[发明专利]基于空间坐标监测的索结构中索系统的健康监测方法

说明书

技术领域

本发明基于空间坐标监测来识别索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统(指所有承载索)中的受损索，属工程结构健康监测领域。

背景技术

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索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。目前结构健康监测技术主要通过对索力的监测，根据索力的变化来识别受损索及其损伤程度。然而就单一索而言，其索力变化同其健康状况(损伤程度)有明确的、单调变化的关系，但是，当这根索是索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统中的一根时，由于每一根特定索的索力变化不仅仅受它自身健康状况的影响，还受其它索健康状况的影响，因此观察每一根特定索的索力的变化时，即使在该索相同健康状况(相同损伤程度或无损伤)条件下，也会监测到其索力变化忽正忽负、忽大忽小的现象，这对受损索的识别是非常不利的。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。每一根索的健康状况除了会影响所有索的索力外，还会影响索结构的形状或空间坐标，目前还没有出现公开报道的通过对索结构的形状或空间坐标的监测来实现索系统的健康监测的系统和方法。

为了能对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的索系统的健康状态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形状或空间坐标的变化同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索系统的健康评估。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)中索系统的健康监测问题，公开了一种能够合理有效地监测索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)的基于空间坐标监测的索结构中索系统的健康监测方法。

技术方案：本发明由三大部分组成。分别是建立索系统健康监测所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)和实测索结构的空间坐标(或形状)的索系统健康状态评估方法、健康监测系统的软件和硬件部分。

本发明的第一部分：建立用于索系统健康监测的知识库和参量的方法。可分为如下三个步骤：

1.建立索结构的计算基准模型(例如有限元基准模型)。根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据(包括结构形状数据、索力数据、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)建立该结构的计算(例如有限元)基准模型，基于该计算基准模型(例如有限元基准模型)计算得到的结构计算数据(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％。这样可保证在此计算基准模型上计算所得的模拟情况下的索力计算数据、结构形状计算数据和空间坐标计算数据等，可靠地接近模拟情况真实发生时的实测数据。

结构形状数据由结构上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，结构形状数据的变化就是K个指定点的所有坐标分量的变化。每次共有M(M＝K×L)个坐标测量值或计算值来表征结构形状。K和M一般不得小于索的数量。在后面提到结构形状时，可以当作结构空间坐标理解，反之亦然。

设索系统中共有N根索，那么可用向量C_o表示索结构中所有指定点的初始坐标向量(参见式(1))。因在上述条件下，基于索结构的计算基准模型计算所得的指定点的初始坐标可靠地接近于指定点的初始坐标的实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示计算值和实测值。

C_o＝[C_o1 C_o2 ··· C_oi ··· C_oM]^T    (1)

式(1)中C_oi(i＝1，2，3，.......，M；M≥N)是索结构中第i个初始坐标分量(假设此时该索无损伤)，该分量依据编号规则对应于特定点的一个坐标分量。Ｔ表示向量的转置(后同)。