精簡(jiǎn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)受損索載荷廣義位移識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個(gè)共同點(diǎn)，就是它們有許多承受拉伸載荷的 部件，如斜拉索、主纜、吊索、拉桿等等，該類結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是以索、纜或僅承受拉伸載荷的 桿件為支承部件，為方便起見(jiàn)，本方法將該類結(jié)構(gòu)表述為"索結(jié)構(gòu)"，并將索結(jié)構(gòu)的所有承載 索、承載纜，及所有僅承受軸向拉伸或軸向壓縮載荷的桿件（又稱為二力桿件），為方便起 見(jiàn)統(tǒng)一稱為"索系統(tǒng)"，本方法中用"支承索"這一名詞指稱承載索、承載纜及僅承受軸向拉 伸或軸向壓縮載荷的桿件，有時(shí)簡(jiǎn)稱為"索"，所以在后面使用"索"這個(gè)字的時(shí)候，對(duì)桁架結(jié) 構(gòu)實(shí)際就是指二力桿件。在結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，對(duì)支承索或索系統(tǒng)的健康狀態(tài)的正確識(shí)別關(guān) 系到整個(gè)索結(jié)構(gòu)的安全。在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，索結(jié)構(gòu)的溫度一般也會(huì)隨著發(fā)生變化，在 索結(jié)構(gòu)溫度發(fā)生變化時(shí)，在索結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中，索結(jié)構(gòu)支座可能發(fā)生廣義位移，索結(jié)構(gòu)承受 的載荷也可能發(fā)生變化，同時(shí)索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)也可能在發(fā)生變化，在這種復(fù)雜條件下，本 方法基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)（本方法將被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變稱為"被監(jiān)測(cè)量"）來(lái)識(shí)別支座廣義位移和受損 索，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 剔除載荷變化、索結(jié)構(gòu)支座廣義位移和結(jié)構(gòu)溫度變化對(duì)索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識(shí)別結(jié)果 的影響，從而準(zhǔn)確地識(shí)別結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的變化，是目前迫切需要解決的問(wèn)題；剔除載荷變 化、索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)變化和結(jié)構(gòu)溫度變化對(duì)索結(jié)構(gòu)支座廣義位移識(shí)別結(jié)果的影響，從而準(zhǔn) 確地識(shí)別索結(jié)構(gòu)支座廣義位移，也是目前迫切需要解決的問(wèn)題；本方法公開(kāi)了一種解決這 兩個(gè)問(wèn)題的有效的、廉價(jià)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問(wèn)題：本方法公開(kāi)了一種方法，在造價(jià)更低的條件下，實(shí)現(xiàn)了兩種功能，分別 是，一、剔除支座廣義位移、載荷變化和結(jié)構(gòu)溫度變化對(duì)索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識(shí)別結(jié)果的影響， 從而準(zhǔn)確地識(shí)別出支承索的健康狀態(tài)；二、本方法還能夠剔除載荷變化、索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)變 化和結(jié)構(gòu)溫度變化對(duì)索結(jié)構(gòu)支座廣義位移識(shí)別結(jié)果的影響，從而準(zhǔn)確地識(shí)別索結(jié)構(gòu)支座廣 義位移。
