专利名称：温度变化空间坐标监测的问题索和支座广义位移识别方法
技术领域：
斜拉桥、悬索桥、桁架结构等结构有ー个共同点，就是它们有许多承受拉伸载荷的部件，如斜拉索、主缆、吊索、拉杆等等，该类结构的共同点是以索、缆或仅承受拉伸载荷的杆件为支承部件，为方便起见本方法将该类结构表述为“索结构”。随着环境温度的变化，索结构的温度也会发生变化，在索结构温度发生变化时，在有支座广义位移(例如支座广义位移指支座沿X、Y、Z轴的线位移及支座绕X、Y、Z轴的角位移；对应于支座广义位移，支座广义坐标指支座关于x、Y、z轴的坐标及支座关于Χ、Υ、Ζ轴的角坐标)时，本方法基于空间坐标监测来识别索结构的支承系统中的受损索、松弛索(对桁架结构就是指受损或松弛的仅承受拉伸载荷的杆件)和支座广义位移，属工程结构健康监测领域。索结构的支承系统指所有承载索、及所有起支承作用的仅承受拉伸载荷的杆件，为方便起见，本专利将该类结构的全部支承部件统ー称为“索系統”，但实际上索系统不仅仅指支承索，也包括仅承受拉伸载荷的杆件，本方法中用“支承索”这一名词指称所有承载索及所有起支承作用的仅承受 拉伸载荷的杆件。本方法将受损索和松弛索称为有健康问题的支承索，简称为问题索。
背景技术：
索结构(特别是大型索结构，例如大型斜拉桥、悬索桥)长期服役后其支承索会出现损伤、松弛等结构健康问题，其支座会出现广义位移等结构健康问题，这些结构健康问题都将引起结构内力的变化，对结构的安全造成不良影响，严重时将会引起结构的失效，因此准确及时地识别需松弛索、受损索和支座广义位移是非常必要的。支承索系统的健康状态发生变化和支座发生广义位移后，会引起结构的可测量參数的变化，例如会引起索カ的变化，会影响索结构的变形或应变，会影响索结构的形状或空间坐标，会引起过索结构的每一点的任意假想直线的角度坐标的变化(例如结构表面任意一点的切平面中的任意一根过该点的直线的角度坐标的变化，或者结构表面任意一点的法线的角度坐标的变化)，所有的这些变化都包含了索系统的健康状态信息，实际上这些可测量參数的变化包含了索系统的健康状态信息、包含了支座广义位移信息，也就是说可以利用结构的可测量參数来识别支座广义位移和受损索。本方法基于空间坐标监测(本方法将被监测的空间坐标称为“被监测量”)来识别受损索、松弛索和支座广义位移。被监测量除了受索结构健康状态的影响外，还会受索结构温度变化(常常会发生)的影响，在索结构温度发生变化的条件下，如果能够基于对被监测量的监测来实现对有健康问题的支承索和支座广义位移的识别，对索结构的安全具有重要的价值，目前还没有一种公开的、有效的健康监测系统和方法解决了此问题。
发明内容
技术问题本方法的目的是在索结构有温度变化吋，公开了ー种基于空间坐标监测的、能够合理有效地识别索结构中受损索、松弛索和支座广义位移的健康监测方法。依据支承索的索力变化的原因，可将支承索的索カ变化分为四种情况一是支承索受到了损伤，例如支承索出现了局部裂纹和锈蚀等等；二是支承索并无损伤，但索力也发生了变化，出现这种变化的主要原因之一是支承索自由状态(此时索张力也称索力为0)下的索长度(称为自由长度，本方法专指支承索两支承端点间的那段索的自由长度)发生了变化，本方法的目的之一就是要识别出自由长度发生了变化的支承索，并识别出它们的自由长度的改变量，此改变量为该索的索力调整提供了直接依据，支承索自由长度发生变化的原因不是单一的，为了方便，本方法将自由长度发生变化的支承索统称为松弛索；三是索结构支座发生广义位移引起的索力变化；四是索结构温度变化引起的索力变化。技术方案本方法由三部分组成。分别是建立索结构健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)和实测被监测量的索结构健康状态评估方法、健康监测系统的软件和硬件部分。 设索结构的支承索的数量和索结构的支座广义位移分量的数量之和为N。为叙述方便起见，本方法统一称被评估的支承索和支座广义位移为“被评估对象”，共有N个被评估对象。给被评估对象连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。设索系统中共有M1根支承索，结构索力数据包括这M1根支承索的索力，显然M1小于被评估对象的数量N。“结构的全部被监测的空间坐标数据”由结构上K个指定点的、及每个指定点的L个指定方向的空间坐标来描述，结构空间坐标数据的变化就是K个指定点的所有空间坐标分量的变化。每次共有M(M = KXL)个空间坐标测量值或计算值来表征结构空间坐标信息。K和M不得小于N。综合上述被监测量，整个索结构共有M个被监测量，M不得小于被评估对象的数量
N0为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。给M个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。本方法用用变量j表示这一编号，j = I, 2, 3, . . . , Mo本方法的第一部分建立索结构健康监测系统所需的知识库和参量的方法。具体如下I.首先确定“本方法的索结构的温度测量计算方法”。由于索结构的温度可能是变化的，例如索结构的不同部位的温度是随着日照强度的变化而变化、随着环境温度的变化而变化的，索结构的表面与内部的温度有时可能是随时间变化的，索结构的表面与内部的温度可能是不同的，索结构的表面与内部的温度差是随时间变化的，这就使得考虑温度条件时的索结构的力学计算和监测相当复杂，为简化问题、减少计算量和降低测量成本，更是为了提高计算精度，本方法提出“本方法的索结构的温度测量计算方法”，具体如下第一步，查询或实测得到索结构组成材料及索结构所处环境的随温度变化的传热学参数，利用索结构的设计图、竣工图和索结构的几何实测数据，利用这些数据和参数建立索结构的传热学计算模型。查询索结构所在地不少于2年的近年来的气象资料，统计得到这段时间内的阴天数量记为T个阴天，统计得到T个阴天中每一个阴天的0时至次日日出时刻后30分钟之间的最高气温与最低气温，日出时刻是指根据地球自转和公转规律确定的气象学上的日出时刻，可以查询资料或通过常规气象学计算得到所需的每一日的日出时亥IJ，每一个阴天的0时至次日日出时刻后30分钟之间的最高气温减去最低气温称为该阴天的日气温的最大温差，有T个阴天，就有T个阴天的日气温的最大温差，取T个阴天的日气温的最大温差中的最大值为參考日温差，參考日温差记为Λ ；。查询索结构所在地和所在海拔区间不少于2年的近年来的气象资料或实测得到索结构所处环境的温度随时间和海抜高度的变化数据和变化规律，计算得到索结构所在地和所在海拔区间不少于2年的近年来的索结构所处环境的温度关于海抜高度的最大变化率△'，为方便叙述取ATh的単位为。C/m。在索结构的表面上取“R个索结构表面点”，后面将通过实测得到这R个索结构表面点的温度，称实测得到的温度数据为“R个索结构表面温度实测数据”，如果是利用索结构的传热学计算模型，通过传热计算得到这R个索结构表面点的温度，就称计算得到的温度数据为“R个索结构表面温度计算数据”。在索结构的表面上取“R个索结构表面点”吋，“R个索结构表面点”的数量与分布必须满足的条件在后面叙述。