CN102288425A - 基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法 - Google Patents

Abstract

基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法基于索力监测，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状态向量间存在的近似线性关系，可以利用多目标优化算法等合适的算法快速识别出支座角位移和受损索。

Description

基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法

技术领域

斜拉桥、悬索桥、桁架结构等结构有一个共同点，就是它们有许多承受拉伸载荷的部件，如斜拉索、主缆、吊索、拉杆等等，该类结构的共同点是以索、缆或仅承受拉伸载荷的杆件为支承部件，为方便起见本发明将该类结构表述为“索结构”。在索结构的服役过程中，索结构的支承系统（指所有承载索、及所有起支承作用的仅承受拉伸载荷的杆件，为方便起见，本专利将该类结构的全部支承部件统一称为“索系统”，但实际上索系统不仅仅指支承索，也包括仅承受拉伸载荷的杆件）会受损，同时索结构的支座也可能出现角位移（例如支座绕坐标轴X、Y、Z的转动，实际上就是支座绕坐标轴X、Y、Z的角位移），这些变化对索结构的安全是一种威胁，本发明基于结构健康监测技术，基于索力监测来识别支座角位移和索结构的索系统中的受损索，属工程结构健康监测领域。

背景技术

支座角位移对索结构安全是一项重大威胁，同样的，索系统通常是索结构的关键组成部分，它的失效常常带来整个结构的失效，基于结构健康监测技术来识别支座角位移和索结构的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。当支座出现角位移时、或索系统的健康状态发生变化时、或者两种情况同时发生时，会引起结构的可测量参数的变化，例如会引起索力的变化，会影响索结构的变形或应变，会影响索结构的形状或空间坐标，会引起过索结构的每一点的任意假想直线的角度坐标的变化（例如结构表面任意一点的切平面中的任意一根过该点的直线的角度坐标的变化，或者结构表面任意一点的法线的角度坐标的变化），所有的这些变化都包含了索系统的健康状态信息，实际上这些可测量参数的变化包含了索系统的健康状态信息、包含了支座角位移信息，也就是说可以利用结构的可测量参数来识别支座角位移和受损索。

为了能对索结构的索系统的健康状态和支座角位移有可靠的监测和判断，必须有一个能够合理有效的建立索结构的可测量参数的变化同支座角位移和索系统中所有索的健康状况间的关系的方法，基于该方法建立的健康监测系统可以给出更可信的支座角位移评估和索系统的健康评估。

发明内容

技术问题：本发明公开了一种基于索力监测的、能够合理有效地识别支座角位移和受损索的健康监测方法。

技术方案：设索的数量和支座角位移分量的数量之和为N。为叙述方便起见，本发明统一称被评估的索和支座角位移为“被评估对象”，给被评估对象连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。本发明用用变量i表示这一编号，i=1,2,3,…, N，因此可以说有N个被评估对象。

设索系统中共有M ₁ 根支承索，结构索力数据包括这M ₁ 根支承索的索力，显然M ₁ 小于被评估对象的数量N。仅仅通过M ₁ 个支承索的M ₁ 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，本发明在监测全部M ₁ 根支承索索力的基础上，增加对不少于（N- M ₁ ）个其他被监测量。

增加的不少于（N- M ₁ ）个的其他被监测量仍然是索力，叙述如下：

在结构上人为增加M ₂ （M ₂ 不小于 N- M ₁ ）根索，新增加的M ₂ 根索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，可以小很多，例如小10倍，新增加的M ₂ 根索的索力应当较小，例如其横截面正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的M ₂ 根索不会发生疲劳损伤，新增加的M ₂ 根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛，新增加的M ₂ 根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M ₂ 根索不会发生损伤和松弛，在结构健康监测过程中将监测这新增加的M ₂ 根索的索力。

综合上述被监测量，整个结构共有M（M=M ₁ +M ₂ ）根索的M个被监测量，M不得小于被评估对象的数量N。由于M个被监测量都是索力，所以本发明称为“基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法”。

为方便起见，在本发明中将“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。本发明用用变量j表示这一编号，j=1,2,3,…, M。

本发明由三大部分组成。分别是建立被评估对象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）和实测索结构的被监测量的被评估对象健康状态评估方法、健康监测系统的软件和硬件部分。

