精簡混合監(jiān)測問題索載荷角位移識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個共同點，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，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，有時簡稱為"索"，所以在后面使用"索"這個字的時候，對桁架結(jié) 構(gòu)實際就是指二力桿件。支承索的受損和松弛對索結(jié)構(gòu)安全是一項重大威脅，本方法將受 損索和松弛索統(tǒng)稱為有健康問題的支承索，簡稱為問題索。在結(jié)構(gòu)服役過程中，對支承索或 索系統(tǒng)的健康狀態(tài)的正確識別關(guān)系到整個索結(jié)構(gòu)的安全。在環(huán)境溫度發(fā)生變化時，索結(jié)構(gòu) 的溫度一般也會隨著發(fā)生變化，在索結(jié)構(gòu)溫度發(fā)生變化時，索結(jié)構(gòu)支座可能發(fā)生角位移，索 結(jié)構(gòu)承受的載荷也可能發(fā)生變化，實際上即使索結(jié)構(gòu)的溫度不發(fā)生變化，索結(jié)構(gòu)承受的載 荷也可能單獨發(fā)生變化，同時索結(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 方法基于混合監(jiān)測（本方法通過對本節(jié)前述不同類型的索結(jié)構(gòu)的可測量參數(shù)的變化的混 合監(jiān)測來判斷索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，本方法將所有被監(jiān)測的索結(jié)構(gòu)特征參量統(tǒng)稱為"被監(jiān)測 量"，由于此時被監(jiān)測量是由索結(jié)構(gòu)的不同類型的可測量參數(shù)混合組成，本方法稱此為混合 監(jiān)測）來識別支座角位移和問題索（本方法稱之為核心被評估對象的健康狀態(tài)），屬工程結(jié) 構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 剔除載荷變化、索結(jié)構(gòu)支座角位移和結(jié)構(gòu)溫度變化對索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識別結(jié)果的 影響，從而準(zhǔn)確地識別結(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)溫度變化對索結(jié)構(gòu)支座角位移識別結(jié)果的影響，從而準(zhǔn)確 地識別索結(jié)構(gòu)支座角位移，也是目前迫切需要解決的問題；本方法公開了一種解決這兩個 問題的有效的、廉價的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題：本方法公開了一種方法，在造價更低的條件下，能夠準(zhǔn)確識別出支承索 的健康狀態(tài)和索結(jié)構(gòu)支座角位移。
[0004] 在索結(jié)構(gòu)服役過程中，支承索自由狀態(tài)（此時索張力也稱索力為0)下的索長度 (稱為自由長度，本方法專指支承索兩支承端點間的那段索的自由長度）會發(fā)生變化，本方 法的目的之一就是要識別出自由長度發(fā)生了變化的支承索，并識別出它們的自由長度的改 變量，此改變量為該索的索力調(diào)整提供了直接依據(jù)，為了方便，本方法將自由長度發(fā)生變化 的支承索統(tǒng)稱為松弛索。
[0005] 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空間坐標(biāo)分量表 達(dá)支座關(guān)于某一個軸的空間坐標(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 也用支座的一個角坐標(biāo)分量表達(dá)支座關(guān)于某一個軸的角坐標(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廣義坐標(biāo)分量表達(dá)支 座關(guān)于一個軸的空間坐標(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線位移 分量表達(dá)支座關(guān)于某一個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角位移分量表達(dá)支座關(guān)于某一個軸的角位移的具體 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廣義位 移分量表達(dá)支座關(guān)于某一個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。
[0006] 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)部各點的載荷，如物體的自重和慣性力。
[0007] 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， 一個集中力可以分解成三個分量，同樣的，一個集中力偶也可以分解成三個分量，如果載荷 實際上是集中載荷，在本方法中將一個集中力分量或一個集中力偶分量稱為一個載荷，此 時載荷的變化具體化為一個集中力分量或一個集中力偶分量的變化。
[0008] 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）和幅值來表達(dá)（例如兩個分布載荷都是均布，但其幅值不 同，可以均布壓力為例來說明幅值的概念：同一個結(jié)構(gòu)承受兩個不同的均布壓力，兩個分布 載荷都是均布載荷，但一個分布載荷的幅值是l〇MPa，另一個分布載荷的幅值是50MPa)。如 果載荷實際上是分布載荷，本方法談?wù)撦d荷的變化時，實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，一個分布 載荷可以分解成若干個分量，如果這分布載荷的若干個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分布載荷的分量看成同樣數(shù) 量的獨立的分布載荷，此時一個載荷就代表一個分布載荷的分量，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分布載荷或稱為一個載荷。
