精簡(jiǎn)廣義位移應(yīng)變監(jiān)測(cè)載荷問題索識(shí)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(jiǎn)稱為"索"，所以在后面使用"索"這個(gè)字的時(shí)候，對(duì)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(duì)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(jiǎn)稱為問題索。在結(jié)構(gòu)服役過程中，對(duì)支承索或 索系統(tǒng)的健康狀態(tài)的正確識(shí)別關(guān)系到整個(gè)索結(jié)構(gòu)的安全。在索結(jié)構(gòu)服役過程中，索結(jié)構(gòu)支 座可能發(fā)生廣義位移，索結(jié)構(gòu)承受的載荷也可能發(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，本方法基于應(yīng)變監(jiān)測(cè)（本方法將被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變稱為"被監(jiān) 測(cè)量"）來識(shí)別問題索，屬工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 剔除載荷變化、索結(jié)構(gòu)支座廣義位移對(duì)索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識(shí)別結(jié)果的影響，從而準(zhǔn) 確地識(shí)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，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，在支座有廣義位移時(shí)， 在結(jié)構(gòu)承受的載荷變化時(shí)，能夠剔除支座廣義位移和載荷變化對(duì)索結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)識(shí)別結(jié)果 的影響，從而準(zhǔn)確地識(shí)別出支承索的健康狀態(tài)。
[0004] 技術(shù)方案：本方法由三部分組成。分別是建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫和 參量的方法、基于知識(shí)庫（含參量）和實(shí)測(cè)被監(jiān)測(cè)量的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)估方法、健康監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)的軟件和硬件部分。
[0005] 在本方法中，用"支座空間坐標(biāo)"指稱支座關(guān)于笛卡爾直角坐標(biāo)系的X、Y、Z軸的 坐標(biāo)，也可以說成是支座關(guān)于X、Y、Z軸的空間坐標(biāo)，支座關(guān)于某一個(gè)軸的空間坐標(biāo)的具體 數(shù)值稱為支座關(guān)于該軸的空間坐標(biāo)分量，本方法中也用支座的一個(gè)空間坐標(biāo)分量表達(dá)支座 關(guān)于某一個(gè)軸的空間坐標(biāo)的具體數(shù)值；用"支座角坐標(biāo)"指稱支座關(guān)于X、Y、Z軸的角坐標(biāo)， 支座關(guān)于某一個(gè)軸的角坐標(biāo)的具體數(shù)值稱為支座關(guān)于該軸的角坐標(biāo)分量，本方法中也用支 座的一個(gè)角坐標(biāo)分量表達(dá)支座關(guān)于某一個(gè)軸的角坐標(biāo)的具體數(shù)值；用"支座廣義坐標(biāo)"指稱 支座角坐標(biāo)和支座空間坐標(biāo)全體，本方法中也用支座的一個(gè)廣義坐標(biāo)分量表達(dá)支座關(guān)于一 個(gè)軸的空間坐標(biāo)或角坐標(biāo)的具體數(shù)值；支座關(guān)于X、Y、Z軸的坐標(biāo)的改變稱為支座線位移， 也可以說支座空間坐標(biāo)的改變稱為支座線位移，本方法中也用支座的一個(gè)線位移分量表達(dá) 支座關(guān)于某一個(gè)軸的線位移的具體數(shù)值；支座關(guān)于X、Y、Z軸的角坐標(biāo)的改變稱為支座角位 移，本方法中也用支座的一個(gè)角位移分量表達(dá)支座關(guān)于某一個(gè)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(gè)廣義位移分量表 達(dá)支座關(guān)于某一個(gè)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] 本方法的第一部分：建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的知識(shí)庫和參量的方法。具體如 下：
[0007] 1.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。
[0008] 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。
[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(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?jí)毫槔齺碚f明幅值的概念：同一個(gè)結(jié)構(gòu)承受兩個(gè)不同的均布?jí)毫?，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。
[0010] 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/m 3,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。
[0011] 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(jiǎn)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"。