本发明的第一部分：建立用于被评估对象健康监测的知识库和参量的方法。具体如下：

1. 建立索结构的力学计算基准模型A_o（例如有限元基准模型）的方法如下。

首先在索结构上增加M ₂ （M ₂ 不小于 N- M ₁ ）根索，新增加的M ₂ 根索的刚度同结构的任意一根支承索的刚度相比，可以应当小很多，例如小10倍，在结构健康监测过程中将监测这新增加的M ₂ 根索的索力。在结构健康监测系统开始工作前实测得到这新增加的M ₂ 根索的索力。同时测量得到新增加的M ₂ 根索的几何参数和力学参数，测量得到新增加的M ₂ 根索的两个在索结构上安装端点的坐标。称上述信息为新增加的M ₂ 根索的所有信息。

新增加的M ₂ 根索的所有信息已知后，再建立A_o。建立A_o时，根据已知的新增加的M ₂ 根索的所有信息，根据索结构完工之时的索结构的实测数据（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、索结构支座角坐标数据、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）和设计图、竣工图，利用力学方法（例如有限元法）建立A_o；如果没有索结构完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、索结构支座角坐标数据、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_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（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_o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角位移计算数据、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。

本发明中用被监测量初始向量C _o 表示索结构的所有被监测量的初始值组成的向量（见式（1））。要求在获得A_o的同时获得C _o 。因在前述条件下，基于索结构的计算基准模型计算所得的被监测量可靠地接近于初始被监测量的实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示该计算值和实测值。

              (1)

式（1）中C _oj (j =1, 2, 3, ……., M; M≥N) 是索结构中第j个被监测量的初始量，该分量依据编号规则对应于特定的第j个被监测量。T表示向量的转置（后同）。

本发明中用被监测量当前数值向量C是由索结构中所有被监测量的当前值组成的向量（定义见式（2））。

                  (2)

式（2）中C _j (j =1, 2, 3, ……., M; M≥N) 是索结构中第j个被监测量的当前值，该分量C _j 依据编号规则与C _oj 对应于同一“被监测量”。

 

2. 建立索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的方法。

建立索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的具体方法如下：

在索结构的力学计算基准模型A_o的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于N。每一次计算假设只有一个被评估对象有单位损伤或单位角位移，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索有单位损伤（例如取5%、10%、20%或30%等损伤为单位损伤），如果该被评估对象是一个支座的一个方向的角位移分量，就假设该支座在该角位移方向发生单位角位移（例如取十万分之一弧度、十万分之二弧度、十万分之三弧度等为单位角位移），用D _ui 记录这一单位损伤或单位角位移，其中i表示发生单位损伤或单位角位移的被评估对象的编号。用“单位损伤或单位角位移向量D _u ”（如式（3）所示）记录所有的单位损伤或单位角位移。每一次计算中出现单位损伤或单位角位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位角位移的被评估对象，每一次计算都利用力学方法（例如有限元法）计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前向量（当假设第i个被监测量有单位损伤或单位角位移时，可用式（4）表示被监测量计算当前向量C _t ⁱ ）；每一次计算得到被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位角位移数值，所得向量就是此条件下（以有单位损伤或单位角位移的被评估对象的编号为标记）的被监测量变化向量（当第i个被评估对象有单位损伤或单位角位移时，用δC _i 表示被监测量变化向量，定义见式（5），式（5）为式（4）减去式（1）所得），被监测量变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤或单位角位移的那个被评估对象的单位变化而引起的该元素所对应的被监测量的改变量；有N个被评估对象就有N个被监测量变化向量，由于有M个被监测量，所以每个被监测量变化向量有M个元素，由这N个被监测量变化向量依次组成有M×N个元素的被监测量单位变化矩阵ΔC，ΔC的定义如式（6）所示。

           (3)

式（3）中单位损伤或单位角位移向量D _u 的元素D _ui （i=1, 2, 3, ……., N）表示第i个被评估对象的单位损伤或单位角位移数值，向量D _u 中的各元素的数值可以相同也可以不同。

            (4)

式（4）中元素C _tj ⁱ （i =1, 2, 3, ……., N； j=1, 2, 3, ……., M；M≥N）表示由于第i个被评估对象有单位损伤或单位角位移时，依据编号规则所对应的第j个被监测量的当前计算量。

                                        (5)

             (6)