从索结构所处的最低海拔到最高海拔之间，在索结构上均布选取不少于三个不同的海拔高度，在每ー个选取的海拔高度处、在水平面与索结构表面的交线处至少选取两个点，从选取点处引索结构表面的外法线，所有选取的外法线方向称为“测量索结构沿壁厚的温度分布的方向”，測量索结构沿壁厚的温度分布的方向与“水平面与索结构表面的交线”相交，在选取的測量索结构沿壁厚的温度分布的方向中必须包括索结构的向阳面外法线方向和索结构的背阴面外法线方向，沿每一个测量索结构沿壁厚的温度分布的方向在索结构中均布选取不少于三个点，特别的，对 干支承索沿每ー个測量索结构沿壁厚的温度分布的方向仅仅取ー个点，即仅仅測量支承索的表面点的温度，測量所有被选取点的温度，测得的温度称为“索结构沿厚度的温度分布数据”，其中沿与同一“水平面与索结构表面的交线”相交的、“測量索结构沿壁厚的温度分布的方向”测量获得的“索结构沿厚度的温度分布数据”，在本方法中称为“相同海抜高度索结构沿厚度的温度分布数据”，设选取了 H个不同的海拔高度，在每ー个海拔高度处，选取了 B个测量索结构沿壁厚的温度分布的方向，沿每个测量索结构沿壁厚的温度分布的方向在索结构中选取了 E个点，其中H和E都不小于3，B不小于2，特别的，对于支承索E等于1，计索结构上“測量索结构沿厚度的温度分布数据的点”的总数为HBE个，后面将通过实测得到这HBE个“测量索结构沿厚度的温度分布数据的点”的温度，称实测得到的温度数据为“HBE个索结构沿厚度温度实测数据”，如果是利用索结构的传热学计算模型，通过传热计算得到这HBE个测量索结构沿厚度的温度分布数据的点的温度，就称计算得到的温度数据为“HBE个索结构沿厚度温度计算数据”;本方法中将在每ー个选取的海拔高度处“相同海拔高度索结构沿厚度的温度分布数据”的个数温度分布数据”。在索结构所在地按照气象学测量气温要求选取ー个位置，将在此位置实测得到符合气象学测量气温要求的索结构所在环境的气温；在索结构所在地的空旷无遮挡处选取ー个位置，该位置应当在全年的每一日都能得到该地所能得到的该日的最充分的日照，在该位置安放一块碳钢材质的平板，称为參考平板，该參考平板的一面向阳，称为向阳面，參考平板的向阳面是粗糙的和深色的，參考平板的向阳面应当在全年的每一日都能得到ー块平板在该地所能得到的该日的最充分的日照，參考平板的非向阳面覆有保温材料，将实时监测得到參考平板的向阳面的温度。本方法中对同一个量实时监测的任何两次测量之间的时间间隔不得大于30分钟，測量记录数据的时刻称为实际记录数据时刻。第二步，实时监测得到上述R个索结构表面点的R个索结构表面温度实测数据，同时实时监测得到前面定义的索结构沿厚度的温度分布数据，同时实时监测得到符合气象学测量气温要求的索结构所在环境的气温数据；通过实时监测得到当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的索结构所在环境的气温实测数据序列，索结构所在环境的气温实测数据序列由当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的索结构所在环境的气温实测数据按照时间先后顺序排列，找到索结构所在环境的气温实测数据序列中的最高温度和最低温度，用索结构所在环境的气温实测数据序列中的最高温度减去最低温度得到索结构所在环境的当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的最大温差，记为AT6max ;由索结构所在环境的气温实测数据序列通过常规数学计算得到索结构所在环境的气温关于时间的变化率，该变化率也随着时间变化；通过实时监测得到当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的参考平板的向阳面的温度的实测数据序列，参考平板的向阳面的温度的实测数据序列由当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的参考平板的向阳面的温度的实测数据按照时间先后顺序排列，找到参考平板的向阳面的温度的实测数据序列中的最高温度和最低温度，用参考平板的向阳面的温度的实测数据序列中的最高温度减去最低温度得到参考平板的向阳面的温度的当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的最大温差，记为A Tpfflax ;通过实时监测得到当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的所有R个索结构表面点的索结构表面温度实测数据序列，有R个索结构表面点就有R个索结构表面温度实 测数据序列，每一个索结构表面温度实测数据序列由一个索结构表面点的当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的索结构表面温度实测数据按照时间先后顺序排列，找到每一个索结构表面温度实测数据序列中的最高温度和最低温度，用每一个索结构表面温度实测数据序列中的最高温度减去最低温度得到每一个索结构表面点的温度的当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的最大温差，有R个索结构表面点就有R个当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的最大温差数值，其中的最大值记为ATsmax ;由每一索结构表面温度实测数据序列通过常规数学计算得到每一个索结构表面点的温度关于时间的变化率，每一个索结构表面点的温度关于时间的变化率也随着时间变化。通过实时监测得到当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的、在同一时刻、HBE个“索结构沿厚度的温度分布数据”后，计算在每一个选取的海拔高度处共计BE个“相同海拔高度索结构沿厚度的温度分布数据”中的最高温度与最低温度的差值，这个差值的绝对值称为“相同海拔高度处索结构厚度方向最大温差”，选取了 H个不同的海拔高度就有H个“相同海拔高度处索结构厚度方向最大温差”，称这H个“相同海拔高度处索结构厚度方向最大温差”中的最大值为“索结构厚度方向最大温差”，记为ATtmax。第三步，测量计算获得索结构稳态温度数据；首先，确定获得索结构稳态温度数据的时刻，与决定获得索结构稳态温度数据的时刻相关的条件有六项，第一项条件是获得索结构稳态温度数据的时刻介于当日日落时刻到次日日出时刻后30分钟之间，日落时刻是指根据地球自转和公转规律确定的气象学上的日落时刻，可以查询资料或通过常规气象学计算得到所需的每一日的日落时刻；第二项条件的a条件是在当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的这段时间内，参考平板最大温差ATpmaj^P索结构表面最大温差ATsmax都不大于5摄氏度；第二项条件的b条件是在当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的这段时间内，在前面测量计算得到的环境最大误差AT6max不大于参考日温差Al；，且参考平板最大温差A Tpmax减去2摄氏度后不大于A Temax,且索结构表面最大温差A Tsmax不大于ATpmax ;只需满足第二项的a条件和b条件中的一项就称为满足第二项条件；第三项条件是在获得索结构稳态温度数据的时刻，索结构所在环境的气温关于时间的变化率的绝对值不大于每小时0. I摄氏度；第四项条件是在获得索结构稳态温度数据的时刻，R个索结构表面点中的每一个索结构表面点的温度关于时间的变化率的绝对值不大于每小时0. I摄氏度；第五项条件是在获得索结构稳态温度数据的时刻，R个索结构表面点中的每一个索结构表面点的索结构表面温度实测数据为当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的极小值；第六项条件是在获得索结构稳态温度数据的时刻，“索结构厚度方向最大温差” ATtmax不大于I摄氏度；本方法利用上述六项条件，将下列三种时刻中的任意一种称为“获得索结构稳态温度数据的数学时刻”，第一种时刻是满足上述“与决定获得索结构稳态温度数据的时刻相关的条件”中的第一项至第五项条件的时刻，第二种时刻是仅仅满足上述“与决定获得索结构稳态温度数据的时刻相关的条件”中的第六项条件的时刻，第三种时刻是同时满足上述“与决定获得索结构稳态温度数据的时刻相关的条件”中的第一项至第六项条件的时刻；当获得索结构稳态温度数据的数学时刻就是本方法中实际记录数据时刻中的一个时，获得索结构稳态温度数据的时刻就是获得索结构稳态温度数据的数学时刻；如果获得索结构稳态温度数据的数学时刻不是本方法中实际记录数据时刻中的任一个时刻，则取本方法最接近于获得索结构稳态温度数据的数学时刻的那个实际记录数据的时刻为获得索结构稳态温度数据的时刻；本方法将使用在获得索结构稳态温度数据的时刻测量记录的量 