[0004] 技術(shù)方案：在本方法中，用"支座空間坐標(biāo)"指稱支座關(guān)于笛卡爾直角坐標(biāo)系的X、 Y、Z軸的坐標(biāo)，也可以說(shuō)成是支座關(guān)于X、Y、Z軸的空間坐標(biāo)，支座關(guān)于某一個(gè)軸的空間坐標(biāo) 的具體數(shù)值稱為支座關(guān)于該軸的空間坐標(biāo)分量，本方法中也用支座的一個(gè)空間坐標(biāo)分量表 達(dá)支座關(guān)于某一個(gè)軸的空間坐標(biāo)的具體數(shù)值；用"支座角坐標(biāo)"指稱支座關(guān)于X、Y、Z軸的角 坐標(biāo)，支座關(guān)于某一個(gè)軸的角坐標(biāo)的具體數(shù)值稱為支座關(guān)于該軸的角坐標(biāo)分量，本方法中 也用支座的一個(gè)角坐標(biāo)分量表達(dá)支座關(guān)于某一個(gè)軸的角坐標(biāo)的具體數(shù)值；用"支座廣義坐 標(biāo)"指稱支座角坐標(biāo)和支座空間坐標(biāo)全體，本方法中也用支座的一個(gè)廣義坐標(biāo)分量表達(dá)支 座關(guān)于一個(gè)軸的空間坐標(biāo)或角坐標(biāo)的具體數(shù)值；支座關(guān)于X、Y、Z軸的坐標(biāo)的改變稱為支座 線位移，也可以說(shuō)支座空間坐標(biāo)的改變稱為支座線位移，本方法中也用支座的一個(gè)線位移 分量表達(dá)支座關(guān)于某一個(gè)軸的線位移的具體數(shù)值；支座關(guān)于X、Y、Z軸的角坐標(biāo)的改變稱為 支座角位移，本方法中也用支座的一個(gè)角位移分量表達(dá)支座關(guān)于某一個(gè)軸的角位移的具體 數(shù)值；支座廣義位移指稱支座線位移和支座角位移全體，本方法中也用支座的一個(gè)廣義位 移分量表達(dá)支座關(guān)于某一個(gè)軸的線位移或角位移的具體數(shù)值；支座線位移也可稱為平移位 移，支座沉降是支座線位移或平移位移在重力方向的分量。
[0005] 物體、結(jié)構(gòu)承受的外力可稱為載荷，載荷包括面載荷和體積載荷。面載荷又稱表面 載荷，是作用于物體表面的載荷，包括集中載荷和分布載荷兩種。體積載荷是連續(xù)分布于物 體內(nèi)部各點(diǎn)的載荷，如物體的自重和慣性力。
[0006] 集中載荷分為集中力和集中力偶兩種，在坐標(biāo)系中，例如在笛卡爾直角坐標(biāo)系中， 一個(gè)集中力可以分解成三個(gè)分量，同樣的，一個(gè)集中力偶也可以分解成三個(gè)分量，如果載荷 實(shí)際上是集中載荷，在本方法中將一個(gè)集中力分量或一個(gè)集中力偶分量稱為一個(gè)載荷，此 時(shí)載荷的變化具體化為一個(gè)集中力分量或一個(gè)集中力偶分量的變化。
[0007] 分布載荷分為線分布載荷和面分布載荷，分布載荷的描述至少包括分布載荷的作 用區(qū)域和分布載荷的大小，分布載荷的大小用分布集度來(lái)表達(dá)，分布集度用分布特征（例 如均布、正弦函數(shù)等分布特征）和幅值來(lái)表達(dá)（例如兩個(gè)分布載荷都是均布，但其幅值不 同，可以均布?jí)毫槔齺?lái)說(shuō)明幅值的概念：同一個(gè)結(jié)構(gòu)承受兩個(gè)不同的均布?jí)毫?，兩個(gè)分布 載荷都是均布載荷，但一個(gè)分布載荷的幅值是l〇MPa，另一個(gè)分布載荷的幅值是50MPa)。如 果載荷實(shí)際上是分布載荷，本方法談?wù)撦d荷的變化時(shí)，實(shí)際上是指分布載荷分布集度的幅 值的改變，而分布載荷的作用區(qū)域和分布集度的分布特征是不變的。在坐標(biāo)系中，一個(gè)分布 載荷可以分解成若干個(gè)分量，如果這分布載荷的若干個(gè)分量的各自的分布集度的幅值發(fā)生 變化，且變化的比率不全部相同，那么在本方法中把這若干個(gè)分布載荷的分量看成同樣數(shù) 量的獨(dú)立的分布載荷，此時(shí)一個(gè)載荷就代表一個(gè)分布載荷的分量，也可以將其中分布集度 的幅值變化比率相同的分量合成為一個(gè)分布載荷或稱為一個(gè)載荷。
