精簡空間坐標(biāo)監(jiān)測問題索載荷識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 斜拉橋、懸索橋、桁架結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)有一個(gè)共同點(diǎn)，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(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)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(jié)構(gòu)表述為"索結(jié)構(gòu)"，并將索結(jié)構(gòu)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(tǒng)一稱為"索系統(tǒng)"，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(shí)簡稱為"索"，所以在后面使用"索"這個(gè)字的時(shí)候，對桁架結(jié) 構(gòu)實(shí)際就是指二力桿件。支承索的受損和松弛對索結(jié)構(gòu)安全是一項(xiàng)重大威脅，本方法將受 損索和松弛索統(tǒng)稱為有健康問題的支承索，簡稱為問題索。在結(jié)構(gòu)服役過程中，對支承索或 索系統(tǒng)的健康狀態(tài)的正確識別關(guān)系到整個(gè)索結(jié)構(gòu)的安全。在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，索結(jié)構(gòu) 的溫度一般也會隨著發(fā)生變化，在索結(jié)構(gòu)溫度發(fā)生變化時(shí)，索結(jié)構(gòu)承受的載荷也可能發(fā)生 變化，實(shí)際上即使索結(jié)構(gòu)的溫度不發(fā)生變化，索結(jié)構(gòu)承受的載荷也可能單獨(dú)發(fā)生變化，同時(shí) 索結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)也可能在發(fā)生變化，在這種復(fù)雜條件下，本方法基于空間坐標(biāo)監(jiān)測（本 方法將被監(jiān)測的空間坐標(biāo)稱為"被監(jiān)測量"）來識別問題索（本方法稱之為核心被評估對象 的健康狀態(tài)），屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 剔除載荷變化和結(jié)構(gòu)溫度變化對索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識別結(jié)果的影響，從而準(zhǔn)確地識 別結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的變化，是目前迫切需要解決的問題，對結(jié)構(gòu)安全具有重要意義，本方法 公開了解決這個(gè)問題的一種有效的、廉價(jià)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問題：本方法公開了一種方法，在造價(jià)更低的條件下，能夠剔除載荷變化和結(jié) 構(gòu)溫度變化對索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識別結(jié)果的影響，準(zhǔn)確地識別出問題索。
[0004] 在索結(jié)構(gòu)服役過程中，支承索自由狀態(tài)（此時(shí)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(diǎn)間的那段索的自由長度）會發(fā)生變化，本方 法的目的之一就是要識別出自由長度發(fā)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(diào)整提供了直接依據(jù)，為了方便，本方法將自由長度發(fā)生變化 的支承索統(tǒng)稱為松弛索。
[0005] 技術(shù)方案：物體、結(jié)構(gòu)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(xù)分布于物體內(nèi)部各點(diǎn)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(biāo)系中，例如在笛卡爾直角坐標(biāo)系中， 一個(gè)集中力可以分解成三個(gè)分量，同樣的，一個(gè)集中力偶也可以分解成三個(gè)分量，如果載荷 實(shí)際上是集中載荷，在本方法中將一個(gè)集中力分量或一個(gè)集中力偶分量稱為一個(gè)載荷，此 時(shí)載荷的變化具體化為一個(gè)集中力分量或一個(gè)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(qū)域和分布載荷的大小，分布載荷的大小用分布集度來表達(dá)，分布集度用分布特征（例 如均布、正弦函數(shù)等分布特征）和幅值來表達(dá)（例如兩個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)承受兩個(gè)不同的均布壓力，兩個(gè)分布 載荷都是均布載荷，但一個(gè)分布載荷的幅值是l〇MPa，另一個(gè)分布載荷的幅值是50MPa)。如 果載荷實(shí)際上是分布載荷，本方法談?wù)撦d荷的變化時(shí)，實(shí)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(qū)域和分布集度的分布特征是不變的。在坐標(biāo)系中，一個(gè)分布 載荷可以分解成若干個(gè)分量，如果這分布載荷的若干個(gè)分量的各自的分布集度的幅值發(fā)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(gè)分布載荷的分量看成同樣數(shù) 量的獨(dú)立的分布載荷，此時(shí)一個(gè)載荷就代表一個(gè)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(gè)分布載荷或稱為一個(gè)載荷。
