精簡(jiǎn)廣義位移空間坐標(biāo)監(jiān)測(cè)載荷受損索識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 斜拉橋、懸索橋、巧架結(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W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"運(yùn)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W在后面使用"索"運(yùn)個(gè)字的時(shí)候，對(duì)巧架結(jié) 構(gòu)實(shí)際就是指二力桿件。在結(jié)構(gòu)服役過程中，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。在索結(jié)構(gòu)服役過程中，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，在運(yùn)種復(fù)雜條件下，本 方法基于空間坐標(biāo)監(jiān)測(cè)（本方法將被監(jiān)測(cè)的空間坐標(biāo)稱為"被監(jiān)測(cè)量"）來識(shí)別受損索，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題，本方法公開了解決運(yùn)個(gè)問 題的一種有效的、廉價(jià)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(jià)更低的條件下，在支座有廣義位移時(shí)， 在結(jié)構(gòu)承受的載荷變化時(shí)，能夠剔除支座廣義位移和載荷變化對(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)。
[0004] 技術(shù)方案：本方法由=部分組成。分別是建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫和 參量的方法、基于知識(shí)庫（含參量）和實(shí)測(cè)被監(jiān)測(cè)量的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估方法、健康監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)的軟件和硬件部分。 陽0化]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W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(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W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(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。
[0006] 本方法的第一部分：建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫和參量的方法。具體如 下：
[0007] 1.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。
[0008] 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W分解成=個(gè)分量，同樣的，一個(gè)集中力偶也可W分解成=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。
[0009] 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(gè)分布載荷都是均布，但其幅值不 同，可W均布?jí)毫槔齺碚f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lOMPa，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W分解成若干個(gè)分量，如果運(yùn)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，那么在本方法中把運(yùn)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W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。
[0010] 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(gè)體積 載荷都是均布，但其幅值不同，可W自重為例來說明幅值的概念：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W雖然運(yùn)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lOkN/W，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W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W分解成關(guān)于坐標(biāo)系的=個(gè)軸的分量，也就是說，在笛卡爾直 角坐標(biāo)系中體積載荷可W分解成=個(gè)分量），如果運(yùn)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，那么在本方法中把運(yùn)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W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。 W11] 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，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"。
[0012] 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， 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。
[0013] 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，"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。
[0014] 首先確認(rèn)索結(jié)構(gòu)承受的可能發(fā)生變化的載荷的數(shù)量。根據(jù)索結(jié)構(gòu)所承受的載荷的 特點(diǎn)，確認(rèn)其中"所有可能發(fā)生變化的載荷"，或者將所有的載荷視為"所有可能發(fā)生變化的 載荷"，設(shè)共有JZW個(gè)可能發(fā)生變化的載荷，本即共有JZW個(gè)次要被評(píng)估對(duì)象。設(shè)索系統(tǒng)中 共有Ml根支承索，即共有M1個(gè)核屯、被評(píng)估對(duì)象。設(shè)索結(jié)構(gòu)的支承索的數(shù)量和JZW個(gè)"所有 可能發(fā)生變化的載荷"的數(shù)量之和為N，即共有N個(gè)被評(píng)估對(duì)象。給被評(píng)估對(duì)象連續(xù)編號(hào)， 該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。
[0015] "結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測(cè)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)"由結(jié)構(gòu)上K個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L 個(gè)指定方向的空間坐標(biāo)來描述，結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化就是K個(gè)指定點(diǎn)的所有空間坐標(biāo) 分量的變化。每次共有M(M=KXL)個(gè)空間坐標(biāo)測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)信息。
[0016] 綜合上述被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)索結(jié)構(gòu)共有M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，M大于核屯、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N。
[0017] 為方便起見，在本方法中將"索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量"簡(jiǎn)稱為"被監(jiān)測(cè)量"。給 M個(gè)被監(jiān)測(cè)量連續(xù)編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。本方法用用變量j表 示運(yùn)一編號(hào)，j= 1，2, 3,…，M。
[0018] 2.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。（例如有限元基準(zhǔn)模型）和當(dāng)前初始力 學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。（例如有限元基準(zhǔn)模型）的方法，建立與A。對(duì)應(yīng)的被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向 量C。的方法，建立與At。對(duì)應(yīng)的被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前初始數(shù)值向量Ct。的方法。在本方法中A。、(；、 At。和Ct。是不斷更新的。建立和更新A。、C。、At。和Ct。的方法如下。被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向量 C。的編號(hào)規(guī)則與M個(gè)被監(jiān)測(cè)量的編號(hào)規(guī)則相同。
[0019] 建立初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。時(shí)，在索結(jié)構(gòu)竣工之時(shí)，或者在建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)前，使用常規(guī)方法直接測(cè)量計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值。使用常規(guī)方 法（查資料或?qū)崪y(cè)）得到索結(jié)構(gòu)所使用的各種材料的物理參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)（例如彈性 模量、泊松比）；同時(shí)，使用常規(guī)方法實(shí)測(cè)計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)。索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè) 計(jì)算數(shù)據(jù)首先是包括支承索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)在內(nèi)的能夠表達(dá)索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，索結(jié)構(gòu) 的實(shí)測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)還是包括索結(jié)構(gòu)初始幾何數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、初始索結(jié)構(gòu)支座 廣義坐標(biāo)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)角度測(cè)量數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)測(cè)量數(shù) 據(jù)和載荷數(shù)據(jù)在內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。索結(jié)構(gòu)的初始幾何數(shù)據(jù)可W是所有索的端點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù) 據(jù)加上結(jié)構(gòu)上一系列的點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，目的在于根據(jù)運(yùn)些坐標(biāo)數(shù)據(jù)確定索結(jié)構(gòu)的幾何 特征。對(duì)斜拉橋而言，初始幾何數(shù)據(jù)可W是所有索的端點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)加上橋梁兩端上 若干點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，運(yùn)就是所謂的橋型數(shù)據(jù)。"所有可能發(fā)生變化的載荷"的變化量在 建立初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。時(shí)全部為0,也就是說后面識(shí)別出的"所有可能發(fā)生變化的載 荷"的變化量是相對(duì)于建立初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。時(shí)結(jié)構(gòu)所承受的對(duì)應(yīng)載荷的變化量。 利用支承索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)支承索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)W及"所有可能發(fā)生變化 的載荷"的變化量數(shù)據(jù)建立被評(píng)估對(duì)象初始損傷向量d。（如式（1)所示），用d。表示索結(jié)構(gòu) (用初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。表示）的被評(píng)估對(duì)象的初始健康狀態(tài)。如果沒有支承索的無 損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)支承索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可W認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無 損傷無松弛狀態(tài)時(shí)，向量d。的中與支承索相關(guān)的各元素?cái)?shù)值取0。向量d。中與載荷的變化 量相關(guān)的各元素?cái)?shù)值取0。利用索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和初始索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、支承索 的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)所使用的各種材料的物理和力學(xué)性能參數(shù)，利用力學(xué)方法（例如 有限元