精簡角位移索力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，索結構支座可能發生角位移，索結構承受的載荷也可能發生變化， 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，本方法基于索力監測（本 方法將被監測的索力稱為"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、索結構支座角位移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，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，在支座有角位移時，在 結構承受的載荷和結構（環境）溫度變化時，能夠剔除支座角位移、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，從而準確地識別出支承索的健康狀態。
[0004] 技術方案：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W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值；支座關于X、Y、Z軸的坐標的改變稱為支座 線位移，也可W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。
[0005] 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。
[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。
[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。
[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M1，索 結構索力數據包括運Ml根支承索的索力，本方法在監測全部Ml根支承索索力的基礎上，在 索結構上人為增加M2根索，稱為傳感索，在索結構健康監測過程中將監測運新增加的M2根 傳感索的索力；綜合上述被監測量，整個索結構共有M根索的M個索力被監測，即有M個被 監測量，其中M為Ml與M2之和；M大于核屯、被評估對象的數量，M小于被評估對象的數量； 新增加的M2根傳感索的剛度同索結構的任意一根支承索的剛度相比，應當小得多；新增加 的M2根傳感索的各傳感索的索力應當比索結構的任意一根支承索的索力小得多，運樣可W 保證即使運新增加的M2根傳感索出現了損傷或松弛，對索結構其他構件的應力、應變、變形 的影響微乎其微；新增加的M2根傳感索的橫截面上正應力應當小于其疲勞極限，運些要求 可W保證新增加的M2根傳感索不會發生疲勞損傷；新增加的M2根傳感索的兩端應當充分 錯固，保證不會出現松弛；新增加的M2根傳感索應當得到充分的防腐蝕保護，保證新增加 的M2根傳感索不會發生損傷和松弛；為方便起見，在本方法中將"索結構的被監測的所有參 量"簡稱為"被監測量";給M個被監測量連續編號，本方法用用變量j表示運一編號，j= 1，2, 3,…，M，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣；在本方法中新增加的M2根傳感 索作為索結構的一部分，后文再提到索結構時，索結構包括增加Mz根傳感索前的索結構和 新增加的M2根傳感索，也就是說后文提到索結構時指包括新增加的M2根傳感索的索結構； 因此后文提到按照"本方法的索結構的溫度測量計算方法"測量計算得到"索結構穩態溫 度數據"時，其中的索結構包括新增加的M2根傳感索，得到的"索結構穩態溫度數據"包括 新增加的M2根傳感索的穩態溫度數據，獲得新增加的M2根傳感索的穩態溫度數據的方法同 于索結構的Ml根支承索的穩態溫度數據的獲得方法，在后文不再一一交代；測量得到新增 加的M2根傳感索的索力的方法同于索結構的Ml根支承索的索力的測量方法，在后文不再 一一交代；對索結構的支承索進行任何測量時，同時對新增加的M2根傳感索進行同樣的測 量，在后文不再一一交代；新增加的M2根傳感索除了不發生損傷和松弛外，對新增加的M2根 傳感索的信息量的要求和獲得方法與索結構的支承索的信息量的要求和獲得方法相同，在 后文不再一一交代；在后文建立索結構的各種力學模型時，將新增加的M2根傳感索視同索 結構的支承索對待；在后文中，除了提到支承索的損傷和松弛的場合外，當提到支承索時所 說的支承索包括索結構的支承索和新增加的M2根傳感索；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；
[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