[0012] 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(jiǎn)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。
[0013] 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(jiǎn)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。
[0014] 首先確認(rèn)索結(jié)構(gòu)承受的可能發(fā)生變化的載荷的數(shù)量。根據(jù)索結(jié)構(gòu)所承受的載荷的 特點(diǎn)，確認(rèn)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(shè)共有JZW個(gè)可能發(fā)生變化的載荷，即共有JZW個(gè)次要被評(píng)估對(duì)象。
[0015] 設(shè)索結(jié)構(gòu)的支承索的數(shù)量和JZW個(gè)"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(gè)被評(píng)估對(duì)象。給被評(píng)估對(duì)象連續(xù)編號(hào)，該編號(hào)在后續(xù)步驟中將用于生成向量和 矩陣。
[0016] 設(shè)索系統(tǒng)中共有吣根支承索，即共有M i個(gè)核心被評(píng)估對(duì)象。
[0017] "結(jié)構(gòu)的全部被監(jiān)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)"可由結(jié)構(gòu)上K個(gè)指定點(diǎn)的、及每個(gè)指定點(diǎn)的L個(gè) 指定方向的應(yīng)變來描述，結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化就是K個(gè)指定點(diǎn)的所有應(yīng)變的變化。每次共 有M(M = KXL)個(gè)應(yīng)變測(cè)量值或計(jì)算值來表征結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。
[0018] 綜合上述被監(jiān)測(cè)量，整個(gè)索結(jié)構(gòu)共有M個(gè)被監(jiān)測(cè)量，M大于核心被評(píng)估對(duì)象的數(shù) 量，M小于被評(píng)估對(duì)象的數(shù)量。
[0019] 為方便起見，在本方法中將"索結(jié)構(gòu)的被監(jiān)測(cè)的所有參量"簡(jiǎn)稱為"被監(jiān)測(cè)量"。給 M個(gè)被監(jiān)測(cè)量連續(xù)編號(hào)，該編號(hào)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 示這一編號(hào)，j = 1，2, 3,…，M。
[0020] 2.建立索結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。（例如有限元基準(zhǔn)模型）和當(dāng)前初始力 學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A tci (例如有限元基準(zhǔn)模型）的方法，建立與Aci對(duì)應(yīng)的被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向 量Cci的方法，建立與A \對(duì)應(yīng)的被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前初始數(shù)值向量C \的方法。在本方法中A "、(；、 Atci和Ctci是不斷更新的。建立和更新A ^Cc0Atci和Ctci的方法如下。被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向量 Cci的編號(hào)規(guī)則與M個(gè)被監(jiān)測(cè)量的編號(hào)規(guī)則相同。
[0021] 建立初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。時(shí)，利用支承索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)等能夠表達(dá)支承索 的健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)以及"所有可能發(fā)生變化的載荷"的變化量數(shù)據(jù)建立被評(píng)估對(duì)象初始損 傷向量d。（如式⑴所示），用d。表示索結(jié)構(gòu)（用初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。表示）的被評(píng) 估對(duì)象的初始健康狀態(tài)。如果沒有支承索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)及其他能夠表達(dá)支承索的健康狀 態(tài)的數(shù)據(jù)時(shí)，或者可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)為無損傷無松弛狀態(tài)時(shí)，向量d。的中與支承索相 關(guān)的各元素?cái)?shù)值取0。向量Cl ci中與載荷的變化量相關(guān)的各元素?cái)?shù)值取0。利用索結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)圖、竣工圖和初始索結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、支承索的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)所使用的各種材料 的物理和力學(xué)性能參數(shù)，利用力學(xué)方法（例如有限元法）建立初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。。對(duì) 應(yīng)于A。的索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U。。
