精簡空間坐標(biāo)監(jiān)測載荷受損索廣義位移遞進(jìn)式識別方法
【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，有時簡稱為"索"，所W在后面使用"索"運(yùn)個字的時候，對巧架 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。在支承索受損時，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)承受的載荷也可能同時發(fā)生變化，實(shí)際上即使索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)不發(fā)生變 化，索結(jié)構(gòu)承受的載荷也可能單獨(dú)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 (本方法將被監(jiān)測的空間坐標(biāo)稱為"被監(jiān)測量"）來識別支座廣義位移和受損索，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)支座廣義位移對索結(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)變化對索結(jié)構(gòu)支座廣義位移識別結(jié)果的影響，從而準(zhǔn)確地識別索結(jié)構(gòu)支座廣義位移， 也是目前迫切需要解決的問題；本方法公開了一種解決運(yùn)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，實(shí)現(xiàn)了兩種功能，分別 是，一、剔除支座廣義位移和載荷變化對索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識別結(jié)果的影響，從而準(zhǔn)確地識別 出支承索的健康狀態(tài)；二、本方法還能夠剔除載荷變化和索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)變化對索結(jié)構(gòu)支 座廣義位移識別結(jié)果的影響，從而準(zhǔn)確地識別索結(jié)構(gòu)支座廣義位移。
[0004] 技術(shù)方案：本方法由兩部分組成。分別是：一、確定被評估對象和被監(jiān)測量（也可 W稱為被監(jiān)測對象）；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(shí)測被監(jiān)測量的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估方法；=、健康監(jiān)測系統(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] 本方法的第一部分：確定被評估對象和被監(jiān)測量。
[0007] 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， 一個集中力可W分解成=個分量，同樣的，一個集中力偶也可W分解成=個分量，如果載荷 實(shí)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。
[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)（例如兩個分布載荷都是均布，但其幅值不 同，可W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lOMPa，另一個分布載荷的幅值是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，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，一個分布 載荷可W分解成若干個分量，如果運(yùn)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，那么在本方法中把運(yùn)若干個分布載荷的分量看成同樣數(shù) 量的獨(dú)立的分布載荷，此時一個載荷就代表一個分布載荷的分量，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分布載荷或稱為一個載荷。
[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：同一個結(jié)構(gòu)的兩個部分的 材料不同，故密度不同，所W雖然運(yùn)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lOkN/W，另一個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，此時在本方法中提到載荷的改變時實(shí)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W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W分解成關(guān)于坐標(biāo)系的=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W分解成=個分量），如果運(yùn)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，那么在本方法中把運(yùn)若干個體積載荷的 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 分量合成為一個體積載荷或稱為一個載荷。 W11] 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(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"。
[0012] 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(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。
[0013] 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(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個可能發(fā)生變化的載荷，即共有JZW個次要被評估對象。
[0015] 設(shè)索結(jié)構(gòu)的支座廣義位移分量的數(shù)量、索結(jié)構(gòu)的支承索的數(shù)量和JZW個"所有可 能發(fā)生變化的載荷"的數(shù)量之和為N，即共有N個被評估對象。給被評估對象連續(xù)編號，該 編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。
[0016] 設(shè)被評估的支承索和支座廣義位移分量的數(shù)量之和為P，即核屯、被評估對象的數(shù) 量為P，設(shè)被評估的支座廣義位移分量的數(shù)量為Z，設(shè)被評估的支承索的數(shù)量為Ml。