式（6）中 ΔC _j,i  (i =1, 2, 3, ……., N； j=1, 2, 3, ……., M；M≥N) 表示仅由于第i个被评估对象有单位损伤或单位角位移而引起的、依据编号规则所对应的第j个被监测量的计算当前数值的变化（代数值）。被监测量变化向量δC _i 实际上是矩阵ΔC中的一列。

3. 被监测量当前数值向量C（计算或实测）同被监测量初始向量C _o 、被监测量单位变化矩阵ΔC和被评估对象当前状态向量d间的近似线性关系，如式（7）或式（8）所示。被评估对象当前状态向量d的定义参见式（9）。 

                                        (7)

                                        (8)

                  (9)

式（9）中 d _i  (i =1, 2, 3, ……., N) 是第i个被评估对象的当前状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索（或拉杆），那么d _i 表示其当前损伤，d _i 为0时表示无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100%之间时表示丧失相应比例的承载能力，如果该被评估对象是一个支座的一个角位移分量，那么d _i 表示其当前角位移数值。

可用式（10）定义的线性关系误差向量e表示式（7）或式（8）所示线性关系的误差。

                              (10)

式（10）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。

 

本发明的第二部分：基于知识库（含参量）和实测被监测量的被评估对象健康状态评估方法。

由于式（7）或式（8）所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式（7）或式（8）和实测被监测量当前数值向量C来直接求解得到被评估对象当前状态向量d。如果这样做了，得到的被评估对象当前状态向量d中的元素甚至会出现较大的负值，也就是可能得到负损伤，就是这明显是不合理的。因此获得被评估对象当前状态向量d的可接受的解（即带有合理误差，但可以比较准确的确定支座角位移和确定受损索的位置及其损伤程度）成为一个合理的解决方法，可用式（11）来表达这一方法。

                              (11)

式（11）中abs() 是取绝对值函数，向量g描述偏离理想线性关系（式（7）或式（8））的合理偏差，由式（12）定义。

                (12)

式（12）中 g _j  (j =1, 2, 3, ……., M) 描述了偏离式（7）或式（8）所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量g可根据式（10）定义的误差向量e试算选定。

在被监测量初始向量C _o 、被监测量单位变化矩阵ΔC和实测被监测量当前数值向量C已知时，可以利用合适的算法（例如多目标优化算法）求解式（11），获得被评估对象当前状态向量d的可接受的解，从而确定受损索的位置和损伤程度。

 

本发明的第三部分：健康监测系统的软件和硬件部分。

硬件部分包括被监测量监测系统、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。

软件应当具用下列功能：软件部分首先根据监测系统传来的数据实时或准实时分析得到当前索结构被监测量当前数值向量C，然后读取预先存储的索结构的力学计算基准模型A_o、被监测量单位变化矩阵ΔC和被监测量初始向量C _o ，依据合适的算法（例如多目标优化算法）求解式（11），得到被评估对象当前状态向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度的解、可以比较准确地识别支座角位移的解。

 

本发明方法具体包括：

a. 为叙述方便起见，本发明统一称被评估的支承索和支座角位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座角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M ₁ 根支承索，结构索力数据包括这M ₁ 根支承索的索力，显然M ₁ 小于被评估对象的数量N；仅仅通过M ₁ 个支承索的M ₁ 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，本发明在监测全部M ₁ 根支承索索力的基础上，在结构上人为增加M ₂ 根索，在结构健康监测过程中将监测这新增加的M ₂ 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M ₁ 与M ₂ 之和；M应当大于被评估对象的数量N；新增加的M ₂ 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M ₂ 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M ₂ 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M ₂ 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M ₂ 根索不会发生疲劳损伤；新增加的M ₂ 根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的M ₂ 根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M ₂ 根索不会发生损伤和松弛；为方便起见，在本发明中将“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，本发明用用变量j表示这一编号，j=1,2,3,…, M，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；

c. 直接测量计算得到索结构的所有M个被监测量的初始数值，组成被监测量初始向量C _o ；在实测得到被监测量初始向量C _o 的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据、结构的初始几何数据和初始索结构支座角坐标数据；

d. 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角坐标数据建立索结构的力学计算基准模型A_o；

e. 在力学计算基准模型A_o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；

f. 在结构健康监测过程中，对新增加的M ₂ 根索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的索；

g. 依据被监测量编号规则，从被监测量初始向量C _o 中去除步骤f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；

h. 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f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；

