精簡空間坐標監測載荷受損索廣義位移遞進式識別方法
【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。在支承索受損時，在索結構服役過程中，索結構支座可能發生廣 義位移，索結構承受的載荷也可能同時發生變化，實際上即使索結構的健康狀態不發生變 化，索結構承受的載荷也可能單獨發生變化，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"）來識別支座廣義位移和受損索，屬工程結 構健康監測領域。
【背景技術】
[0002] 剔除載荷變化、索結構支座廣義位移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；剔除載荷變化、索結構健康 狀態變化對索結構支座廣義位移識別結果的影響，從而準確地識別索結構支座廣義位移， 也是目前迫切需要解決的問題；本方法公開了一種解決運兩個問題的有效的、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，實現了兩種功能，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；二、本方法還能夠剔除載荷變化和索結構健康狀態變化對索結構支 座廣義位移識別結果的影響，從而準確地識別索結構支座廣義位移。
[0004] 技術方案：本方法由兩部分組成。分別是：一、確定被評估對象和被監測量（也可 W稱為被監測對象）；二、建立索結構健康監測系統所需的知識庫和參量的方法、基于知識 庫（含參量）和實測被監測量的結構健康狀態評估方法；=、健康監測系統的軟件和硬件部 分。 陽0化]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。
[0006] 本方法的第一部分：確定被評估對象和被監測量。
[0007] 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。
[0008] 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。
[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。
[0010] 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。 W11] 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"。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 首先確認索結構承受的可能發生變化的載荷的數量。根據索結構所承受的載荷的 特點，確認其中"所有可能發生變化的載荷"，或者將所有的載荷視為"所有可能發生變化的 載荷"，設共有JZW個可能發生變化的載荷，即共有JZW個次要被評估對象。
[0015] 設索結構的支座廣義位移分量的數量、索結構的支承索的數量和JZW個"所有可 能發生變化的載荷"的數量之和為N，即共有N個被評估對象。給被評估對象連續編號，該 編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣。
[0016] 設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數量之和為P，即核屯、被評估對象的數 量為P，設被評估的支座廣義位移分量的數量為Z，設被評估的支承索的數量為Ml。
[0017] "結構的全部被監測的空間坐標數據"由結構上K個指定點的、及每個指定點的L 個指定方向的空間坐標來描述，結構空間坐標數據的變化就是K個指定點的所有空間坐標 分量的變化。每次共有M(M=KXL)個空間坐標測量值或計算值來表征結構空間坐標信息。
[0018] 綜合上述被監測量，整個索結構共有M個被監測量，M應當大于核屯、被評估對象的 數量，M小于被評估對象的數量。
[0019] 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，該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣。本方法用用變量j表 示運一編號，j= 1，2, 3,…，M。
[0020] 本方法的第二部分：建立索結構健康監測系統所需的知識庫和參量的方法、基于 知識庫（含參量）和實測被監測量的結構健康狀態評估方法。可按如下步驟依次進行，W 獲得更準確的被評估對象的健康狀態評估。
[0021] 第一步：建立初始力學計算基準模型A。，在索結構竣工之時，或者在建立健康監測 系統前，使用常規方法直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值，同時使用常 規方法（查資料或實測）得到索結構所使用的各種材料的物理參數和力學性能參數（例如 彈性模量、泊松比），同時使用常規方法實測計算得到索結構的實測計算數據。索結構的實 測計算數據首先是包括支承索的無損檢測數據在內的能夠表達索的健康狀態的數據，索結 構的實測計算數據還是包括索結構支座初始廣義位移測量數據、索結構初始幾何數據、索 力數據、拉桿拉力數據、初始索結構支座廣義坐標數據、索結構模態數據、結構應變數據、結 構角度測量數據、結構空間坐標測量數據、載荷數據在內的實測數據。索結構的初始幾何數 據可W是所有索的端點的空間坐標數據加上結構上一系列的點的空間坐標數據，目的在于 根據運些坐標數據確定索結構的幾何特征。索結構支座初始廣義位移測量數據指在建立 初始力學計算基準模型A。時，索結構支座相對于索結構設計狀態下的支座所發生的廣義位 移。對斜拉橋而言，初始幾何數據可W是所有索的端點的空間坐標數據加上橋梁兩端上若 干點的空間坐標數據，運就是所謂的橋型數據。"所有可能發生變化的載荷"的變化量在建 立初始力學計算基準模型A。時全部為0,也就是說后面識別出的"所有可能發生變化的載 荷"的變化量是相對于建立初始力學計算基準模型A。時結構所承受的對應載荷的變化量。 利用支承索的無損檢測數據等能夠表達支承索的健康狀態的數據、索結構支座初始廣義位 移測量數據W及"所有可能發生變化的載荷"的變化量數據建立被評估對象初始損傷向量 d。（如式（1)所示），用d。表示索結構（用初始力學計算基準模型A。表示）的被評估對象 的初始健康狀態。如果沒有支承索的無損檢測數據及其他能夠表達支承索的健康狀態的數 據時，或者可W認為結構初始狀態為無損傷無松弛狀態時，向量d。的中與支承索相關的各 元素數值取0。向量d。中與載荷的變化量相關的各元素數值取0。如果沒有索結構支座初 始廣義位移測量數據或者可W認為索結構支座初始廣義位移為0時，向量d。的中與索結構 支座廣義位移相關的各元素數值取0。利用索結構的設計圖、竣工圖和初始索結構的實測數 據、支承索的無損檢測數據、索結構支座初始廣義位移測量數據、索結構所使用的各種材料 的物理和力學性能參數，利用力學方法（例如有限元法）建立初始力學計算基準模型A。。 陽02引 d〇= [d0id02 ? ? ?d0k? ? ?djT(1)
[002引式（1)中cU化=1，2,3,…….，腳表示初始力學計算基準模型A。中的第k個被 評估對象的初始狀態，如果該被評估對象是索系統中的一根索（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表示其初始位移數值；如果該被評估對象是一個"可能發生變化的載荷"，那么cLk 表示其初始數值，cU為0,也就是說后面識別出的"所有可能發生變化的載荷"的變化量是 相對于建立初始力學計算基準模型A。時結構所承受的對應載荷的變化量。式中上標T表 示向量的轉置（后同）。
[0024] 使用常規方法直接測量計算得到的索結構的所有被監測量的初始數值，組成被監 測量初始數值向量C。（見式（2))。要求在獲得A。的同時獲得C。，被監測量初始數值向量C。 表示對應于A。的"被監測量"的具體數值。