[0009] 體積載荷是連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點的載荷，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）和幅值來表達(dá)（例如兩個體積 載荷都是均布，但其幅值不同，可以自重為例來說明幅值的概念：同一個結(jié)構(gòu)的兩個部分的 材料不同，故密度不同，所以雖然這兩個部分所受的體積載荷都是均布的，但一個部分所受 的體積載荷的幅值可能是10kN/m3,另一個部分所受的體積載荷的幅值是50kN/m3)。如果載 荷實際上是體積載荷，在本方法中實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，此時在本方法中提到載荷的改變時實際 上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變，此時，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，一個體積載荷可以分解成若干個分量（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)系的三個軸的分量，也就是說，在笛卡爾直 角坐標(biāo)系中體積載荷可以分解成三個分量），如果這體積載荷的若干個分量的各自的分布 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體積載荷的 分量看成同樣數(shù)量的獨立的載荷，也可以將其中分布集度的幅值變化比率相同的體積載荷 分量合成為一個體積載荷或稱為一個載荷。
[0010] 當(dāng)載荷具體化為集中載荷時，在本方法中，"載荷單位變化"實際上是指"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 的實際變化量"是指"集中載荷的大小的實際變化量"，"發(fā)生變化的載荷"是指"大小發(fā)生 變化的集中載荷"，簡單地說，此時"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"。
[0011] 當(dāng)載荷具體化為分布載荷時，在本方法中，"載荷單位變化"實際上是指"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"，"載荷的實際變化量"具體指"分布載荷的分布集度的幅值的 實際變化量"，"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"，簡單地說， 此時"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。
[0012] 當(dāng)載荷具體化為體積載荷時，在本方法中，"載荷單位變化"實際上是指"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"，"載荷的實際變化量"是指"體積載荷的分布集 度的幅值的實際變化量"，"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"， 簡單地說，"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。
[0013] 本方法具體包括：
[0014] a.當(dāng)索結(jié)構(gòu)承受的載荷雖有變化，但索結(jié)構(gòu)正在承受的載荷沒有超出索結(jié)構(gòu)初始 許用載荷時，本方法適用；索結(jié)構(gòu)初始許用載荷指索結(jié)構(gòu)在竣工時的許用載荷，能夠通過常 規(guī)力學(xué)計算獲得；本方法統(tǒng)一稱被評估的支座角位移分量、支承索和載荷為被評估對象，設(shè) 被評估的支座角位移分量的數(shù)量、支承索的數(shù)量和載荷的數(shù)量之和為N，即被評估對象的數(shù) 量為N;確定被評估對象的編號規(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被評估對象編號，該編號 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，k= 1，2, 3,…，N;本 方法用名稱"核心被評估對象"專指"被評估對象"中的被評估的支承索和支座角位移分量， 設(shè)被評估的支承索和支座角位移分量的數(shù)量之和為P，即核心被評估對象的數(shù)量為P，本方 法用名稱"次要被評估對象"專指"被評估對象"中的被評估的載荷；確定混合監(jiān)測時指定 的將被監(jiān)測索力的支承索，設(shè)索系統(tǒng)中共有Q根支承索，索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的索力數(shù)據(jù)由索 結(jié)構(gòu)上M1個指定支承索的^個索力數(shù)據(jù)來描述，索結(jié)構(gòu)索力的變化就是所有指定支承索的 索力的變化；每次共有M1個索力測量值或計算值來表征索結(jié)構(gòu)的索力信息W1是一個不小 于O不大于Q的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測應(yīng)變的被測量點，索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的 應(yīng)變數(shù)據(jù)可由索結(jié)構(gòu)上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應(yīng)變來描述，索結(jié) 構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是1(2個指定點的所有被測應(yīng)變的變化；每次共有心個應(yīng)變測量值或計 算值來表征索結(jié)構(gòu)應(yīng)變，M2SK2和L2之積；M2是不小于O的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的 將被監(jiān)測角度的被測量點，索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)由索結(jié)構(gòu)上K3個指定點的、過每個 指定點的L3個指定直線的、每個指定直線的113個角度坐標(biāo)分量來描述，索結(jié)構(gòu)角度的變化 就是所有指定點的、所有指定直線的、所有指定的角度坐標(biāo)分量的變化；每次共有1個角度 坐標(biāo)分量測量值或計算值來表征索結(jié)構(gòu)的角度信息，M3SK3、LjPH3之積；M3是一個不小 于O的整數(shù)；確定混合監(jiān)測時指定的將被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)，索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的形狀數(shù)據(jù)由 索結(jié)構(gòu)上K4個指定點的、及每個指定點的1^4個指定方向的空間坐標(biāo)來描述，索結(jié)構(gòu)形狀數(shù) 