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C，然后从被监测量的当前数值向量C中去除步骤f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；

j. 定义被评估对象当前状态向量d，被评估对象当前状态向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前状态向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或角位移；

k. 依据被监测量的当前数值向量C同被监测量初始向量C _o 、索结构被监测量单位变化矩阵ΔC和待求的被评估对象当前状态向量d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d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状态向量d；由于被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或角位移，所以根据被评估对象当前状态向量确定有哪些索受损及其损伤程度，可以确定支座角位移，即实现了支座角位移的评估和索结构中索系统的健康状态评估；

                                 式1

在步骤e中，在力学计算基准模型A_o的基础上，通过若干次力学计算获得索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的具体方法为：

e1. 在索结构的力学计算基准模型A_o的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于N；每一次计算假设只有一个被评估对象有单位损伤或单位角位移，本发明合称单位损伤或单位角位移为单位变化，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索有单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的角位移分量，就假设该支座在该角位移方向发生单位角位移，用D _ui 记录这一单位损伤或单位角位移，其中i表示发生单位损伤或单位角位移的被评估对象的编号；每一次计算中出现单位损伤或单位角位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位角位移的被评估对象，每一次计算都利用力学方法计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前向量，显然的被监测量计算当前向量的不同元素对应于不同的被监测量；

e2. 每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位角位移数值，得到一个被监测量变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量变化向量；

e3. 由这N个被监测量变化向量依次组成有N列的索结构被监测量单位变化矩阵ΔC；索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的每一列对应于一个被监测量变化向量，索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的每一行对应于同一个被监测量在不同被评估对象发生单位变化时的不同的变化幅度，由于一个被监测量对应于一根索，这里也可以说索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的不同行对应于不同索的索力在不同被评估对象发生单位变化时的不同的变化幅度。

有益效果：本发明公开的方法可以同时识别出索结构支座角位移和索系统的健康状态（包括所有受损索的位置和损伤程度），本发明公开的系统和方法对索结构的安全是非常有益的。

具体实施方式

针对索结构的健康监测，本发明公开了一种能够合理有效地同时监测索结构中索系统中每一根索的健康状况和每一个支座角位移分量的系统和方法。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。

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。具体实施时，下列步骤是可采取的各种步骤中的一种。

第一步：为叙述方便起见，本发明统一称被评估的支承索和支座角位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座角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。

设索系统中共有M ₁ 根支承索，结构索力数据包括这M ₁ 根支承索的索力，显然M ₁ 小于被评估对象的数量N。仅仅通过M ₁ 个支承索的M ₁ 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，本发明在监测全部M ₁ 根支承索索力的基础上，增加对不少于（N- M ₁ ）个其他被监测量。

增加的不少于（N- M ₁ ）个的其他被监测量仍然是索力，叙述如下：

在结构上人为增加M ₂ （M ₂ 不小于 N- M ₁ ）根索，新增加的M ₂ 根索的刚度同索结构的任意一根支承索的抗拉刚度相比，可以小很多，例如小10倍；新增加的M ₂ 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M ₂ 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M ₂ 根索的横截面上正应力应当小于其疲劳极限，例如只有疲劳极限的二分之一，这些要求可以保证新增加的M ₂ 根索不会发生疲劳损伤；新增加的M ₂ 根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的M ₂ 根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M ₂ 根索不会发生损伤和松弛；还可以采用多增加索的方式来保证健康监测的可靠性，例如使M ₂ 不小于 N- M ₁ 的2倍，在结构健康监测过程中只挑选其中的完好的索的索力数据（称为实际可以使用的被监测量，记录其数量为K，K不得小于N）和对应的索结构被监测量单位变化矩阵ΔC进行健康状态评估，由于M ₂ 不小于 N- M ₁ 的2倍，可以保证实际可以使用的；在结构健康监测过程中将监测这新增加的M ₂ 根索的索力。新增加的M ₂ 根索应当安装在结构上、人员易于到达的部位，便于人员对其进行无损检测。

综合上述被监测量，整个结构共有M（M=M ₁ +M ₂ ）根索的M个被监测量，M不得小于被评估对象的数量N。由于M个被监测量都是索力，所以本发明称为“基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法”。给M个被监测量连续编号，本发明用用变量j表示这一编号，j=1,2,3,…, M，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。