[0008] 體積載荷是連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點(diǎn)的載荷，如物體的自重和慣性力，體積載荷 的描述至少包括體積載荷的作用區(qū)域和體積載荷的大小，體積載荷的大小用分布集度來(lái)表 達(dá)，分布集度用分布特征（例如均布、線性函數(shù)等分布特征）和幅值來(lái)表達(dá)（例如兩個(gè)體積 載荷都是均布，但其幅值不同，可以自重為例來(lái)說(shuō)明幅值的概念：同一個(gè)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)部分的 材料不同，故密度不同，所以雖然這兩個(gè)部分所受的體積載荷都是均布的，但一個(gè)部分所受 的體積載荷的幅值可能是10kN/m3,另一個(gè)部分所受的體積載荷的幅值是50kN/m3)。如果載 荷實(shí)際上是體積載荷，在本方法中實(shí)際處理的是體積載荷分布集度的幅值的改變，而體積 載荷的作用區(qū)域和分布集度的分布特征是不變的，此時(shí)在本方法中提到載荷的改變時(shí)實(shí)際 上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變，此時(shí)，發(fā)生變化的載荷是指那些分布集度的幅 值發(fā)生變化的體積載荷。在坐標(biāo)系中，一個(gè)體積載荷可以分解成若干個(gè)分量（例如在笛卡 爾直角坐標(biāo)系中，體積載荷可以分解成關(guān)于坐標(biāo)系的三個(gè)軸的分量，也就是說(shuō)，在笛卡爾直 角坐標(biāo)系中體積載荷可以分解成三個(gè)分量），如果這體積載荷的若干個(gè)分量的各自的分布 集度的幅值發(fā)生變化，且變化的比率不全部相同，那么在本方法中把這若干個(gè)體積載荷的 分量看成同樣數(shù)量的獨(dú)立的載荷，也可以將其中分布集度的幅值變化比率相同的體積載荷 分量合成為一個(gè)體積載荷或稱為一個(gè)載荷。
[0009] 當(dāng)載荷具體化為集中載荷時(shí)，在本方法中，"載荷單位變化"實(shí)際上是指"集中載荷 的單位變化"，類似的，"載荷變化"具體指"集中載荷的大小的變化"，"載荷變化量"具體指 "集中載荷的大小的變化量"，"載荷變化程度"具體指"集中載荷的大小的變化程度"，"載荷 的實(shí)際變化量"是指"集中載荷的大小的實(shí)際變化量"，"發(fā)生變化的載荷"是指"大小發(fā)生 變化的集中載荷"，簡(jiǎn)單地說(shuō)，此時(shí)"某某載荷的某某變化"是指"某某集中載荷的大小的某 某變化"。
[0010] 當(dāng)載荷具體化為分布載荷時(shí)，在本方法中，"載荷單位變化"實(shí)際上是指"分布載 荷的分布集度的幅值的單位變化"，而分布載荷的分布特征是不變的，類似的，"載荷變化" 具體指"分布載荷的分布集度的幅值的變化"，而分布載荷的分布特征是不變的，"載荷變化 量"具體指"分布載荷的分布集度的幅值的變化量"，"載荷變化程度"具體指"分布載荷的 分布集度的幅值的變化程度"，"載荷的實(shí)際變化量"具體指"分布載荷的分布集度的幅值的 實(shí)際變化量"，"發(fā)生變化的載荷"是指"分布集度的幅值發(fā)生變化的分布載荷"，簡(jiǎn)單地說(shuō)， 此時(shí)"某某載荷的某某變化"是指"某某分布載荷的分布集度的幅值的某某變化"，而所有分 布載荷的作用區(qū)域和分布集度的分布特征是不變的。
[0011] 當(dāng)載荷具體化為體積載荷時(shí)，在本方法中，"載荷單位變化"實(shí)際上是指"體積載荷 的分布集度的幅值的單位變化"，類似的，"載荷變化"是指"體積載荷的分布集度的幅值的 變化"，"載荷變化量"是指"體積載荷的分布集度的幅值的變化量"，"載荷變化程度"是指 "體積載荷的分布集度的幅值的變化程度"，"載荷的實(shí)際變化量"是指"體積載荷的分布集 度的幅值的實(shí)際變化量"，"發(fā)生變化的載荷"是指"分布集度的幅值發(fā)生變化的體積載荷"， 簡(jiǎn)單地說(shuō)，"某某載荷的某某變化"是指"某某體積載荷的分布集度的幅值的某某變化"，而 所有體積載荷的作用區(qū)域和分布集度的分布特征是不變的。
[0012] 本方法具體包括：