[0008] 體積載荷是連續(xù)分布于物體內(nèi)部各點(diǎn)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(qū)域和體積載荷的大小，體積載荷的大小用分布集度來表 達(dá)，分布集度用分布特征（例如均布、線性函數(shù)等分布特征）和幅值來表達(dá)（例如兩個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)部分的 材料不同，故密度不同，所以雖然這兩個(gè)部分所受的體積載荷都是均布的，但一個(gè)部分所受 的體積載荷的幅值可能是10kN/m3,另一個(gè)部分所受的體積載荷的幅值是50kN/m3)。如果載 荷實(shí)際上是體積載荷，在本方法中實(shí)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(qū)域和分布集度的分布特征是不變的，此時(shí)在本方法中提到載荷的改變時(shí)實(shí)際 上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變，此時(shí)，發(fā)生變化的載荷是指那些分布集度的幅 值發(fā)生變化的體積載荷。在坐標(biāo)系中，一個(gè)體積載荷可以分解成若干個(gè)分量（例如在笛卡 爾直角坐標(biāo)系中，體積載荷可以分解成關(guān)于坐標(biāo)系的三個(gè)軸的分量，也就是說，在笛卡爾直 角坐標(biāo)系中體積載荷可以分解成三個(gè)分量），如果這體積載荷的若干個(gè)分量的各自的分布 集度的幅值發(fā)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(gè)體積載荷的 分量看成同樣數(shù)量的獨(dú)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(gè)體積載荷或稱為一個(gè)載荷。
[0009] 當(dāng)載荷具體化為集中載荷時(shí)，在本方法中，"載荷單位變化"實(shí)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(shí)際變化量"是指"集中載荷的大小的實(shí)際變化量"，"發(fā)生變化的載荷"是指"大小發(fā)生 變化的集中載荷"，簡單地說，此時(shí)"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(dāng)載荷具體化為分布載荷時(shí)，在本方法中，"載荷單位變化"實(shí)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(shí)際變化量"具體指"分布載荷的分布集度的幅值的 實(shí)際變化量"，"發(fā)生變化的載荷"是指"分布集度的幅值發(fā)生變化的分布載荷"，簡單地說， 此時(shí)"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(qū)域和分布集度的分布特征是不變的。
[0011] 當(dāng)載荷具體化為體積載荷時(shí)，在本方法中，"載荷單位變化"實(shí)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(shí)際變化量"是指"體積載荷的分布集 度的幅值的實(shí)際變化量"，"發(fā)生變化的載荷"是指"分布集度的幅值發(fā)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(qū)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(dāng)索結(jié)構(gòu)承受的載荷雖有變化，但索結(jié)構(gòu)正在承受的載荷沒有超出索結(jié)構(gòu)初始 許用載荷時(shí)，本方法適用；索結(jié)構(gòu)初始許用載荷指索結(jié)構(gòu)在竣工時(shí)的許用載荷，能夠通過常 規(guī)力學(xué)計(jì)算獲得；本方法統(tǒng)一稱被評估的支承索和載荷為"被評估對象"，設(shè)被評估的支承 索的數(shù)量和載荷的數(shù)量之和為N，即"被評估對象"的數(shù)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(guī)則，按此規(guī)則將索結(jié)構(gòu)中所有的被 評估對象編號，該編號在后續(xù)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;設(shè)索系統(tǒng)中共有札根支承索，顯然核心被評估對象的數(shù)量就是M1;確 定指定的將被監(jiān)測空間坐標(biāo)的被測量點(diǎn)，給所有指定點(diǎn)編號；確定過每一測量點(diǎn)的將被監(jiān) 測的空間坐標(biāo)分量，給所有被測量空間坐標(biāo)分量編號；上述編號在后續(xù)步驟中將用于生成 向量和矩陣；"索結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)"由上述所有被測量空間坐標(biāo)分量組 成；為方便起見，在本方法中將"索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)"簡稱為"被監(jiān)測量";所 