[0017] "結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)"由結(jié)構(gòu)上K個指定點(diǎn)的、及每個指定點(diǎn)的L 個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)個空間坐標(biāo)測量值或計算值來表征結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)信息。
[0018] 綜合上述被監(jiān)測量，整個索結(jié)構(gòu)共有M個被監(jiān)測量，M應(yīng)當(dāng)大于核屯、被評估對象的 數(shù)量，M小于被評估對象的數(shù)量。
[0019] 為方便起見，在本方法中將"索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的所有參量"簡稱為"被監(jiān)測量"。給 M個被監(jiān)測量連續(xù)編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。本方法用用變量j表 示運(yùn)一編號，j= 1，2, 3,…，M。
[0020] 本方法的第二部分：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(shí)測被監(jiān)測量的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估方法?？砂慈缦虏襟E依次進(jìn)行，W 獲得更準(zhǔn)確的被評估對象的健康狀態(tài)評估。
[0021] 第一步：建立初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。，在索結(jié)構(gòu)竣工之時，或者在建立健康監(jiān)測 系統(tǒng)前，使用常規(guī)方法直接測量計算得到索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，同時使用常 規(guī)方法（查資料或?qū)崪y）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），同時使用常規(guī)方法實(shí)測計算得到索結(jié)構(gòu)的實(shí)測計算數(shù)據(jù)。索結(jié)構(gòu)的實(shí) 測計算數(shù)據(jù)首先是包括支承索的無損檢測數(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)測計算數(shù)據(jù)還是包括索結(jié)構(gòu)支座初始廣義位移測量數(shù)據(jù)、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)角度測量數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)在內(nèi)的實(shí)測數(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。索結(jié)構(gòu)支座初始廣義位移測量數(shù)據(jù)指在建立 初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。時，索結(jié)構(gòu)支座相對于索結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)下的支座所發(fā)生的廣義位 移。對斜拉橋而言，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)計算基準(zhǔn)模型A。時全部為0,也就是說后面識別出的"所有可能發(fā)生變化的載 荷"的變化量是相對于建立初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。時結(jié)構(gòu)所承受的對應(yīng)載荷的變化量。 利用支承索的無損檢測數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)支承索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座初始廣義位 移測量數(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)建立被評估對象初始損傷向量 d。（如式（1)所示），用d。表示索結(jié)構(gòu)（用初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。表示）的被評估對象 的初始健康狀態(tài)。如果沒有支承索的無損檢測數(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，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，向量d。的中與支承索相關(guān)的各 元素數(shù)值取0。向量d。中與載荷的變化量相關(guān)的各元素數(shù)值取0。如果沒有索結(jié)構(gòu)支座初 始廣義位移測量數(shù)據(jù)或者可W認(rèn)為索結(jié)構(gòu)支座初始廣義位移為0時，向量d。的中與索結(jié)構(gòu) 支座廣義位移相關(guān)的各元素數(shù)值取0。利用索結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖、竣工圖和初始索結(jié)構(gòu)的實(shí)測數(shù) 據(jù)、支承索的無損檢測數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)支座初始廣義位移測量數(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（例如有限元法）建立初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。。 陽02引 d〇= [d0id02 ? ? ?d0k? ? ?djT(1)
[002引式（1)中cU化=1，2,3,…….，腳表示初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。中的第k個被 評估對象的初始狀態(tài)，如果該被評估對象是索系統(tǒng)中的一根索（或拉桿），那么cU表示其初 始損傷，cU為0時表示無損傷，為100%時表示該索徹底喪失承載能力，介于0與100%之 間時表示喪失相應(yīng)比例的承載能力；如果該被評估對象是一個支座的一個廣義位移分量， 那么cU表示其初始位移數(shù)值；如果該被評估對象是一個"可能發(fā)生變化的載荷"，那么cLk 表示其初始數(shù)值，cU為0,也就是說后面識別出的"所有可能發(fā)生變化的載荷"的變化量是 相對于建立初始力學(xué)計算基準(zhǔn)模型A。時結(jié)構(gòu)所承受的對應(yīng)載荷的變化量。式中上標(biāo)T表 示向量的轉(zhuǎn)置（后同）。
[0024] 使用常規(guī)方法直接測量計算得到的索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，組成被監(jiān) 測量初始數(shù)值向量C。（見式（2))。要求在獲得A。的同時獲得C。，被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C。 表示對應(yīng)于A。的"被監(jiān)測量"的具體數(shù)值。