[0013]a.當(dāng)索結(jié)構(gòu)承受的載荷雖有變化，但索結(jié)構(gòu)正在承受的載荷沒(méi)有超出索結(jié)構(gòu)初 始許用載荷時(shí)，本方法適用；索結(jié)構(gòu)初始許用載荷指索結(jié)構(gòu)在竣工時(shí)的許用載荷，能夠通 過(guò)常規(guī)力學(xué)計(jì)算獲得；本方法統(tǒng)一稱被評(píng)估的支座廣義位移分量、支承索和載荷為被評(píng)估 對(duì)象，設(shè)被評(píng)估的支座廣義位移分量的數(shù)量、支承索的數(shù)量和載荷的數(shù)量之和為N，即被評(píng) 估對(duì)象的數(shù)量為N;確定被評(píng)估對(duì)象的編號(hào)規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評(píng)估對(duì)象 編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣；本方法用變量k表示這一編號(hào)，k= 1，2, 3,…，N ;本方法用名稱"核心被評(píng)估對(duì)象"專指"被評(píng)估對(duì)象"中的被評(píng)估的支承索和支 座廣義位移分量，設(shè)被評(píng)估的支承索和支座廣義位移分量的數(shù)量之和為P，即核心被評(píng)估對(duì) 象的數(shù)量為P，本方法用名稱"次要被評(píng)估對(duì)象"專指"被評(píng)估對(duì)象"中的被評(píng)估的載荷；設(shè) 索系統(tǒng)中共有M1根支承索；確定指定的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)，被監(jiān)測(cè)點(diǎn)即表征索結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息的所有 指定點(diǎn)，并給所有指定點(diǎn)編號(hào)；確定被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變方向，并給所有指定的被監(jiān)測(cè) 應(yīng)變編號(hào)，"被監(jiān)測(cè)應(yīng)變編號(hào)"在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣，"索結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測(cè) 的應(yīng)變數(shù)據(jù)"由上述所有被監(jiān)測(cè)應(yīng)變組成；本方法將"索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)"簡(jiǎn)稱為 "被監(jiān)測(cè)量";所有被監(jiān)測(cè)量的數(shù)量之和記為M，M應(yīng)當(dāng)大于核心被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量，M小于被 評(píng)估對(duì)象的數(shù)量；本方法中對(duì)同一個(gè)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的任何兩次測(cè)量之間的時(shí)間間隔不得大于 30分鐘，測(cè)量記錄數(shù)據(jù)的時(shí)刻稱為實(shí)際記錄數(shù)據(jù)時(shí)刻；物體、結(jié)構(gòu)承受的外力可稱為載荷， 載荷包括面載荷和體積載荷；面載荷又稱表面載荷，是作用于物體表面的載荷，包括集中載 荷和分布載荷兩種；體積載荷是連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點(diǎn)的載荷，包括物體的自重和慣性 力在內(nèi)；集中載荷分為集中力和集中力偶兩種，在包括笛卡爾直角坐標(biāo)系在內(nèi)的坐標(biāo)系中， 一個(gè)集中力可以分解成三個(gè)分量，同樣的，一個(gè)集中力偶也可以分解成三個(gè)分量，如果載荷 實(shí)際上是集中載荷，在本方法中將一個(gè)集中力分量或一個(gè)集中力偶分量計(jì)為或統(tǒng)計(jì)為一個(gè) 載荷，此時(shí)載荷的變化具體化為一個(gè)集中力分量或一個(gè)集中力偶分量的變化；分布載荷分 為線分布載荷和面分布載荷，分布載荷的描述至少包括分布載荷的作用區(qū)域和分布載荷的 