據(jù)的變化就是K4個指定點的所有坐標(biāo)分量的變化；每次共有M4個坐標(biāo)測量值或計算值來 表征索結(jié)構(gòu)形狀，M4SK4和L4之積；M4是一個不小于O的整數(shù)；綜合上述混合監(jiān)測的被監(jiān) 測量，整個索結(jié)構(gòu)共有M個被監(jiān)測量，M為吣、M2、MjPM4之和，定義參量K，K為MK2、1(3和 K4之和，M應(yīng)當(dāng)大于P，M小于N;為方便起見，在本方法中將本步所列出的M個被監(jiān)測量簡 稱為"被監(jiān)測量";本方法中對同一個量實時監(jiān)測的任何兩次測量之間的時間間隔不得大于 30分鐘，測量記錄數(shù)據(jù)的時刻稱為實際記錄數(shù)據(jù)時刻；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， 一個集中力可以分解成三個分量，同樣的，一個集中力偶也可以分解成三個分量，如果載荷 實際上是集中載荷，在本方法中將一個集中力分量或一個集中力偶分量計為或統(tǒng)計為一個 載荷，此時載荷的變化具體化為一個集中力分量或一個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表達(dá)，分布集度用分布特征和幅值來表達(dá)；如果載荷實 際上是分布載荷，本方法談?wù)撦d荷的變化時，實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，一個分布載荷可以分解成三個分量，如果這分布載荷的三個分量的各自的 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 個分量計為或統(tǒng)計為三個分布載荷，此時一個載荷就代表分布載荷的一個分量；體積載荷 是連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點的載荷，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表達(dá)，分布集度用分布特征和幅值來表達(dá)；如果 載荷實際上是體積載荷，在本方法中實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，此時在本方法中提到載荷的改變 時實際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變，此時，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，一個體積載荷 可以分解成三個分量，如果這體積載荷的三個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分量計為或統(tǒng)計為三個分布 載荷；
[0015] b.本方法定義"本方法的索結(jié)構(gòu)的溫度測量計算方法"按步驟bl至b3進(jìn)行；
[0016] bl:查詢或?qū)崪y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)計圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的幾何實測數(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)計算模型；查詢索結(jié)構(gòu)所在地不少于2年的近年來的氣象資料，統(tǒng)計得到這段 時間內(nèi)的陰天數(shù)量記為T個陰天，在本方法中將白天不能見到太陽的一整日稱為陰天，統(tǒng) 計得到T個陰天中每一個陰天的0時至次日日出時刻后30分鐘之間的最高氣溫與最低氣 溫，日出時刻是指根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)規(guī)律確定的氣象學(xué)上的日出時刻，不表示當(dāng)天一定 可以看見太陽，能夠查詢資料或通過常規(guī)氣象學(xué)計算得到所需的每一日的日出時刻，每一 個陰天的〇時至次日日出時刻后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個陰天，就有T個陰天的日氣溫的最大溫差，取T個陰天的日氣溫的最 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年的近年來的氣象資料或?qū)崪y得到索結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度隨時間和海拔高度 的變化數(shù)據(jù)和變化規(guī)律，計算得到索結(jié)構(gòu)所在地和所在海拔區(qū)間不少于2年的近年來的索 結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度關(guān)于海拔高度的最大變化率ATh，為方便敘述取A1；的單位為°C/m; 在索結(jié)構(gòu)的表面上取"R個索結(jié)構(gòu)表面點"，取"R個索結(jié)構(gòu)表面點"的具體原則在步驟b3中 敘述，后面將通過實測得到這R個索結(jié)構(gòu)表面點的溫度，稱實測得到的溫度數(shù)據(jù)為"R個索 結(jié)構(gòu)表面溫度實測數(shù)據(jù)"，如果是利用索結(jié)構(gòu)的傳熱學(xué)計算模型，通過傳熱計算得到這R個 索結(jié)構(gòu)表面點的溫度，就稱計算得到的溫度數(shù)據(jù)為"R個索結(jié)構(gòu)表面溫度計算數(shù)據(jù)";從索結(jié) 構(gòu)所處的最低海拔到最高海拔之間，在索結(jié)構(gòu)上均布選取不少于三個不同的海拔高度，在 每一個選取的海拔高度處、在水平面與索結(jié)構(gòu)表面的交線處至少選取兩個點，從選取點處 引索結(jié)構(gòu)表面的外法線，所有選取的外法線方向稱為"測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方 向"，測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向與"水平面與索結(jié)構(gòu)表面的交線"相交，在選取的 測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向中必須包括索結(jié)構(gòu)的向陽面外法線方向和索結(jié)構(gòu)的 背陰面外法線方向，沿每一個測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向在索結(jié)構(gòu)中均布選取不 少于三個點，對于支承索沿每一個測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向僅僅取一個點，僅 僅測量支承索的表面點的溫度，測量所有被選取點的溫度，測得的溫度稱為"索結(jié)構(gòu)沿厚度 的