进行索结构相关健康监测分析；本方法近似认为获得索结构稳态温度数据的时刻的索结构温度场处于稳态，即此时刻的索结构温度不随时间变化，此时刻就是本方法的“获得索结构稳态温度数据的时刻”;然后，根据索结构传热特性，利用获得索结构稳态温度数据的时刻的“R个索结构表面温度实测数据”和“HBE个索结构沿厚度温度实测数据”，利用索结构的传热学计算模型，通过常规传热计算得到在获得索结构稳态温度数据的时刻的索结构的温度分布，此时索结构的温度场按稳态进行计算，计算得到的在获得索结构稳态温度数据的时刻的索结构的温度分布数据包括索结构上R个索结构表面点的计算温度，R个索结构表面点的计算温度称为R个索结构稳态表面温度计算数据，还包括索结构在前面选定的HBE个“测量索结构沿厚度的温度分布数据的点”的计算温度，HBE个“测量索结构沿厚度的温度分布数据的点”的计算温度称为“HBE个索结构沿厚度温度计算数据”，当R个索结构表面温度实测数据与R个索结构稳态表面温度计算数据对应相等时，且“HBE个索结构沿厚度温度实测数据”与“HBE个索结构沿厚度温度计算数据”对应相等时，计算得到的在获得索结构稳态温度数据的时刻的索结构的温度分布数据在本方法中称为“索结构稳态温度数据”，此时的“R个索结构表面温度实测数据”称为“R个索结构稳态表面温度实测数据”，“HBE个索结构沿厚度温度实测数据”称为“HBE个索结构沿厚度稳态温度实测数据”;在索结构的表面上取“R个索结构表面点”时，“R个索结构表面点”的数量与分布必须满足三个条件，第一个条件是当索结构温度场处于稳态时，当索结构表面上任意一点的温度是通过“R个索结构表面点”中与索结构表面上该任意点相邻的点的实测温度线性插值得到时，线性插值得到的索结构表面上该任意点的温度与索结构表面上该任意点的实际温度的误差不大于5% ；索结构表面包括支承索表面；第二个条件是“R个索结构表面点”中在同一海拔高度的点的数量不小于4，且“R个索结构表面点”中在同一海拔高度的点沿着索结构表面均布；“R个索结构表面点”沿海拔高度的所有两两相邻索结构表面点的海拔高度之差的绝对值中的最大值Ah不大于0.2°C除以A Th得到的数值，为方便叙述取A Th的单位为。C/m，为方便叙述取Ah的单位为m ;“R个索结构表面点”沿海拔高度的两两相邻索结构表面点的定义是指只考虑海拔高度时，在“R个索结构表面点”中不存在ー个索结构表面点，该索结构表面点的海拔高度数值介于两两相邻索结构表面点的海拔高度数值之间；第三个条件是查询或按气象学常规计算得到索结构所在地和所在海拔区间的日照规律，再根据索结构的几何特征及方位数据，在索结构上找到全年受日照时间最充分的那些表面点的位置，“ R个索结构表面点”中至少有ー个索结构表面点是索结构上全年受日照时间最充分的那些表面点中的一个点。2.建立索结构的初始力学计算基准模型A。(例如有限元基准模型)和当前初始カ学计算基准模型Attj (例如有限元基准模型)的方法，建立与A。对应的被监测量初始数值向量C。的方法，建立与At0对应的被监测量当前初始数值向量C'。的方法。在本方法中K、C0、Attj和Cttj是不断更新的。建立和更新ApC。、#。和Cttj的方法如下。被监测量初始数值向量C0的编号规则与M个被监测量的编号规则相同。建立初始力学计算基准模型A。，在索结构竣工之时，或者在建立索结构健康监测系统前，按照“本方法的索结构的温度測量计算方法”測量计算得到“索结构稳态温度数据”(可以用常规温度測量方法測量，例如使用热电阻測量)，此时的“索结构稳态温度数据”用向量T。表示，称为初始索结构稳态温度数据向量T。。在实测得到T。的同时，也就是在获得索结构稳态温度数据的时刻的同一时刻，使用常规方法直接測量计算得到索结构的所有被监测量的初始数。使用常规方法(查资料或实测)得到索结构所使用的各种材料的随温度变化的物理參数(例如热膨胀系数)和力学性能參数(例如弹性模量、泊松比)；在实测计算得到初始索结构稳态温度数据向量T。的同吋，也就是在获得索结构稳态温度数据的时刻的同一时刻，使用常规方法实测计算得到索结构的实测计算数据。索结构的实测计算数据包括支承索的无损检测数据等能够表达索的健康状态的数据、索结构初始几何数据、索力数据、拉杆拉カ数据、初始索结构支座广义坐标数据、索结构支座初始广义位移測量数据、索结构模态数据、结构应变数据、结构角度測量数据、结构空间坐标測量数据等实测数据。索结构的初始几何数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上结构上一系列的点的空间坐标数据，目的在于根据这些坐标数据确定索结构的几何特征。索结构支座初始广义位移測量数据指在建立初始力学计算基准模型A。吋，索结构支座相对于索结构设计状态下的支座所发生的广义位移。对斜拉桥而言，初始几何数据可以是所有索的端点的空间坐标数据加上桥梁两端上若干点的空间坐标数据，这就是所谓的桥型数据。利用支承索的无损检测数据等能够表达支承索的健康状态的数据以及索结构支座初始广义位移測量数据建立被评估对象初始损伤向量d。(如式(I)所示)，用d。表示索结构(用初始力学计算基准模型A。表示)的被评估对象的初始健康状态。如果没有支承索的无损检测数据及其他能够表达支承索的健康状态的数据时，或者可以认为结构初始状态为无损伤无松弛状态时，向量d。的中与支承索相关的各元素数值取0，如果没有索结构支座初始广义位移測量数据或者可以认为索结构支座初始广义位移为O吋，向量d。的中与索结构支座广义位移相关的各元素数值取O。利用索结构的设计图、竣工图和初始索结构的实测数据、支承索的无损检测数据、索结构支座初始广义位移測量数据、索结构所使用的各种材料的随温度变化的物理和力学性能參数和初始索结构稳态温度数据向量T。，利用力学方法(例如有限元法)计 入“索结构稳态温度数据”建立初始力学计算基准模型K。
d0 = [doldo2 dok dJT(I)式(I)中dQk(k = 1,2,3,.......，N)表示初始力学计算基准模型A。中的第k个
被评估对象的初始状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么Cl。,表示其初始损伤，CU为0时表示无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100%之间时表示丧失相应比例的承载能力，如果该被评估对象是一个支座的一个广义位移分量，那么CU表示其初始位移数值，T表示向量的转置(后同)。在实测得到T。的同时，也就是在获得索结构稳态温度数据的时刻的同一时刻，使用常规方法直接测量计算得到的索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量初始数值向量C。(见式(2))。要求在获得A。的同时获得C。，被监测量初始数值向量C。表示对应于A0的“被监测量”的具体数值。因在前述条件下，基于索结构的计算基准模型计算所得的被监测量可靠地接近于初始被监测量的实测数据，在后面的叙述中，将用同一符号来表示该计算值和实测值。 C0= [C01C02 * Coj * -C0Jt(2)式(2)中CtjjU = 1,2,3,.......，M)是索结构中第j个被监测量的初始量，该分