有被監(jiān)測量的數(shù)量之和記為M，M大于核心被評估對象的數(shù)量乂，M小于被評估對象的數(shù)量 N;本方法中對同一個(gè)量實(shí)時(shí)監(jiān)測的任何兩次測量之間的時(shí)間間隔不得大于30分鐘，測量 記錄數(shù)據(jù)的時(shí)刻稱為實(shí)際記錄數(shù)據(jù)時(shí)刻；物體、結(jié)構(gòu)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(xù)分布于物體內(nèi)部各點(diǎn)的載荷，包括物體的自重和慣性力在內(nèi)；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(biāo)系在內(nèi)的坐標(biāo)系中，一個(gè)集中力 可以分解成三個(gè)分量，同樣的，一個(gè)集中力偶也可以分解成三個(gè)分量，如果載荷實(shí)際上是集 中載荷，在本方法中將一個(gè)集中力分量或一個(gè)集中力偶分量計(jì)為或統(tǒng)計(jì)為一個(gè)載荷，此時(shí) 載荷的變化具體化為一個(gè)集中力分量或一個(gè)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(qū)域和分布載荷的大小，分布 載荷的大小用分布集度來表達(dá)，分布集度用分布特征和幅值來表達(dá)；如果載荷實(shí)際上是分 布載荷，本方法談?wù)撦d荷的變化時(shí)，實(shí)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(qū)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(biāo)系在內(nèi)的坐標(biāo) 系中，一個(gè)分布載荷可以分解成三個(gè)分量，如果這分布載荷的三個(gè)分量的各自的分布集度 的幅值發(fā)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(gè)分量計(jì) 為或統(tǒng)計(jì)為三個(gè)分布載荷，此時(shí)一個(gè)載荷就代表分布載荷的一個(gè)分量；體積載荷是連續(xù)分 布于物體內(nèi)部各點(diǎn)的載荷，體積載荷的描述至少包括體積載荷的作用區(qū)域和體積載荷的大 小，體積載荷的大小用分布集度來表達(dá)，分布集度用分布特征和幅值來表達(dá)；如果載荷實(shí)際 上是體積載荷，在本方法中實(shí)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(qū)域和分布集度的分布特征是不變的，此時(shí)在本方法中提到載荷的改變時(shí)實(shí)際上 是指體積載荷的分布集度的幅值的改變，此時(shí)，發(fā)生變化的載荷是指那些分布集度的幅值 發(fā)生變化的體積載荷；在包括笛卡爾直角坐標(biāo)系在內(nèi)的坐標(biāo)系中，一個(gè)體積載荷可以分解 成三個(gè)分量，如果這體積載荷的三個(gè)分量的各自的分布集度的幅值發(fā)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(gè)分量計(jì)為或統(tǒng)計(jì)為三個(gè)分布載荷；
[0014] b.本方法定義"本方法的索結(jié)構(gòu)的溫度測量計(jì)算方法"按步驟bl至b3進(jìn)行；
[0015] b1 :查詢或?qū)崪y得到索結(jié)構(gòu)組成材料及索結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的隨溫度變化的傳熱學(xué)參 數(shù)，利用索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和索結(jié)構(gòu)的幾何實(shí)測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)和參數(shù)建立索結(jié) 構(gòu)的傳熱學(xué)計(jì)算模型；查詢索結(jié)構(gòu)所在地不少于2年的近年來的氣象資料，統(tǒng)計(jì)得到這段 時(shí)間內(nèi)的陰天數(shù)量記為T個(gè)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(tǒng) 計(jì)得到T個(gè)陰天中每一個(gè)陰天的0時(shí)至次日日出時(shí)刻后30分鐘之間的最高氣溫與最低氣 溫，日出時(shí)刻是指根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)規(guī)律確定的氣象學(xué)上的日出時(shí)刻，不表示當(dāng)天一定 可以看見太陽，能夠查詢資料或通過常規(guī)氣象學(xué)計(jì)算得到所需的每一日的日出時(shí)刻，每一 個(gè)陰天的〇時(shí)至次日日出時(shí)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(gè)陰天，就有T個(gè)陰天的日氣溫的最大溫差，取T個(gè)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(jié)構(gòu)所在地和所在海拔區(qū) 間不少于2年的近年來的氣象資料或?qū)崪y得到索結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度隨時(shí)間和海拔高度 的變化數(shù)據(jù)和變化規(guī)律，計(jì)算得到索結(jié)構(gòu)所在地和所在海拔區(qū)間不少于2年的近年來的索 