[发明专利]一种基于混合监测的索结构健康监测方法

权利要求书

1.一种基于混合监测的索结构健康监测方法，其特征在于所述方法包括：

a.称被评估的支承索和支座位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数 量和支座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.确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有Q根支承 索，结构的被监测的索力数据由结构上M₁个指定支承索的M₁个索力数据来描述， 结构索力的变化就是所有指定支承索的索力的变化；每次共有M₁个索力测量值或 计算值来表征结构的索力信息；M₁是一个不小于0的整数；确定混合监测时指定的 将被监测应变的被测量点，结构的被监测的应变数据由结构上K₂个指定点的、及每 个指定点的L₂个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K₂个指定点的 所有被测应变的变化；每次共有M₂个应变测量值或计算值来表征结构应变，M₂为 K₂和L₂之积；M₂是不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测角度的被测 量点，结构的被监测的角度数据由结构上K₃个指定点的、过每个指定点的L₃个指 定直线的、每个指定直线的H₃个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指 定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化；每次共有M₃个角度 坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息，M₃为K₃、L₃和H₃之积；M₃是一 个不小于0的整数；确定混合监测时指定的将被监测的形状数据，结构的被监测的 形状数据由结构上K₄个指定点的、及每个指定点的L₄个指定方向的空间坐标来描 述，结构形状数据的变化就是K₄个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M₄个 坐标测量值或计算值来表征结构形状，M₄为K₄和L₄之积；M₄是一个不小于0的整 数；综合上述混合监测的被监测量，整个结构共有M个被监测量，M为M₁、M₂、 M₃和M₄之和，定义参量K，K为M₁、K₂、K₃和K₄之和，K和M不得小于被评 估对象的数量N；由于M个被监测量是不同类型的，将本步所列出的“混合监测时 结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”；

c.利用支承索的无损检测数据能够表达支承索的健康状态的数据建立初始健 康状态向量d_o；如果没有支承索的无损检测数据及其他能够表达支承索的健康状态 的数据时，向量d_o的各元素数值取0；

d.在建立初始健康状态向量d_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C_o；

e.在建立初始健康状态向量d_o和被监测量的初始数值向量C_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、竣工资料得到所有支承索的弹性模量、密度、初始横截面面积；

f.根据索结构的设计图、竣工图和索结构的实测数据、支承索的无损检测数据 和初始索结构支座坐标数据建立索结构的力学计算基准模型A_o；

g.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；

h.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F；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C”；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；

i.定义待求的被评估对象当前健康状态向量d_c和当前实际健康状态向量d；向 量d_o、d_c和d的元素个数等于被评估对象的数量，d_o、d_c和d的元素和被评估对象 之间是一一对应关系，d_o、d_c和d的元素数值代表对应被评估对象的损伤程度或位 移、或与松弛程度力学等效的损伤程度；

j.依据“被监测量的当前数值向量C”同“被监测量的初始数值向量C_o”、“索 结构被监测量单位变化矩阵ΔC”和“被评估对象当前健康状态向量d_c”间存在的 近似线性关系，该近似线性关系表达为式1，式1中除d_c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健康状态向量d_c；

C＝C_o+ΔC·d_c              式1

k.利用式2表达的当前实际健康状态向量d的元素d_i同初始健康状态向量d_o的元素d_oi和被评估对象当前健康状态向量d_c的元素d_ci间的关系，计算得到当前实 际健康状态向量d的所有元素；

d_i＝1-(1-d_oi)(1-d_ci)        式2

式2中i＝1，2，3，……，N；

由于当前实际健康状态向量d的元素数值代表对应被评估对象的当前实际健康 状态，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么该元素表示其当前实际损 伤，如果该被评估对象是一个支座的一个位移分量，那么该元素表示其当前位移数 值；当前实际健康状态向量d的元素数值为0时，表示对应的支承索无损伤无松弛、 或对应的支座位移分量为0，不为0的元素对应于有问题的支承索或有位移的支座； 由此确定了有问题的支承索，确定了支座位移；

l.从第k步中识别出的有问题的支承索中，通过无损检测方法鉴别出受损索， 剩下的就是松弛索；

m.从当前实际健康状态向量d中取出支承索对应的元素组成支承索当前实际 健康状态向量d^c，支承索当前实际健康状态向量d^c有Q个元素，表示Q根支承索 的当前实际损伤值，d^c元素的编号规则与向量F_o的编号规则相同，即d^c和F_o相同 编号的元素表示相同支承索的信息；

n.利用在第m步获得的支承索当前实际健康状态向量d^c得到松弛索的当前实 际损伤程度，利用在第h步获得的当前索力向量F，利用在第h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步获得的所有支承索的弹性模量、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、与当前实际损伤程度等效的松弛程度，力 学等效条件是：一、两等效的支承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；计算时所需索力由当 前索力向量F对应元素给出。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合监测的索结构健康监测方法，其特征在 于在步骤g中，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的具体方法为：

g1.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在原健康状态的基础上再增加 有单位损伤或单位位移，为叙述方便本方法合称单位损伤和单位位移为单位变化； 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在原有 健康状态的基础上再增加单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的位 移分量，就假设该支座在该位移方向在原有健康状态的基础上再增加发生单位位移， 用D_ui记录这一单位损伤或单位位移，其中i表示发生单位损伤或单位位移的被评估 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；

g2.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；

g3.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。