量依据编号规则对应于特定的第j个被监测量。不论用何种方法获得初始力学计算基准模型A。，计入“索结构稳态温度数据”(即初始索结构稳态温度数据向量T。)、基于A。计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据，误差一般不得大于5%。这样可保证利用A。计算所得的模拟情况下的索力计算数据、应变计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度数据、索结构空间坐标数据等，可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。模型A。中被评估对象的健康状态用被评估对象初始损伤向量d。表示，索结构稳态温度数据用初始索结构稳态温度数据向量T。表示。由于基于A。计算得到所有被监测量的计算数值非常接近所有被监测量的初始数值(实测得到)，所以也可以用在A。的基础上、进行力学计算得到的、A。的每一个被监测量的计算数值组成被监测量初始数值向量C。。T。和d。是A。的参数，也可以说C。由A。的力学计算结果组成。建立和更新当前初始力学计算基准模型Attj的方法是在初始时刻(也就是第一次建立Attj时)，Attj就等于A。，Attj对应的“索结构稳态温度数据”记为“当前初始索结构稳态温度数据向量IV’，在初始时刻，Tt0就等于T。，向量Tttj的定义方式与向量T。的定义方式相同。At0的被评估对象的初始健康状态与A。的被评估对象的健康状态相同，也用被评估对象初始损伤向量d。表示，在后面的循环过程中Attj的被评估对象的初始健康状态始终用被评估对象初始损伤向量d。表示；索结构处于Attj状态时，本方法用被监测量当前初始数值向量Ct0表示所有被监测量的具体数值，Ct0的元素与C。的元素一一对应，分别表示所有被监测量在索结构处于At。和A。两种状态时的具体数值。在初始时刻，Ct0就等于C。，Tt0和d。是At0的参数，Cttj由Attj的力学计算结果组成；在索结构服役过程中，按照“本方法的索结构的温度测量计算方法”不断实测计算获得“索结构稳态温度数据”的当前数据(称为“当前索结构稳态温度数据向量Tt'向量Tt的定义方式与向量T。的定义方式相同)；如果Tt等于广，则不需要对Attj进行更新，否则需要对Attj和Tttj进行更新，更新方法是第一步计算Tt与T。的差，Tt与T。的差就是当前索结构稳态温度数据关于初始索结构稳态温度数据的变化，Tt与T0的差用稳态温度变化向量S表示，S等于Tt减去T。，S表示索结构稳态温度数据的变化；第二步对A。中的索结构施加温度变化，施加的温度变化的数值就取自稳态温度变化向量S，对A。中的索结构施加的温度变化后得到更新的当前初始力学计算基准模型#。，更新Attj的同吋，I"。所有元素数值也用Tt的所有元素数值对应代替，即更新了 1"。，这样就得到了正确地对应于Attj的Tttj ;更新Cttj的方法是当更新Attj后，通过力学计算得到Attj中所有被监测量的、当前的具体数值，这些具体数值组成C\。索结构中所有被监测量的当前值组成被监测量当前数值向量C(定义见式(3))。C = [C1C2 · · · Cj · · · CJt(3)式(3)中Cjj = 1，2，3，.......，M)是索结构中第j个被监测量的当前值，该分
量&依据编号规则与对应于同一“被监测量”。在实测得到当前索结构稳态温度数据向
量Tt的同一时刻，实测得到索结构的所有被监测量的当前实测数值，组成被监测量当前数值向量C。3.建立和更新索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC的方法。索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC是不断更新的，即在更新当前初始カ学计算基准模型At0和被监测量当前初始数值向量Cttj的同吋，更新索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC。具体方法如下在索结构的当前初始力学计算基准模型Attj的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有被评估对象的数量。每一次计算假设只有一个被评估对象在初始损伤(用向量d。的对应元素表示)的基础上再増加单位损伤或单位广义位移，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索有単位损伤(例如取5 %、10 %、20%或30%等损伤为単位损伤)，如果该被评估对象是ー个支座的ー个方向的广义位移分量，就假设该支座在该位移方向发生单位广义位移(例如取I毫米、2毫米、3毫米等为单位线位移，取十万分之一弧度、十万分之ニ弧度、十万分之三弧度等为单位角位移)，用Duk记录这ー单位损伤或单位广义位移，其中k表示发生单位损伤或単位广义位移的被评估对象的编号。用“单位损伤或单位广义位移向量Du”(如式(4)所示)记录所有的単位损伤或単位广义位移。每一次计算中出现单位损伤或単位广义位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或単位广义位移的被评估对象，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成ー个被监測量计算当前向量(当假设第k个被评估对象有单位损伤或单位广义位移时，可用式(5)表示被监测量计算当前向量Ctk);每一次计算得到被监测量计算当前向量Ctk减去被监测量当前初始数值向量Cttj后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位广义位移数值Duk，所得向量就是此条件下(以有单位损伤或単位广义位移的被评估对象的编号为标记)的被监测量单位变化向量(当第k个被评估对象有单位损伤或单位广义位移吋，用S Ck表示被监测量单位变化向量，定义见式(6))，被监测量单位变化向量的每ー元素表示由于计算时假定有单位损伤或单位广义位移的那个被评估对象的单位损伤或单位广义位移而引起的该元素所对应的被监测量的単位改变量；有N个被评估对象就有N个被监测量单位变化向量，由于有M个被监測量，所以每个被监测量单位变化向量有M个元素，由这N个被监測量单位变化向量依次组成有MXN个元素的被监测量单位变化矩阵AC，AC的定义如式(6)所示。Du= [DulDu2 · · · Duk · · · DJt(4)
式(4)中单位损伤或单位广义位移向量Du的元素Duk(k = 1,2,3,.......，N)表
示第k个被评估对象的单位损伤或单位广义位移数值。
_4] Cf= [C^ G · · · Ct · · · ClJO)式(5)中元素Ctjk(k = 1,2,3,......., N ； j = 1,2,3,......., Μ)表示由于第 k
个被评估对象有单位损伤或单位广义位移时，依据编号规则所对应的第j个被监测量的当前计算量。δ(\ =^-~^(6)
'ACu ACia · AChk · ACi n '
AC, AC2i2 · AC2k · ACinAC=* * * * *(7)
Δ α Δ ,2 · ACjji · Δ ,_νU
響··
_AQ/i ACm2 · ACMk · ACm N_式(7)中Δ Cj,k(k = I, 2, 3,......., N ； j = 1,2,3,......., M)表示仅由于第 k