結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的溫度關(guān)于海拔高度的最大變化率ATh，為方便敘述取ATh的單位為°0 /m; 在索結(jié)構(gòu)的表面上取"R個(gè)索結(jié)構(gòu)表面點(diǎn)"，取"R個(gè)索結(jié)構(gòu)表面點(diǎn)"的具體原則在步驟b3中 敘述，后面將通過實(shí)測得到這R個(gè)索結(jié)構(gòu)表面點(diǎn)的溫度，稱實(shí)測得到的溫度數(shù)據(jù)為"R個(gè)索 結(jié)構(gòu)表面溫度實(shí)測數(shù)據(jù)"，如果是利用索結(jié)構(gòu)的傳熱學(xué)計(jì)算模型，通過傳熱計(jì)算得到這R個(gè) 索結(jié)構(gòu)表面點(diǎn)的溫度，就稱計(jì)算得到的溫度數(shù)據(jù)為"R個(gè)索結(jié)構(gòu)表面溫度計(jì)算數(shù)據(jù)";從索結(jié) 構(gòu)所處的最低海拔到最高海拔之間，在索結(jié)構(gòu)上均布選取不少于三個(gè)不同的海拔高度，在 每一個(gè)選取的海拔高度處、在水平面與索結(jié)構(gòu)表面的交線處至少選取兩個(gè)點(diǎn)，從選取點(diǎn)處 引索結(jié)構(gòu)表面的外法線，所有選取的外法線方向稱為"測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方 向"，測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向與"水平面與索結(jié)構(gòu)表面的交線"相交，在選取的 測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向中必須包括索結(jié)構(gòu)的向陽面外法線方向和索結(jié)構(gòu)的 背陰面外法線方向，沿每一個(gè)測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向在索結(jié)構(gòu)中均布選取不 少于三個(gè)點(diǎn)，對于支承索沿每一個(gè)測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向僅僅取一個(gè)點(diǎn)，僅 僅測量支承索的表面點(diǎn)的溫度，測量所有被選取點(diǎn)的溫度，測得的溫度稱為"索結(jié)構(gòu)沿厚度 的溫度分布數(shù)據(jù)"，其中沿與同一"水平面與索結(jié)構(gòu)表面的交線"相交的、"測量索結(jié)構(gòu)沿壁 厚的溫度分布的方向"測量獲得的"索結(jié)構(gòu)沿厚度的溫度分布數(shù)據(jù)"，在本方法中稱為"相同 海拔高度索結(jié)構(gòu)沿厚度的溫度分布數(shù)據(jù)"，設(shè)選取了H個(gè)不同的海拔高度，在每一個(gè)海拔高 度處，選取了B個(gè)測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度分布的方向，沿每個(gè)測量索結(jié)構(gòu)沿壁厚的溫度 分布的方向在索結(jié)構(gòu)中選取了E個(gè)點(diǎn)，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(jì)索結(jié)構(gòu)上"測量索結(jié)構(gòu)沿厚度的溫度分布數(shù)據(jù)的點(diǎn)"的總數(shù)為HBE個(gè)，后面將通過實(shí) 測得到這HBE個(gè)"測量索結(jié)構(gòu)沿厚度的溫度分布數(shù)據(jù)的點(diǎn)"的溫度，稱實(shí)測得到的溫度數(shù)據(jù) 為"HBE個(gè)索結(jié)構(gòu)沿厚度溫度實(shí)測數(shù)據(jù)"，如果是利用索結(jié)構(gòu)的傳熱學(xué)計(jì)算模型，通過傳熱計(jì) 算得到這HBE個(gè)測量索結(jié)構(gòu)沿厚度的溫度分布數(shù)據(jù)的點(diǎn)的溫度，就稱計(jì)算得到的溫度數(shù)據(jù) 為"HBE個(gè)索結(jié)構(gòu)沿厚度溫度計(jì)算數(shù)據(jù)";在索結(jié)構(gòu)所在地按照氣象學(xué)測量氣溫要求選取一 個(gè)位置，將在此位置實(shí)測得到符合氣象學(xué)測量氣溫要求的索結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的氣溫；在索結(jié) 構(gòu)所在地的空曠無遮擋處選取一個(gè)位置，該位置應(yīng)當(dāng)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(zhì)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(yīng)當(dāng)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(shí) 時(shí)監(jiān)測得到參考平板的向陽面的溫度；
[0016]b2:實(shí)時(shí)監(jiān)測得到上述R個(gè)索結(jié)構(gòu)表面點(diǎn)的R個(gè)索結(jié)構(gòu)表面溫度實(shí)測數(shù)據(jù)，同時(shí) 實(shí)時(shí)監(jiān)測得到前面定義的索結(jié)構(gòu)沿厚度的溫度分布數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測得到符合氣象學(xué)測 量氣溫要求的索結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的氣