ;s.通过对力学计算基准模型Aw的计算得到对应于模SAw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+Ι次循环所需的被监测量的初始数值向量ci+1。;t.建立下一次、即第i+Ι次循环所需的索结构当前力学计算基准模型Ati+1。,即取Ati+1。 等于Aw ;u.建立下一次、即第i+Ι次循环所需的当前索结构支座坐标向量Uti+1。,即取Uti+1。等于Uti0;v.回到步骤g,开始下一次循环。
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