根被评估对象有单位损伤或单位广义位移而引起的、依据编号规则所对应的第j个被监测量的计算当前数值的单位变化(代数值)，被监测量单位变化向量SCk实际上是矩阵AC中的一列。4.被监测量当前数值向量C(计算或实测)同被监测量当前初始数值向量CV单位损伤被监测量单位变化矩阵△ C、单位损伤或单位广义位移向量Du和被评估对象当前名义损伤向量d间的近似线性关系，如式(8)或式(9)所示。被评估对象当前名义损伤向量d的定义參见式(10)。C = C0 +AC· Cl(8)Γ —Γ.;=ΔΓ· /(9)d = [(I1Cl2 · · · dk · · · dN]T(10)式(10)中dk(k = 1,2,3,.......，N)是索结构中第k个被评估对象的当前健康
状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么dk表示其当前损伤，dk为O时表不无损伤，为100%时表不该索彻底丧失承载能力，介于O与100%之间时表不丧失相应比例的承载能力，如果该被评估对象是ー个支座的一个广义位移分量，那么dk表示其当前位移数值。可用式(11)定义的线性关系误差向量e表示式⑶或式(9)所示线性关系的误差。e = abs{AC+(I り式(11)中abs()是取绝对值函数,对括号内求得的向量的姆ー个元素取绝对值。本方法的第二部分基于知识库(含參量)和实测被监测量的索结构健康状态评估方法。由于式(8)或式(9)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(8)或式(9)和实测被监测量当前数值向量C来直接求解得到被评估对象当前名义损伤向量d。如果这样做了，得到的被评估对象当前名义损伤向量d中的元素甚至会出现较大的负值，也就是负损伤，这明显是不合理的。因此获得被评估对象当前名义损伤向量d的可接受的解(即带有合理误差，但可以比较准确的从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度)成为一个合理的解决方法，可用式(12)来表达这一方法。abs(A(" · d-C+ C*0)< g(Ι2 式(12)中abs()是取绝对值函数，向量g描述偏离理想线性关系(式(8)或式
(9))的合理偏差，由式(13)定义。g = [gig2 · · · gj · · · gM]T(13)式(13)中g」(j = 1，2，3，.......，Μ)描述了偏离式⑶或式(9)所示的理想线
性关系的最大允许偏差。向量g可根据式(11)定义的误差向量e试算选定。 在被监测量当前初始数值向量C。、单位损伤被监测量单位变化矩阵AC、实测被监测量当前数值向量C已知时，可以利用合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(12)，获得被评估对象当前名义损伤向量d的可接受的解。定义被评估对象当前实际损伤向量da(见式(14))，被评估对象当前实际损伤向量da的元素可以根据式(15)计算得到，也就是得到了被评估对象当前实际损伤向量d%从而可由da确定被评估对象的健康状态。da = [< <···<··· daNJ(14)式(14)中d\(k = 1,2,3,.......，N)表示第k个被评估对象的当前实际健康
状态，其定义见式(15)，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么d\表示其当前实际损伤，d\为O时表示无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于O与100%之间时表示丧失相应比例的承载能力，如果该被评估对象是一个支座的一个广义位移分量，那么d\表示其当前实际广义位移数值，向量da的元素的编号规则与式(I)中向量d。的元素的编号规则相同。
daJ \-{l-dok){l-dk),如果该元素对应于一根支承索S
k \dok+dk,如果该元素对应于一个支座的一个平移位移分暈 ")式(15)中dok(k= 1,2,3,.......，N)是向量d。的第k个元素，dk是向量d的第
k个元素。下面叙述得到了被评估对象当前实际损伤向量da后，如何确定松弛索的位置和松弛程度。由前可知索结构中共有M1根支承索，索结构索力数据由M1根支承索的索力来描述。可用“初始索力向量F。”表示索结构中所有支承索的初始索力(定义见式(16))。F0 = [Fol Fo2 ·· · F1 · · · Foili ]Γ(16)式(16)中F0(h = 1,2,3,......,M1)是索结构中第h根支承索的初始索力，该元
素依据编号规则对应于指定支承索的索力。向量F。是常量。在实测得到T。的同一时刻，使用常规方法直接测量计算得到所有支承索的索力数据，所有这些索力数据组成初始索力向量F。。在建立索结构的初始力学计算基准模型A。时实际上使用了向量F。。将被评估对象当前实际损伤向量da中与支承索相关的M1个元素取出，组成支承索当前实际损伤向量(Γ，支承索当前实际损伤向量cT的元素的编号规则与初始索力向量F。的元素的编号规则相同。支承索当前实际损伤向量(Γ的第h个元素表示索结构中第h根
支承索的当前实际损伤量，h = 1,2,3,.......,M1 ;当前实际损伤向量(Γ中数值不为O的
元素对应于有健康问题的支承索，对这些有健康问题的支承索进行无损检测，经无损检测查明该支承索没有损伤后，那么该元素数值(用(Th表示)表示该支承索与cTh损伤值力学等效的松弛，由此就确定了松弛索，具体松弛量的计算方法在下面说明。本方法中用“当前索力向量F”表示实测得到的索结 构中所有支承索的当前索力(定义见式(17))。F =[Fj F2 ··· F1 · · · Flh J(17)式(17)中Fh(h= 1,2,3,.......,M1)是索结构中第h根支承索的当前索力。在
实测得到当前索结构稳态温度数据向量Tt的同一时刻，实测得到索结构中所有支承索的索力数据，所有这些索力数据组成当前索力向量F。向量F的元素与向量F。的元素的编号规则相同。依据前面的叙述，向量I"。等于向量本方法中，在支承索初始状态下，在索结构的稳态温度数据用初始索结构稳态温度数据向量T。表示时，且支承索处于自由状态(自由状态指索力为0，后同)时，支承索的长度称为初始自由长度，用“初始自由长度向量I。”表示索结构中所有支承索的初始自由长度(定义见式(18))。依据“本方法的索结构的温度测量计算方法”通过向量T。可以确定在得到向量T。时刻的所有支承索的温度分布。Io = [/ο1 /ο2 · · · /ο4 · · · /οΛ/ι]Γ(18)式(18)中ItjhQi = 1,2,3,......., M1)是索结构中第h根支承索的初始自由长
度。向量I。是常量，在开始时确定后，就不再变化。类似的，在支承索初始状态下，在索结构的稳态温度数据用初始索结构稳态温度数据向量T。表示时，且支承索处于自由状态时，支承索的横截面面积称为初始自由横截面面积，用“初始自由横截面面积向量A。”表示索结构中所有支承索的初始自由横截面面积(定义见式(19))，支承索的单位长度的重量称为初始自由单位长度的重量，用“初始自由单位长度的重量向量ω。”表示索结构中所有支承索的初始自由单位长度的重量(定义见式(20))。^0= [^ol 毛· · ·七·· · AomJ(19)式(19)中AA(h = 1,2,3,.......,M1)是索结构中第h根支承索的初始自由横截
面面积。向量A。是常量，在开始时确定后，就不再变化。ω0=\ω01 Oo2 · · · ωοΑ · · · oMl](二0)式(20)中ωΛ0ι= 1,2,3,......., M1)是索结构中第h根支承索的初始自由自
