精簡廣義位移空間坐標監(jiān)測受損索載荷遞進式識別方法
【技術(shù)領域】
[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。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 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)生廣義位移，索結(jié)構(gòu)承受的載荷也可能發(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，在這種復雜條件下，本方法基于空間坐標監(jiān) 測（本方法將被監(jiān)測的空間坐標稱為"被監(jiān)測量"）來識別受損索（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)溫度變化對索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識別結(jié)果 的影響，從而準確地識別結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的變化，是目前迫切需要解決的問題，本方法公開 了解決這個問題的一種有效的、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，在支座有廣義位移時， 在結(jié)構(gòu)承受的載荷和結(jié)構(gòu)（環(huán)境）溫度變化時，能夠剔除支座廣義位移、載荷變化和結(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，從而準確地識別出支承索的健康狀態(tài)。
[0004] 技術(shù)方案：本方法由三部分組成。分別是：一、"本方法的索結(jié)構(gòu)的溫度測量計算 方法";二、建立索結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識庫和參量的方法、基于知識庫（含參量）和 實測被監(jiān)測量的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估方法；三、健康監(jiān)測系統(tǒng)的軟件和硬件部分。
[0005] 在本方法中，用"支座空間坐標"指稱支座關于笛卡爾直角坐標系的X、Y、Z軸的 坐標，也可以說成是支座關于X、Y、Z軸的空間坐標，支座關于某一個軸的空間坐標的具體 數(shù)值稱為支座關于該軸的空間坐標分量，本方法中也用支座的一個空間坐標分量表達支座 關于某一個軸的空間坐標的具體數(shù)值；用"支座角坐標"指稱支座關于X、Y、Z軸的角坐標， 支座關于某一個軸的角坐標的具體數(shù)值稱為支座關于該軸的角坐標分量，本方法中也用支 座的一個角坐標分量表達支座關于某一個軸的角坐標的具體數(shù)值；用"支座廣義坐標"指稱 支座角坐標和支座空間坐標全體，本方法中也用支座的一個廣義坐標分量表達支座關于一 個軸的空間坐標或角坐標的具體數(shù)值；支座關于X、Y、Z軸的坐標的改變稱為支座線位移， 也可以說支座空間坐標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 支座關于某一個軸的線位移的具體數(shù)值；支座關于X、Y、Z軸的角坐標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支座關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 達支座關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，在坐標系中，例如在笛卡爾直角坐標系中， 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，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（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，本方法談論載荷的變化時，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，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（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 爾直角坐標系中，體積載荷可以分解成關于坐標系的三個軸的分量，也就是說，在笛卡爾直 角坐標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)力學計算獲得；本方法統(tǒng)一稱被評估的支承索和載荷為"被評估對象"，設被評估的支承 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;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，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;設索系統(tǒng)中共有吣根支承索，顯然核心被評估對象的數(shù)量就是M1;確 定指定的將被監(jiān)測空間坐標的被測量點，給所有指定點編號；確定過每一測量點的將被監(jiān) 測的空間坐標分量，給所有被測量空間坐標分量編號；上述編號在后續(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)測的空間坐標數(shù)據(jù)"由上述所有被測量空間坐標分量組 成；為方便起見，在本方法中將"索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標數(shù)據(jù)"簡稱為"被監(jiān)測量";所 有被監(jiān)測量的數(shù)量之和記為M，M必須大于核心被評估對象的數(shù)量，M小于被評估對象的數(shù) 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系在內(nèi)的坐標系中，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，分布集度用分布特征和幅值來表達；如果載荷實際上是分 布載荷，本方法談論載荷的變化時，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系在內(nèi)的坐標 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，分布集度用分布特征和幅值來表達；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系在內(nèi)的坐標系中，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參 數(shù)，利用索結(jié)構(gòu)的設計圖、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)律確定的氣象學上的日出時刻，不表示當天一定 可以看見太陽，能夠查詢資料或通過常規(guī)氣象學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 的溫度分布數(shù)據(jù)"，其中沿與同一"水平面與索結(jié)構(gòu)表面的交線"相交的、"測量索結(jié)構(gòu)沿壁 厚的溫度分布的方向"測量獲得的"索結(jié)構(gòu)