精簡空間坐標監測受損索載荷識別方法
【技術領域】
[0001] 斜拉橋、懸索橋、巧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"運一名詞指稱承載索、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"運個字的時候，對巧架結 構實際就是指二力桿件。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，在運種復雜條件下，本方法基于空間坐標監測（本方法將被監測的空間坐標稱為"被 監測量"）來識別受損索（本方法稱之為核屯、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 公開了解決運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，準確地識別出支承索的健康狀態。
[0004] 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。 陽〇化]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。
[0006] 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W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lOMPa，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W分解成若干個分量，如果運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，那么在本方法中把運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。
[0007]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W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W雖然運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W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W分解成關于坐標系的=個軸的分量，也就是說，在笛卡爾直 角坐標系中體積載荷可W分解成=個分量），如果運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，那么在本方法中把運若干個體積載荷的 分量看成同樣數量的獨立的載荷，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。
[000引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"。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 本方法具體包括：
[0012] 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"核屯、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；為敘述方便起見，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"核屯、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表示運一編號，k= 1，2, 3,…，N;設索系統中共有Ml根支承索，顯然核屯、被 評估對象的數量就是Ml;確定指定的將被監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 在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；"索結構的全部被監測的空間坐標數據"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"索結構的被監測的空間坐標數據" 簡稱為"被監測量";所有被監測量的數量之和記為M，M大于支承索的數量Ml,M小于被評 估對象的數量N;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W分解成=個分量，如果運分布載荷的=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，那么在本方法中把運分布載荷的= 個分量計為或統計為=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W分解成=個分量，如果運體積載荷的=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，那么在本方法中把運體積載荷的=個分量計為或統計為=個分布 載荷；
[0013] 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；
[0014] 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，利用運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，統計得到運段 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W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0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ATf;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ATh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運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，通過傳熱計算得到運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=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=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