大小，分布載荷的大小用分布集度來(lái)表達(dá)，分布集度用分布特征和幅值來(lái)表達(dá)；如果載荷實(shí) 際上是分布載荷，本方法談?wù)撦d荷的變化時(shí)，實(shí)際上是指分布載荷分布集度的幅值的改變， 而所有分布載荷的作用區(qū)域和分布集度的分布特征是不變的；在包括笛卡爾直角坐標(biāo)系在 內(nèi)的坐標(biāo)系中，一個(gè)分布載荷可以分解成三個(gè)分量，如果這分布載荷的三個(gè)分量的各自的 分布集度的幅值發(fā)生變化，且變化的比率不全部相同，那么在本方法中把這分布載荷的三 個(gè)分量計(jì)為或統(tǒng)計(jì)為三個(gè)分布載荷，此時(shí)一個(gè)載荷就代表分布載荷的一個(gè)分量；體積載荷 是連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點(diǎn)的載荷，體積載荷的描述至少包括體積載荷的作用區(qū)域和體積 載荷的大小，體積載荷的大小用分布集度來(lái)表達(dá)，分布集度用分布特征和幅值來(lái)表達(dá)；如果 載荷實(shí)際上是體積載荷，在本方法中實(shí)際處理的是體積載荷分布集度的幅值的改變，而所 有體積載荷的作用區(qū)域和分布集度的分布特征是不變的，此時(shí)在本方法中提到載荷的改變 時(shí)實(shí)際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變，此時(shí)，發(fā)生變化的載荷是指那些分布集 度的幅值發(fā)生變化的體積載荷；在包括笛卡爾直角坐標(biāo)系在內(nèi)的坐標(biāo)系中，一個(gè)體積載荷 可以分解成三個(gè)分量，如果這體積載荷的三個(gè)分量的各自的分布集度的幅值發(fā)生變化，且 變化的比率不全部相同，那么在本方法中把這體積載荷的三個(gè)分量計(jì)為或統(tǒng)計(jì)為三個(gè)分布 載荷；
[0014] b.本方法定義"本方法的索結(jié)構(gòu)的溫度測(cè)量計(jì)算方法"按步驟bl至b3進(jìn)行；
[0015] bl:查詢或?qū)崪y(cè)得到索結(jié)構(gòu)組成材料及索結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的隨溫度變化的傳熱學(xué)參 數(shù)，利用索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的幾何實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)和參數(shù)建立索結(jié) 構(gòu)的傳熱學(xué)計(jì)算模型；查詢索結(jié)構(gòu)所在地不少于2年的近年來(lái)的氣象資料，統(tǒng)計(jì)得到這段 時(shí)間內(nèi)的陰天數(shù)量記為T個(gè)陰天，在本方法中將白天不能見(jiàn)到太陽(yáng)的一整日稱為陰天，統(tǒng) 計(jì)得到T個(gè)陰天中每一個(gè)陰天的0時(shí)至次日日出時(shí)刻后30分鐘之間的最高氣溫與最低氣 溫，日出時(shí)刻是指根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)規(guī)律確定的氣象學(xué)上的日出時(shí)刻，不表示當(dāng)天一定 可以看見(jiàn)太陽(yáng)，能夠查詢資料或通過(guò)常規(guī)氣象學(xué)計(jì)算得到所需的每一日的日出時(shí)刻，每一 個(gè)陰天的〇時(shí)至次日日出時(shí)刻后30分鐘之間的最高氣溫減去最低氣溫稱為該陰天的日氣 溫的最大溫差，有T個(gè)陰天，就有T個(gè)陰天的日氣溫的最大溫差，取T個(gè)陰天的日氣溫的最 大溫差中的最大值為參考日溫差，參考日溫差記為AI；;查詢索結(jié)構(gòu)所在地和所在海拔區(qū) 間不少于2年的近年來(lái)的氣象資料或?qū)崪y(cè)得到索結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度隨時(shí)間和海拔高度 的變化數(shù)據(jù)和變化規(guī)律，計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)所在地和所在海拔區(qū)間不少