由单位长度的重量。向量ω。是常量，在开始时确定后，就不再变化。本方法中，在索结构的稳态温度数据用当前初始索结构稳态温度数据向量Tttj表示时，用“当前初始自由长度向量It。”表示索结构中所有支承索的当前初始自由长度(定义见式(21)，指假设支承索索力为O时，考虑了热膨胀系数和温度变化对支承索自由长度的影响后，初始自由长度向量I。和初始索结构稳态温度数据向量T。表示的支承索在温度用当前初始索结构稳态温度数据向量Tttj表示时的支承索自由长度)。依据“本方法的索结构的温度測量计算方法”，通过向量 "。可以确定在得到向量Tttj时刻的所有支承索的温度分布。Ito=Iltol /,··· Vrh · · · lM]J(21)式(21)中IttjhQi = 1,2,3,......., M1)是在索结构的稳态温度数据用当前初始
索结构稳态温度数据向量I"。表示时，索结构中第h根支承索的当前初始自由长度，可以利用支承索的热膨胀系数、loh> T0和Tttj通过常规物理计算得到1\。向量(Γ的元素、向量F的元素、向量I。的元素、向量Ittj的元素、向量A。的元素、向量ω。的兀素与向量F。的兀素的编号规则相同,这些向量的相同编号的兀素表不同ー个支承索的不同信息。本方法中，在索结构的稳态温度数据用当前初始索结构稳态温度数据向量f。表 示时，用“当前自由长度向量I”表示索结构中所有支承索的当前自由长度(定义见式(22)，此时支承索可能是完好的，也可能是受损的，也可能是松弛的)。II2 . · · 4 · · · / 」(22)式(22)中lh(h=l，2，3，.......，M1)是索结构中第h根支承索的当前自由长度。本方法中，用“自由长度改变向量Al” (或称支承索当前松弛程度向量)表示索结构中所有支承索的自由长度的改变量(定义见式(23)和式(24))。Al = [AZ1 Al2 ··· Alh · · · AIm j(23)式(23)中AlhQi= 1,2,3,.......,M1)是当前索结构中第h根支承索的自由长
度的改变量，其定义见式(24)，△ Ih不为O的索为松弛索，△ Ih的数值为索的松弛量，并表示索系统第h根支承索的当前松弛程度，也是调整索力时该索的索长调整量。Mh =Ih -I1a(21)在本方法中通过将松弛索同受损索进行力学等效来进行松弛索的松弛程度识别，等效的力学条件是—、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性參数及材料的力学特性參数相同；ニ、松弛或损伤后，两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同。满足上述两个等效条件时，这样的两根支承索在结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的受损索代替松弛索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然。得到了支承索当前实际损伤向量(^后，(^的第11个元素(1'01 = 1，2，3，.......，
M1)表示第h根支承索的实际损伤值，虽然将d'称为第h根索的实际损伤值或第h根索的实际损伤程度，但由于第h根支承索可能是受损也可能是松弛，所以(fa的第h个元素Cf\表示的第h根支承索的实际损伤值实际上是第h根支承索的实际等效损伤值，当第h根支承索实际上是受损吋，d'就表示的第h根支承索的实际损伤值，当第h根支承索实际上是松弛吋，dah就表示的第h根支承索的与松弛等效的实际损伤值，为叙述方便，在本方法中称d\为O时表示第h根支承索无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于O与100%之间时表示第h根支承索丧失相应比例的承载能力，通过支承索当前实际损伤向量Cfa后就可以识别出健康状态出现问题的支承索，但这些健康状态出现问题的支承索中有些是受损了，有些是松弛了，如果第h个支承索实际上是发生松弛了(其当前松弛程度用Alh定义)，那么松弛的第h个支承索的当前松弛程度AlJAlh的定义见式(23))同等效的受损索的当前实际损伤程度(Th之间的关系由前述两项力学等效条件确定。Λ Ih同cTh之间的具体关系可以采用多种方法实现，例如可以直接根据前述等效条件确定(參见式(25))，也可采用基于Ernst等效弹性模量代替式(25)中的E进行修正后确定(參见式(26))，也可以采用基于有限元法的试算法等其它方法来确定。
权利要求
1.一种温度变化空间坐标监测的问题索和支座广义位移识别方法，其特征在于所述方法包括 a.为叙述方便起见，本方法统一称被评估的支承索和支座广义位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座广义位移分量的数量之和为N，即被评估对象的数量为N ;确定被评估对象的编号规则，按此规则将索结构中所有的被评估对象编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；本方法用变量k表示这一编号，k = 1，2，3，. . .，N ;设索系统中共有M1根支承索，索结构索力数据包括这M1根支承索的索力，显然M1小于被评估对象的数量N ;确定指定的将被监测空间坐标的被测量点，给所有指定点编号；确定过每一测量点的将被监测的空间坐标分量，给所有被测量空间坐标分量编号；上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；“索结构的全部被监测的空间坐标数据”由上述所有被测量空间坐标分量组成；为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的空间坐标数据”称为“被监测量”;所有被监测量的数量之和记为M，M不得小于N ;本方法中对同一个量实时监测的任何两次测量之间的时间间隔不得大于30分钟，测量记录数据的时刻称为实际记录数据时刻； b.本方法定义“本方法的索结构的温度测量计算方法”按步骤bl至b3进行； bl :查询或实测得到索结构组成材料及索结构所处环境的随温度变化的传热学参数，利用索结构的设计图、竣工图和索结构的几何实测数据，利用这些数据和参数建立索结构的传热学计算模型；查询索结构所在地不少于2年的近年来的气象资料，统计得到这段时间内的阴天数量记为T个阴天，在本方法中将白天不能见到太阳的一整日称为阴天，统计得到T个阴天中每一个阴天的0时至次日日出时刻后30分钟之间的最高气温与最低气温，日出时刻是指根据地球自转和公转规律确定的气象学上的日出时刻，不表示当天一定可以看见太阳，可以查询资料或通过常规气象学计算得到所需的每一日的日出时刻，每一个阴天的0时至次日日出时刻后30分钟之间的最高气温减去最低气温称为该阴天的日气温的最大温差，有T个阴天，就有T个阴天的日气温的最大温差，取T个阴天的日气温的最大温差中的最大值为参考日温差，参考日温差记为△!；;查询索结构所在地和所在海拔区间不少于2年的近年来的气象资料或实测得到索结构所处环境的温度随时间和海拔高度的变化数据和变化规律，计算得到索结构所在地和所在海拔区间不少于2年的近年来的索结构所处环境的温度关于海拔高度的最大变化率△ Th，为方便叙述取ATh的单位为。