为方便起见，在本发明中将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。

第二步：直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量初始向量C _o ；在实测得到被监测量初始向量C _o 的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据、结构的初始几何数据（对于斜拉桥就是其初始桥型数据）和初始索结构支座角坐标数据。

第三步：根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据（包括结构初始几何形状数据、应变数据、所有索的初始索力、结构模态数据等数据，对斜拉桥、悬索桥而言是桥的桥型数据、应变数据、索力数据、桥的模态数据）、索的无损检测数据和初始索结构支座角坐标数据建立索结构的力学计算基准模型A_o，基于力学计算基准模型A_o计算得到结构的计算数据必须非常接近其实测数据，误差一般不得大于5%。

第四步：在力学计算基准模型A_o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；具体方法为：在索结构的力学计算基准模型A_o的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于N；每一次计算假设只有一个被评估对象有单位损伤或单位角位移，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索有单位损伤（例如取5%、10%、20%或30%等损伤为单位损伤），如果该被评估对象是一个支座的一个方向的角位移分量，就假设该支座在该角位移方向发生单位角位移，用D _ui 记录这一单位损伤或单位角位移，其中i表示发生单位损伤或单位角位移的被评估对象的编号；每一次计算中出现单位损伤或单位角位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位角位移的被评估对象，每一次计算都利用力学方法计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前向量；每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位角位移数值，得到一个被监测量变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量变化向量；由这N个被监测量变化向量依次组成有N列的索结构被监测量单位变化矩阵ΔC；索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的每一列对应于一个被监测量变化向量。

第五步：建立线性关系误差向量e和向量g。利用前面的数据（被监测量初始向量C _o 、被监测量单位变化矩阵ΔC），在第四步进行每一次计算的同时，即在每一次计算中出现单位变化D _ui （单位变化指第四步中的单位损伤或单位角位移）的被评估对象不同于其它次计算中出现单位变化的被评估对象，每一次计算都利用力学方法计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前向量的同时，每一次计算组成一个被评估对象状态向量d，该被评估对象状态向量d的所有元素中只有一个元素的数值取本次计算指定的单位变化D _ui ，其它元素的数值取0，被评估对象状态向量d中数值是D _ui 的元素对应于该次计算时唯一发生单位变化的被评估对象的单位变化程度（D _ui ）；将C、C _o 、ΔC、d带入式（10），得到一个线性关系误差向量e，每一次计算得到一个线性关系误差向量e；有N个被评估对象就有N次计算，就有N个线性关系误差向量e，将这N个线性关系误差向量e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g等于最终的误差向量e。

第六步：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（例如含索力测量系统、信号调理器等）、信号（数据）采集器、计算机和通信报警设备。每一个被监测量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；当监测到索有损伤或支座有角位移时，或者两种情况同时发生时，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。

第七步：将被监测量初始向量C _o 、被监测量单位变化矩阵ΔC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。 

第八步：编制并在计算机上安装运行基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测系统软件，该软件将完成本发明“基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法”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）。 

第九步：对新增加的M ₂ 根索进行无损检测，例如超声波探伤、目视检查、红外成像检查，从中鉴别出出现损伤或松弛的索。

第十步：依据被监测量编号规则，从被监测量初始向量C _o 中去除第九步中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；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中去除第九步中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；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中去除第九步中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；依据被监测量编号规则，从向量g中去除第九步中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素。

第十一步：依据被监测量的当前数值向量C同被监测量初始向量C _o 、被监测量单位变化矩阵ΔC和被评估对象当前状态向量d（由所有被评估对象的当前健康状态数据组成）间存在的近似线性关系（式(7)），按照多目标优化算法计算被评估对象当前状态向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地评估所有被评估对象的健康状态的解。

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）、加权法（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被评估对象当前状态向量d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。

按照目标规划法，式（7）可以转化成式（13）和式（14）所示的多目标优化问题，式（13）中γ是一个实数，R是实数域，空间区域Ω限制了向量d的每一个元素的取值范围（本实施例要求向量d的每一个元素不小于0，不大于1；对应于支座角位移的每一个元素根据支座约束范围选定。式（13）的意思是寻找一个最小的实数γ，使得式（14）得到满足。式（14）中G(d)由式（15）定义，式（14）中加权向量W与γ的积表示式（14）中G(d)与向量g之间允许的偏差，g的定义参见式（12），其值已在第七步计算得到。实际计算时向量W可以与向量g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。使用目标规划法就可以求得被评估对象当前状态向量d。