[0022] d0= [dol do2 · · · dok · · · doN]T (I)
[0023] 式⑴中(Icik (k = 1，2, 3,......·，N)表示初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。中的第k個(gè)被 評(píng)估對(duì)象的初始狀態(tài)，上標(biāo)T表示向量的轉(zhuǎn)置（后同）。
[0024] 利用前面使用常規(guī)方法直接測(cè)量計(jì)算得到的索結(jié)構(gòu)的所有被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù)值， 組成被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向量C。（見式（2))。要求在獲得A。的同時(shí)獲得C。，被監(jiān)測(cè)量初始數(shù) 值向量C ci表示對(duì)應(yīng)于A ^的"被監(jiān)測(cè)量"的具體數(shù)值。因在前述條件下，基于索結(jié)構(gòu)的計(jì)算 基準(zhǔn)模型計(jì)算所得的被監(jiān)測(cè)量可靠地接近于初始被監(jiān)測(cè)量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在后面的敘述中， 將用同一符號(hào)來表示該計(jì)算值和實(shí)測(cè)值。
[0025] C。= [Col Co2 ··· Coj ··· CcJt (2)
[0026] 式⑵中Ccij (j = 1，2, 3,…….，M)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的初始量，該分量 依據(jù)編號(hào)規(guī)則對(duì)應(yīng)于特定的第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量。
[0027] 不論用何種方法獲得初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A。，基于A。計(jì)算得到的索結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù) 據(jù)必須非常接近其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用A ci計(jì)算所得的模擬 情況下的索力計(jì)算數(shù)據(jù)、應(yīng)變計(jì)算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)形狀計(jì)算數(shù)據(jù)和位移計(jì)算數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)角度 數(shù)據(jù)、索結(jié)構(gòu)空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)等，可靠地接近所模擬情況真實(shí)發(fā)生時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。模型A ci中 被評(píng)估對(duì)象的健康狀態(tài)用被評(píng)估對(duì)象初始損傷向量d。表示，模型A。中支座廣義坐標(biāo)用向量 Uci表示。由于基于A ^計(jì)算得到所有被監(jiān)測(cè)量的計(jì)算數(shù)值非常接近所有被監(jiān)測(cè)量的初始數(shù) 值（實(shí)測(cè)得到），所以也可以用在Aci的基礎(chǔ)上、進(jìn)行力學(xué)計(jì)算得到的、A ^的每一個(gè)被監(jiān)測(cè)量 的計(jì)算數(shù)值組成被監(jiān)測(cè)量初始數(shù)值向量(；。Uc^dci是A ^的參數(shù)，也可以說C ^由A ^的力學(xué)計(jì) 算結(jié)果組成。
[0028] 對(duì)應(yīng)于索結(jié)構(gòu)的當(dāng)前初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型At。的索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成 當(dāng)前初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量U tci，索結(jié)構(gòu)處于AVK態(tài)時(shí)，本方法用被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前初始 數(shù)值向量Ctci表示所有被監(jiān)測(cè)量的具體數(shù)值。
[0029] 建立和更新當(dāng)前初始力學(xué)計(jì)算基準(zhǔn)模型A:當(dāng)前初始索結(jié)構(gòu)支座廣義坐標(biāo)向量 Utci和被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前初始數(shù)值向量C \，具體方法見后。
[0030] 索結(jié)構(gòu)中所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前值組成被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量C(定義見式（3))。
[0031] C = [C1 C2 · · · Cj · · · CJt (3)
[0032] 式（3)中Cj (j = 1，2, 3,…….，M)是索結(jié)構(gòu)中第j個(gè)被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前值，該分量 (^依據(jù)編號(hào)規(guī)則與Ccu對(duì)應(yīng)于同一"被監(jiān)測(cè)量"。在索結(jié)構(gòu)服役過程中不斷實(shí)測(cè)得到索結(jié)構(gòu) 的所有被監(jiān)測(cè)量的當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)值，組成被監(jiān)測(cè)量當(dāng)前數(shù)值向量C。
[0033] 3.建立和更新索結(jié)構(gòu)單位