C/m;在索结构的表面上取“R个索结构表面点”，取“R个索结构表面点”的具体原则在步骤b3中叙述，后面将通过实测得到这R个索结构表面点的温度，称实测得到的温度数据为“R个索结构表面温度实测数据”，如果是利用索结构的传热学计算模型，通过传热计算得到这R个索结构表面点的温度，就称计算得到的温度数据为“R个索结构表面温度计算数据”;从索结构所处的最低海拔到最高海拔之间，在索结构上均布选取不少于三个不同的海拔高度，在每一个选取的海拔高度处、在水平面与索结构表面的交线处至少选取两个点，从选取点处引索结构表面的外法线，所有选取的外法线方向称为“测量索结构沿壁厚的温度分布的方向”，测量索结构沿壁厚的温度分布的方向与“水平面与索结构表面的交线”相交，在选取的测量索结构沿壁厚的温度分布的方向中必须包括索结构的向阳面外法线方向和索结构的背阴面外法线方向，沿每一个测量索结构沿壁厚的温度分布的方向在索结构中均布选取不少于三个点，特别的，对于支承索沿每一个测量索结构沿壁厚的温度分布的方向仅仅取一个点，即仅仅测量支承索的表面点的温度，测量所有被选取点的温度，测得的温度称为“索结构沿厚、度的温度分布数据”，其中沿与同一“水平面与索结构表面的交线”相交的、“测量索结构沿壁厚的温度分布的方向”测量获得的“索结构沿厚度的温度分布数据”，在本方法中称为“相同海拔高度索结构沿厚度的温度分布数据”，设选取了 H个不同的海拔高度，在每一个海拔高度处，选取了 B个测量索结构沿壁厚的温度分布的方向，沿每个测量索结构沿壁厚的温度分布的方向在索结构中选取了 E个点，其中H和E都不小于3，B不小于2，特别的，对于支承索E等于1，计索结构上“测量索结构沿厚度的温度分布数据的点”的总数为HBE个，后面将通过实测得到这HBE个“测量索结 构沿厚度的温度分布数据的点”的温度，称实测得到的温度数据为“HBE个索结构沿厚度温度实测数据”，如果是利用索结构的传热学计算模型，通过传热计算得到这HBE个测量索结构沿厚度的温度分布数据的点的温度，就称计算得到的温度数据为“HBE个索结构沿厚度温度计算数据”;本方法中将在每一个选取的海拔高度处“相同海拔高度索结构沿厚度的温度分布数据”的个数温度分布数据”;在索结构所在地按照气象学测量气温要求选取一个位置，将在此位置实测得到符合气象学测量气温要求的索结构所在环境的气温；在索结构所在地的空旷无遮挡处选取一个位置，该位置应当在全年的每一日都能得到该地所能得到的该日的最充分的日照，在该位置安放一块碳钢材质的平板，称为参考平板，参考平板与地面不可接触，参考平板离地面距离不小于I. 5米，该参考平板的一面向阳，称为向阳面，参考平板的向阳面是粗糙的和深色的，参考平板的向阳面应当在全年的每一日都能得到一块平板在该地所能得到的该日的最充分的日照，参考平板的非向阳面覆有保温材料，将实时监测得到参考平板的向阳面的温度； b2 :实时监测得到上述R个索结构表面点的R个索结构表面温度实测数据，同时实时监测得到前面定义的索结构沿厚度的温度分布数据，同时实时监测得到符合气象学测量气温要求的索结构所在环境的气温数据；通过实时监测得到当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的索结构所在环境的气温实测数据序列，索结构所在环境的气温实测数据序列由当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的索结构所在环境的气温实测数据按照时间先后顺序排列，找到索结构所在环境的气温实测数据序列中的最高温度和最低温度，用索结构所在环境的气温实测数据序列中的最高温度减去最低温度得到索结构所在环境的当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的最大温差，称为环境最大温差，记为AT6max ；由索结构所在环境的气温实测数据序列通过常规数学计算得到索结构所在环境的气温关于时间的变化率，该变化率也随着时间变化；通过实时监测得到当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的参考平板的向阳面的温度的实测数据序列，参考平板的向阳面的温度的实测数据序列由当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的参考平板的向阳面的温度的实测数据按照时间先后顺序排列，找到参考平板的向阳面的温度的实测数据序列中的最高温度和最低温度，用参考平板的向阳面的温度的实测数据序列中的最高温度减去最低温度得到参考平板的向阳面的温度的当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的最大温差，称为参考平板最大温差，记为ATpmax ;通过实时监测得到当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的所有R个索结构表面点的索结构表面温度实测数据序列，有R个索结构表面点就有R个索结构表面温度实测数据序列，每一个索结构表面温度实测数据序列由一个索结构表面点的当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的索结构表面温度实测数据按照时间先后顺序排列，找到每一个索结构表面温度实测数据序列中的最高温度和最低温度，用每一个索结构表面温度实测数据序列中的最高温度减去最低温度得到每一个索结构表面点的温度的当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的最大温差，有R个索结构表面点就有R个当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的最大温差数值，其中的最大值称为索结构表面最大温差，记为ATsmax ;由每一索结构表面温度实测数据序列通过常规数学计算得到每一个索结构表面点的温度关于时间的变化率，每一个索结构表面点的温度关于时间的变化率也随着时间变化；通过实时监测得到当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的、在同一时刻、HBE个“索结构沿厚度的温度分布数据”后，计算在每一个选取的海拔高度处共计BE个“相同海拔高度索结构沿厚度的温度分布数据”中的最高温度与最低温度的差值，这个差值的绝对值称为“相同海拔高度处索结构厚度方向最大温差”，选取了 H个不同的海拔高度就有H个“相同海拔高度处索结构厚度方向最大温差”，称这H个“相同海拔高度处索结构厚度方向最大温差”中的最大值为“索结构厚度方向最大温差”，记为A Ttmax ； b3 :测量计算获得索结构稳态温度数据；首先，确定获得索结构稳态温度数据的时刻，与决定获得索结构稳态温度数据的时刻相关的条件有六项，第一项条件是获得索结构稳态温度数据的时刻介于当日日落时刻到次日日出时刻后30分钟之间，日落时刻是指根据地球自转和公转规律确定的气象学上的日落时刻，可以查询资料或通过常规气象学计算得到所需的每一日的日落时刻；第二项条件的a条件是在当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的这段时间内，参考平板最大温差ATpmaj^P索结构表面最大温差ATsmax都不大于5摄氏度；第二项条件的b条件是在当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的这段时间内，在前面测量计算得到的环境最大误差ATraiax不大于参考日温差A I；，且参考平板最大温差ATpmax减去2摄氏度后不大于A