                                         (13)

                                         (14)

                              (15)

被评估对象当前状态向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前状态向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系；如果被评估对象当前状态向量d的一个元素对应的该被评估对象是支承索，那么该被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应索的损伤程度或健康状态若解得的该元素的数值为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；如果被评估对象当前状态向量d的一个元素对应的该被评估对象是一个支座角位移分量，那么该被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应支座角位移分量的数值。

第十二步：健康监测系统中的计算机定期自动或由人员操作健康监测系统生成索系统健康情况报表。

第十三步：在指定条件下，健康监测系统中的计算机自动操作通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。

Claims (2)

1.一种基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法，其特征在于所述方法包括：

a. 为叙述方便起见，统一称被评估的支承索和支座角位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座角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；用变量i表示这一编号，i=1,2,3,…, N；

b. 设索系统中共有M ₁ 根支承索，结构索力数据包括这M ₁ 根支承索的索力，显然M ₁ 小于被评估对象的数量N；仅仅通过M ₁ 个支承索的M ₁ 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M ₁ 根支承索索力的基础上，在结构上人为增加M ₂ 根索，在结构健康监测过程中将监测这新增加的M ₂ 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M ₁ 与M ₂ 之和；M不得小于被评估对象的数量N；新增加的M ₂ 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M ₂ 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M ₂ 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M ₂ 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M ₂ 根索不会发生疲劳损伤；新增加的M ₂ 根索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的M ₂ 根索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M ₂ 根索不会发生损伤和松弛；为方便起见，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，用变量j表示这一编号，j=1,2,3,…, M，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；

c. 直接测量计算得到索结构的所有M个被监测量的初始数值，组成被监测量初始向量C _o ；在实测得到被监测量初始向量C _o 的同时，实测得到索结构的所有索的初始索力数据、结构的初始几何数据和初始索结构支座角坐标数据；

d. 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角坐标数据建立索结构的力学计算基准模型A_o；

e. 在力学计算基准模型A_o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；

f. 在结构健康监测过程中，对新增加的M ₂ 根索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的索；

g. 依据被监测量编号规则，从被监测量初始向量C _o 中去除步骤f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；

h. 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f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的行；

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C，然后从被监测量的当前数值向量C中去除步骤f中鉴别出的出现损伤或松弛的索对应的元素；

j. 定义被评估对象当前状态向量d，被评估对象当前状态向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前状态向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或角位移；

k. 依据被监测量的当前数值向量C同被监测量初始向量C _o 、索结构被监测量单位变化矩阵ΔC和待求的被评估对象当前状态向量d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d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状态向量d；由于被评估对象当前状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或角位移，所以根据被评估对象当前状态向量确定有哪些索受损及其损伤程度，可以确定支座角位移，即实现了支座角位移的评估和索结构中索系统的健康状态评估；

                                 式1 。

2.根据权利要求1所述的基于索力监测的识别受损索和支座角位移的健康监测方法，其特征在于在步骤e中，在力学计算基准模型A_o的基础上，通过若干次力学计算获得索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的具体方法为：

e1. 在索结构的力学计算基准模型A_o的基础上进行若干次力学计算，计算次数数值上等于N；每一次计算假设只有一个被评估对象有单位损伤或单位角位移，本发明合称单位损伤或单位角位移为单位变化，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索有单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的角位移分量，就假设该支座在该角位移方向发生单位角位移，用D _ui 记录这一单位损伤或单位角位移，其中i表示发生单位损伤或单位角位移的被评估对象的编号；每一次计算中出现单位损伤或单位角位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位角位移的被评估对象，每一次计算都利用力学方法计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前向量，显然的被监测量计算当前向量的不同元素对应于不同的被监测量；

e2. 每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量初始向量后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位角位移数值，得到一个被监测量变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量变化向量；

e3. 由这N个被监测量变化向量依次组成有N列的索结构被监测量单位变化矩阵ΔC；索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的每一列对应于一个被监测量变化向量，索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的每一行对应于同一个被监测量在不同被评估对象发生单位变化时的不同的变化幅度，由于一个被监测量对应于一根索，这里也可以说索结构被监测量单位变化矩阵ΔC的不同行对应于不同索的索力在不同被评估对象发生单位变化时的不同的变化幅度。