[发明专利]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

权利要求书

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dⁱ_o，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dⁱ_o记为d¹_o；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d¹_o的各元素数值取0；

d.在建立初始虚拟损伤向量d¹_o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_o；

e.在建立初始虚拟损伤向量d¹_o和被监测量的初始数值向量C¹_o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_o；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l_o；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_o，建立初始索结构支座坐标向量U_o，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_o；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_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_o的索结构支座坐标数据组成初始索结构支座坐标向量U_o；A_o和U_o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_o；为叙述方便，命名“索结构当前力学计算基准模型A^ti_o”，在每一次循环中A^ti_o根据需要会不断更新，每一次循环开始时，A^ti_o等于Aⁱ；同样为叙述方便，命名“索结构实测支座坐标向量U^ti”，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^ti，向量U^ti的元素与向量U_o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^ti_o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^ti_o；第一次循环开始时，A^t1_o等于A¹，U^t1_o等于U_o；A¹对应的索的健康状态由d¹_o描述；力学计算基准模型Aⁱ对应的索的健康状态由dⁱ_o描述；

g.每一次循环开始时，令A^ti_o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^ti，根据当前索结构实测支座坐标向量U^ti，按步骤g1、g2更新索结构当前力学计算基准模型A^ti_o和当前索结构支座坐标向量U^ti_o；

g1.实测得到当前索结构实测支座坐标向量U^ti后，比较U^ti和U^ti_o，如果U^ti等于U^ti_o，则不需要对A^ti_o进行更新；

g2.实测得到当前索结构实测支座坐标向量U^ti后，比较U^ti和U^ti_o，如果U^ti不等于U^ti_o，则需要对A^ti_o进行更新，更新方法是：先计算U^ti与U_o的差，U^ti与U_o的差就是当前索结构支座关于在建立A_o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^ti_o的方法是：在A_o的基础上令索的健康状况为索系统初始损伤向量dⁱ_o，再进一步对A_o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_o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^ti_o，更新A^ti_o的同时，U^ti_o所有元素数值也用U^ti所有元素数值代替，即更新了U^ti_o，这样就得到了正确地对应于A^ti_o的U^ti_o；

h.在索结构当前力学计算基准模型A^ti_o的基础上按步骤h1、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ΔCⁱ和名义虚拟单位损伤向量Dⁱ_u；

h1.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ΔCⁱ和名义虚拟单位损伤向量Dⁱ_u；在非第i次循环开始的时刻，当步骤g中对A^ti_o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ΔCⁱ和名义虚拟单位损伤向量Dⁱ_u；在非第i次循环开始的时刻，如果在步骤g中没有对A^ti_o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A^ti_o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Dⁱ_u”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Cⁱ_tj表示对应的“被监测量的当前计算数值向量Cⁱ_tj”；

h3.每一次计算得到的那个“被监测量的当前计算数值向量Cⁱ_tj”减去“被监测量的初始数值向量Cⁱ_o”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ΔCⁱ”；“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔCⁱ”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dⁱ_c和当前实际虚拟损伤向量dⁱ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dⁱ_c和当前实际虚拟损伤向量dⁱ；损伤向量dⁱ_o、dⁱ_c和dⁱ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Cⁱ_o”、“虚拟单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔCⁱ”和“当前名义虚拟损伤向量dⁱ_c”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dⁱ_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dⁱ_c；

Ci=Coi+ΔCi·dci]]>式1

l.利用式2表达的当前实际虚拟损伤向量dⁱ的元素dⁱ_j同初始虚拟损伤向量dⁱ_o的元素dⁱ_oj和当前名义虚拟损伤向量dⁱ_c的元素dⁱ_cj间的关系，计算得到当前实际虚拟损伤向量dⁱ的所有元素；

dij=1-(1-doji)(1-dcji)]]>式2

式2中j＝1，2，3，……，N；

由于当前实际虚拟损伤向量dⁱ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dⁱ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l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；

n.利用在第l步获得的当前实际虚拟损伤向量dⁱ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l_o，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；

o.在求得当前名义虚拟损伤向量dⁱ_c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=B1iB2i...Bij...BNiT]]>式3

Bij=0,ifdcji<Duji1,ifdcji≥Duji]]>式4

式3、式4中元素Bⁱ_j是标识向量Bⁱ的第j个元素，Dⁱ_uj是名义虚拟单位损伤向量Dⁱ_u的第j个元素，dⁱ_cj是当前名义虚拟损伤向量dⁱ_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+1次循环所需的初始虚拟损伤向量dⁱ⁺¹_o的每一个元素dⁱ⁺¹_oj；

doji+1=1-(1-doji)(1-DujiBij)]]>式5

式5中Dⁱ_uj是第i次循环名义虚拟单位损伤向量Dⁱ_u的第j个元素，dⁱ_cj是第i次循环

当前名义虚拟损伤向量dⁱ_c的第j个元素，Bⁱ_j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^ti_o的基础上，令索的健康状况为aⁱ⁺¹_o后更新得到下一次、即第i+1次循环所需的力学计算基准模型Aⁱ⁺¹；

s.通过对力学计算基准模型Aⁱ⁺¹的计算得到对应于模型Aⁱ⁺¹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+1次循环所需的被监测量的初始数值向量Cⁱ⁺¹_o；

t.建立下一次、即第i+1次循环所需的索结构当前力学计算基准模型A^ti+1_o，即取A^ti+1_o等于Aⁱ⁺¹；

u.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U^ti+1_o，即取U^ti+1_o等于U^ti_o；

v.回到步骤g，开始下一次循环。