精簡混合監測問題索載荷遞進式識別方法
【技術領域】
[0001] 斜拉橋、懸索橋、桁架結構等結構有一個共同點，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，該類結構的共同點是以索、纜或僅承受拉伸載荷的 桿件為支承部件，為方便起見，本方法將該類結構表述為"索結構"，并將索結構的所有承載 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 見統一稱為"索系統"，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 構實際就是指二力桿件。支承索的受損和松弛對索結構安全是一項重大威脅，本方法將受 損索和松弛索統稱為有健康問題的支承索，簡稱為問題索。在結構服役過程中，對支承索或 索系統的健康狀態的正確識別關系到整個索結構的安全。在環境溫度發生變化時，索結構 的溫度一般也會隨著發生變化，在索結構溫度發生變化時，索結構承受的載荷也可能發生 變化，實際上即使索結構的溫度不發生變化，索結構承受的載荷也可能單獨發生變化，同時 索結構的健康狀態也可能在發生變化，在這種復雜條件下，本方法基于混合監測（本方法 通過對本節前述不同類型的索結構的可測量參數的變化的混合監測來判斷索結構的健康 狀態，本方法將所有被監測的索結構特征參量統稱為"被監測量"，由于此時被監測量是由 索結構的不同類型的可測量參數混合組成，本方法稱此為混合監測）來識別問題索（本方 法稱之為核心被評估對象的健康狀態），屬工程結構健康監測領域。
【背景技術】
[0002] 剔除載荷變化和結構溫度變化對索結構健康狀態識別結果的影響，從而準確地識 別結構的健康狀態的變化，是目前迫切需要解決的問題，對結構安全具有重要意義，本方法 公開了解決這個問題的一種有效的、廉價的方法。
【發明內容】
[0003] 技術問題：本方法公開了一種方法，在造價更低的條件下，能夠剔除載荷變化和結 構溫度變化對索結構健康狀態識別結果的影響，準確地識別出問題索。
[0004] 在索結構服役過程中，支承索自由狀態（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）會發生變化，本方 法的目的之一就是要識別出自由長度發生了變化的支承索，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整提供了直接依據，為了方便，本方法將自由長度發生變化 的支承索統稱為松弛索。
[0005] 技術方案：物體、結構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 續分布于物體內部各點的載荷，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。
[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：同一個結構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 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。
[0008] 體積載荷是連續分布于物體內部各點的載荷，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：同一個結構的兩個部分的 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，發生變化的載荷是指那些分布集度的幅 值發生變化的體積載荷。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。
[0009] 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"，"發生變化的載荷"是指"大小發生 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"。
[0010] 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"，"發生變化的載荷"是指"分布集度的幅值發生變化的分布載荷"，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 布載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的。
[0011] 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"，"發生變化的載荷"是指"分布集度的幅值發生變化的體積載荷"， 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.當索結構承受的載荷雖有變化，但索結構正在承受的載荷沒有超出索結構初始 許用載荷時，本方法適用；索結構初始許用載荷指索結構在竣工時的許用載荷，能夠通過常 規力學計算獲得；本方法統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 索的數量和載荷的數量之和為N，即"被評估對象"的數量為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則，按此規則將索結構中所有的被 評估對象編號，該編號在后續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;確定混合監測時指定的將被監測索力的支承索，設索系統中共有Q根 支承索，顯然核心被評估對象的數量就是Q，索結構的被監測的索力數據由索結構上M1個指 定支承索的M1個索力數據來描述，索結構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構的索力信息；Mi是一個不小于0不大于Q 的整數；確定混合監測時指定的將被監測應變的被測量點，索結構的被監測的應變數據可 由索結構上K2個指定點的、及每個指定點的L2個指定方向的應變來描述，索結構應變數據 的變化就是K2個指定點的所有被測應變的變化；每次共有心個應變測量值或計算值來表征 索結構應變，M2SKjPL2之積；112是不小于0的整數；確定混合監測時指定的將被監測角度 的被測量點，索結構的被監測的角度數據由索結構上K3個指定點的、過每個指定點的L3個 指定直線的、每個指定直線的氏個角度坐標分量來描述，索結構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分量的變化；每次共有1個角度坐標分量測量 值或計算值來表征索結構的角度信息，M3SK3丄3和H3之積；M3是一個不小于0的整數；確 定混合監測時指定的將被監測的形狀數據，索結構的被監測的形狀數據由索結構上K4個指 定點的、及每個指定點的L4f指定方向的空間坐標來描述，索結構形狀數據的變化就是K4 個指定點的所有坐標分量的變化；每次共有仏個坐標測量值或計算值來表征索結構形狀， M4SK4和L4之積；M4是一個不小于0的整數；綜合上述混合監測的被監測量，整個索結構 共有M個被監測量，M為1為為和M4之和，定義參量K，K為M^!