精簡角度監(jiān)測載荷受損索廣義位移識別方法
【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(tǒng)一稱為"索系統(tǒng)"，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(tǒng)的健康狀態(tài)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(fā)生廣義 位移，索結構承受的載荷也可能同時發(fā)生變化，實際上即使索結構的健康狀態(tài)不發(fā)生變化， 索結構承受的載荷也可能單獨發(fā)生變化，在運種復雜條件下，本方法基于角度監(jiān)測（本方 法將被監(jiān)測的角度稱為"被監(jiān)測量"）來識別支座廣義位移和受損索，屬工程結構健康監(jiān)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(tài)識別結果的影響，從而準 確地識別結構的健康狀態(tài)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(tài)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(fā)明內(nèi)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(xiàn)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(tài)識別結果的影響，從而準確地識別 出支承索的健康狀態(tài)；二、本方法還能夠剔除載荷變化和索結構健康狀態(tài)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=部分組成。分別是建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測量的結構健康狀態(tài)評估方法、健康監(jiān)測系 統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(xù)分布于物 體內(nèi)部各點的載荷，如物體的自重和慣性力。
[0007] 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。
[0008] 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，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（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(qū)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(fā)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(shù) 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。
[0009] 體積載荷是連續(xù)分布于物體內(nèi)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(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，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（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(qū)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(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(fā)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(shù)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。
[0010] 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(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"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"。
[0011] 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(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"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。
[0012] 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(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。
[0013] 首先確認索結構承受的可能發(fā)生變化的載荷的數(shù)量。根據(jù)索結構所承受的載荷的 特點，確認其中"所有可能發(fā)生變化的載荷"，或者將所有的載荷視為"所有可能發(fā)生變化的 載荷"，設共有JZW個可能發(fā)生變化的載荷，即共有JZW個次要被評估對象。
[0014] 設索結構的支座廣義位移分量的數(shù)量、索結構的支承索的數(shù)量和JZW個"所有可 能發(fā)生變化的載荷"的數(shù)量之和為N，即共有N個被評估對象。給被評估對象連續(xù)編號，該 編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。
[0015] 設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數(shù)量之和為P，即核屯、被評估對象的數(shù) 量為P，設被評估的支座廣義位移分量的數(shù)量為Z，設被評估的支承索的數(shù)量為Ml。
[0016] "結構的全部被監(jiān)測的角度數(shù)據(jù)"由結構上K個指定點的、過每個指定點的L個指 定直線的、每個指定直線的H個角度坐標分量來描述，結構角度的變化就是所有指定點的、 所有指定直線的所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有M(M=KXLXH)個角度坐標 分量測量值或計算值來表征結構的角度信息。
[0017] 綜合上述被監(jiān)測量，整個索結構共有M個被監(jiān)測量，M應當大于核屯、被評估對象的 數(shù)量，M小于被評估對象的數(shù)量。
[0018] 為方便起見，在本方法中將"索結構的被監(jiān)測的所有參量"簡稱為"被監(jiān)測量"。給 M個被監(jiān)測量連續(xù)編號，該編號在后續(xù)步驟中將用于生成向量和矩陣。本方法用用變量j表 示運一編號，j= 1，2, 3,…，M。
[0019] 本方法的第一部分：建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)所需的知識庫和參量的方法。具體如 下：
[0020] 1.建立索結構的初始力學計算基準模型A。（例如有限元基準模型）的方法，建立 與A。對應的被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C。的方法。被監(jiān)測量初始數(shù)值向量C。的編號規(guī)則與M 個被監(jiān)測量的編號規(guī)則相同。建立A。和C。的方法如下。
[0021] 在索結構竣工之時，或者在建立結構健康監(jiān)測系統(tǒng)前，使用常規(guī)方法直接測量計 算得到索結構的所有被監(jiān)測量的初始數(shù)值，同時使用常規(guī)方法（查資料或?qū)崪y）得到索結 構所使用的各種材料的物理參數(shù)和力學性能參數(shù)（例如彈性模量、泊松比），還必須使用常 規(guī)方法實測計算得到索結構的實測計算數(shù)據(jù)。索結構的實測計算數(shù)據(jù)首先是包括支承索的 無損檢測數(shù)據(jù)在內(nèi)的能夠表達索的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)，索結構的實測計算數(shù)據(jù)還是包括索結 構支座初始廣義位移測量數(shù)據(jù)、索結構初始幾何數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù)、拉桿拉力數(shù)據(jù)、初始索結 構支座廣義坐標數(shù)據(jù)、索結構模態(tài)數(shù)據(jù)、結構應變數(shù)據(jù)、結構角度測量數(shù)據(jù)、結構空間坐標 測量數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)在內(nèi)的實測數(shù)據(jù)。索結構的初始幾何數(shù)據(jù)可W是所有索的端點的空間 坐標數(shù)據(jù)加上結構上一系列的點的空間坐標數(shù)據(jù)，目的在于根據(jù)運些坐標數(shù)據(jù)確定索結構 的幾何特征。索結構支座初始廣義位移測量數(shù)據(jù)指在建立初始力學