精簡索力監測問題索載荷線位移識別方法
【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，索結構支座可能發生線位移，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 方法基于索力監測（本方法將被監測的索力稱為"被監測量"）來識別支座線位移和問題索 (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、索結構支座線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；剔除載荷變 化、索結構健康狀態變化和結構溫度變化對索結構支座線位移識別結果的影響，從而準確 地識別索結構支座線位移，也是目前迫切需要解決的問題；本方法公開了一種解決這兩個 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、剔除支座線位移、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；二、本方法還能夠剔除載荷變化、索結構健康狀態變 化和結構溫度變化對索結構支座線位移識別結果的影響，從而準確地識別索結構支座線位 移。
[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：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，也可以說成是支座關于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，也可以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Χ、γ、ζ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] 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。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。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。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/m 3,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。
[0007] 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"。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。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。
[0008] 本方法具體包括：
[0009] 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座線位移分量、支承索和載荷為被評估對象，設 被評估的支座線位移分量的數量、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 ;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 ;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和支座線位移分量， 設被評估的支承索和支座線位移分量的數量之和為P，即核心被評估對象的數量為P，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；設索系統中共有乂根 支承索，索結構索力數據包括這1根支承索的索力，本方法在監測全部M 4艮支承索索力的 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這新增 加的M 2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為乂與M 2之和；M必須大于核心被評估對象的數量，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％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，這樣可以保證即使這新增加的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1根傳感索的橫截面上正應力應當小于其疲勞極 限，這些要求可以保證新增加的％根傳感索不會發生疲勞損傷；新增加的M 2根傳感索的兩 端應當充分錨固，保證不會出現松弛；新增加的％根傳感索應當得到充分的防腐蝕保護，保 證新增加的M 2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表示這一 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 Mjg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M 2根傳感索前的 索結構和新增加的％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％根傳感索，得到的"索結構穩態溫度數據" 包括新增加的M 2根傳感索的穩態溫度數據，獲得新增加的M 2根傳感索的穩態溫度數據的方 法同于索結構的乂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M 2根傳感索的索力的方法同于索結構的M i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M 2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M 2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M 2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；
[0010] 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；
[0011] 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A ?；;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A Th，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