^、!^和K4之和，M必須不 小于核心被評估對象的數量Q+4,M小于被評估對象的數量N;為方便起見，在本方法中將本 步所列出的M個被監測量簡稱為"被監測量";本方法中對同一個量實時監測的任何兩次測 量之間的時間間隔不得大于30分鐘，測量記錄數據的時刻稱為實際記錄數據時刻；物體、 結構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；體積載荷是連續分布于物體內部各點的 載荷，包括物體的自重和慣性力在內；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；體積載荷是連續分布于物體內部各點的載荷，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， 發生變化的載荷是指那些分布集度的幅值發生變化的體積載荷；在包括笛卡爾直角坐標系 在內的坐標系中，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 三個分量計為或統計為三個分布載荷；
[0014] b.本方法定義"本方法的索結構的溫度測量計算方法"按步驟bl至b3進行；
[0015] bl:查詢或實測得到索結構組成材料及索結構所處環境的隨溫度變化的傳熱學參 數，利用索結構的設計圖、竣工圖和索結構的幾何實測數據，利用這些數據和參數建立索結 構的傳熱學計算模型；查詢索結構所在地不少于2年的近年來的氣象資料，統計得到這段 時間內的陰天數量記為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 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，日出時刻是指根據地球自轉和公轉規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；;查詢索結構所在地和所在海拔區 間不少于2年的近年來的氣象資料或實測得到索結構所處環境的溫度隨時間和海拔高度 的變化數據和變化規律，計算得到索結構所在地和所在海拔區間不少于2年的近年來的索 結構所處環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; 在索結構的表面上取"R個索結構表面點"，取"R個索結構表面點"的具體原則在步驟b3中 敘述，后面將通過實測得到這R個索結構表面點的溫度，稱實測得到的溫度數據為"R個索 結構表面溫度實測數據"，如果是利用索結構的傳熱學計算模型，通過傳熱計算得到這R個 索結構表面點的溫度，就稱計算得到的溫度數據為"R個索結構表面溫度計算數據";從索結 構所處的最低海拔到最高海拔之間，在索結構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、在水平面與索結構表面的交線處至少選取兩個點，從選取點處 引索結構表面的外法線，所有選取的外法線方向稱為"測量索結構沿壁厚的溫度分布的方 向"，測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向與"水平面與索結構表面的交線"相交，在選取的 測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向中必須包括索結構的向陽面外法線方向和索結構的 背陰面外法線方向，沿每一個測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向在索結構中均布選取不 少于三個點，對于支承索沿每一個測量索結構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"索結構沿厚度 的溫度分布數據"，其中沿與同一"水平面與索結構表面的交線"相交的、"測量索結構沿壁 厚的溫度分布的方向"測量獲得的"索結構沿厚度的溫度分布數據"，在本方法中稱為"相同 海拔高度索結構沿厚度的溫度分布數據"，設選取了H個不同的海拔高度，在每一個海拔高 度處，選取了B個測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向，沿每個測量索結構沿壁厚的溫度 分布的方向在索結構中選取了E個點，其中H和E都不小于3，B不小于2,對于支承索E等 于1，計索結構上"測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點"的總數為HBE個，后面將通過實 測得到這HBE個"測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點"的溫度，稱實測得到的溫度數據 為"HBE個索結構沿厚度溫度實測數據"，如果是利用索結構的傳熱學計算模型，通過傳熱計 算得到這HBE個測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點的溫度，就稱計算得到的溫度數據 為"HBE個索結構沿厚度溫度計算數據";在索結構所在地按照氣象學測量氣溫要求選取一 個位置，將在此位置實測得到符合氣象學測量氣溫要求的索結構所在環境的氣溫；在索結 構所在地的空曠無遮擋處選取一個位置，該位置應當在全年的每一日都能得到該地所能得 到的該日的最充分的日照，在該位置安放一塊碳鋼材質的平板，稱為參考平板，參考平板與 地面不可接觸，參考平板離地面距離不小于1.5米，該參考平板的一面向陽，稱為向陽面， 參考平板的向陽面是粗糙的和深色的，參考平板的向陽面應當在全年的每一日都能得到一 塊平板在該地所能得到的該日的最充分的日照，參考平板的非向陽面覆有保溫材料，將實 時監測得到參考平板的向陽面的溫度；
[0016]b2:實時監測得到上述R個索結構表面點的R個索結構表面溫度實測數據，同時 實時監測得到前面定義的索結構沿厚度的溫度分布數據，同時實時監測得到符合氣象學測 量氣溫要求的索結構所在環境的氣溫數據；通過實時監測得到當日日出時刻到次日日出 時刻后30分鐘之間的索結構所在環境的氣溫實測數據序列，索結構所在環境的氣溫實測 數據序列由當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的索結構所在環境的氣溫實測數 據按照時間先后順序排列，找到索結構所在環境的氣溫實測數據序列中的最高溫度和最低 溫度，用索結構所在環境的氣溫實測數據序列中的最高溫度減去最低溫度得到索結構所在 環境的當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差，稱為環境最大溫差，記為 AT_x;由索結構所在環境的氣溫實測數據