T6max，且索结构表面最大温差ATsmax不大于ATpmax;只需满足第二项的a条件和b条件中的一项就称为满足第二项条件；第三项条件是在获得索结构稳态温度数据的时刻，索结构所在环境的气温关于时间的变化率的绝对值不大于每小时0. I摄氏度；第四项条件是在获得索结构稳态温度数据的时刻，R个索结构表面点中的每一个索结构表面点的温度关于时间的变化率的绝对值不大于每小时0. I摄氏度；第五项条件是在获得索结构稳态温度数据的时刻，R个索结构表面点中的每一个索结构表面点的索结构表面温度实测数据为当日日出时刻到次日日出时刻后30分钟之间的极小值；第六项条件是在获得索结构稳态温度数据的时刻，“索结构厚度方向最大温差” ATtmax不大于I摄氏度；本方法利用上述六项条件，将下列三种时刻中的任意一种称为“获得索结构稳态温度数据的数学时刻”，第一种时刻是满足上述“与决定获得索结构稳态温度数据的时刻相关的条件”中的第一项至第五项条件的时刻，第二种时刻是仅仅满足上述“与决定获得索结构稳态温度数据的时刻相关的条件”中的第六项条件的时刻，第三种时刻是同时满足上述“与决定获得索结构稳态温度数据的时刻相关的条件”中的第一项至第六项条件的时刻；当获得索结构稳态温度数据的数学时刻就是本方法中实际记录数据时刻中的一个时，获得索结构稳态温度数据的时刻就是获得索结构稳态温度数据的数学时刻；如果获得索结构稳态温度数据的数学时刻不是本方法中实际记录数据时刻中的任一个时刻，则取本方法最接近于获得索结构稳态温度数据的数学时刻的那个实际记录数据的时刻为获得索结构稳态温度数据的时刻；本方法将使用在获得索结构稳态温度数据的时刻测量记录的量进行索结构相关健康监测分析；本方法近似认为获得索结构稳态温度数据的时刻的索结构温度场处于稳态，即此时刻的索结构温度不随时间变化，此时刻就是本方法的“获得索结构稳态温度数据的时刻”;然后，根据索结构传热特性，利用获得索结构稳态温度数据的时刻的“R个索结构表面温度实测数据”和“HBE个索结构沿厚度温度实测数据”，利用索结构的传热学计算模型，通过常规传热计算得到在获得索结构稳态温度数据的时刻的索结构的温度分布，此时索结构的温度场按稳态进行计算，计算得到的在获得索结构稳态温度数据的时刻的索结构的温度分布数据包括索结构上R个索结构表面点的计算温度，R个索结构表面点的计算温度称为R个索结构稳态表面温度计算数据，还包括索结构在前面选定的HBE个“测量索结构沿厚度的温度分布数据的点”的计算温度，HBE个“测量索结构沿厚度的温度分布数据的点”的计算温度称为“HBE个索结构沿厚度温 度计算数据”，当R个索结构表面温度实测数据与R个索结构稳态表面温度计算数据对应相等时，且“HBE个索结构沿厚度温度实测数据”与“HBE个索结构沿厚度温度计算数据”对应相等时，计算得到的在获得索结构稳态温度数据的时刻的索结构的温度分布数据在本方法中称为“索结构稳态温度数据”，此时的“R个索结构表面温度实测数据”称为“R个索结构稳态表面温度实测数据”，“HBE个索结构沿厚度温度实测数据”称为“HBE个索结构沿厚度稳态温度实测数据”;在索结构的表面上取“R个索结构表面点”时，“R个索结构表面点”的数量与分布必须满足三个条件，第一个条件是当索结构温度场处于稳态时，当索结构表面上任意一点的温度是通过“R个索结构表面点”中与索结构表面上该任意点相邻的点的实测温度线性插值得到时，线性插值得到的索结构表面上该任意点的温度与索结构表面上该任意点的实际温度的误差不大于5% ;索结构表面包括支承索表面；第二个条件是“R个索结构表面点”中在同一海拔高度的点的数量不小于4，且“R个索结构表面点”中在同一海拔高度的点沿着索结构表面均布；“R个索结构表面点”沿海拔高度的所有两两相邻索结构表面点的海拔高度之差的绝对值中的最大值Ah不大于0.2°C除以A Th得到的数值，为方便叙述取A Th的单位为。C/m，为方便叙述取Ah的单位为m ;“R个索结构表面点”沿海拔高度的两两相邻索结构表面点的定义是指只考虑海拔高度时，在“R个索结构表面点”中不存在一个索结构表面点，该索结构表面点的海拔高度数值介于两两相邻索结构表面点的海拔高度数值之间；第三个条件是查询或按气象学常规计算得到索结构所在地和所在海拔区间的日照规律，再根据索结构的几何特征及方位数据，在索结构上找到全年受日照时间最充分的那些表面点的位置，“R个索结构表面点”中至少有一个索结构表面点是索结构上全年受日照时间最充分的那些表面点中的一个点； c.按照“本方法的索结构的温度测量计算方法”直接测量计算得到初始状态下的索结构稳态温度数据，初始状态下的索结构稳态温度数据称为初始索结构稳态温度数据，记为“初始索结构稳态温度数据向量T。” ；实测或查资料得到索结构所使用的各种材料的随温度变化的物理和力学性能参数；在实测得到初始索结构稳态温度数据向量T。的同一时刻，直接测量计算得到所有支承索的初始索力，组成初始索力向量F。；依据索结构设计数据、竣工数据得到所有支承索在自由状态即索力为O时的长度、在自由状态时的横截面面积和在自由状态时的单位长度的重量，以及获得这三种数据时所有支承索的温度，在此基础上利用所有支承索的随温度变化的物理性能参数和力学性能参数，按照常规物理计算得到所有支承索在初始索结构稳态温度数据向量T。条件下的索力为O时所有支承索的长度、索力为O时所有支承索的横截面面积以及索力为O时所有支承索的单位长度的重量，依次组成支承索的初始自由长度向量、初始自由横截面面积向量和初始自由单位长度的重量向量，支承索的初始自由长度向量、初始自由横截面面积向量和初始自由单位长度的重量向量的元素的编号规则与初始索力向量F。的元素的编号规则相同；在实测得到T。的同时，也就是在获得初始索结构稳态温度数据向量T。的时刻的同一时刻，直接测量计算得到初始索结构的实测数据，初始索结构的实测数据包括表达支承索的健康状态的无损检测数据、索结构支座初始广义位移测量数据、所有被监测量的初始数值、所有支承索的初始索力数据、初始索结构模态数据、初始索结构应变数据、初始索结构几何数据、初始索结构支座广义坐标数据、初始索结构角度数据、初始索结构空间坐标数据；所有被监测量的初始数值组成被监测量初始数值向量C。，被监测量初始数值向量C。的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；利用能表达支承索的健康状态的无损检测数据以及索结构支座初始广义位移测量数据建立被评估对象初始损伤向量d。，向量d。表示用初始力学计算基准模型A。表示的索结构的被评估对象的初始健康状态；被评估对象初始损伤向量d。的元素个数等于N，d。的元素与被 评估对象是--对应关系，向量d。的元素的编号规则与被评估对象的编号规则相同；如果d。的某一个元素对应的被评估对象是索系统中的一根支承索，那么d。的该元素的数值代表对应支承索的初始损伤程度，若该元素的数值为O，表示该元素所对应的支承索是完好的，没有损伤的，若其数值为100 %，则表示该元素所对应的支承索已经完全丧失承载能力，若其数值介于0和100%之间，则表示该支承索丧失了相应比例的承载能力；如果d。的某一个元素对应的被评估对象是某一个支座的某一个广义位移分量，那么d。的该元素的数值代表这个支座的该广义位移分量的初始数值；如果没有支承索的无损检测数据及其他能够表达支承索的健康状态的数据时，或者可以认为索结构初始状态为无损伤无松弛状态时，向量d。中与支承索相关的各元素数值取0，如果没有索结构支座初始广义位移测量数据或者可以认为索结构支座初始广义位移为0时，向量d。中与索结构支座广义位移相关的各元素数值取0 ;初始索结构支座广义坐标数据指索结构设计状态下的支座坐标数据，索结构支座初始广义位移测量数据指在建立初始力学计算基准模型A。时，索结构支座相对于索结构设计状态下的支座所发生的广义位移；支座广义坐标包括线量和角量两种； d.根据索结构的设计图、竣工图和初始索结构的实测数据、支承索的无损检测数据、索结构支座初始广义位移测量数据、索结构所使用的各种材料的随温度变化的物理和力学性能参数、初始索结构稳态温度数据向量T。和和前面步骤得到的所有的索结构数据，建立计入“索结构稳态温度数据”的索结构的初始力学计算基准模型A。，基于A。计算得到的索结构计算数据必须非常接近其实测数据，其间的差异不得大于5% ;对应于A。的“索结构稳态温度数据”就是“初始索结构稳态温度数据向量T。” ;对应于A。的被评估对象健康状态用被评估对象初始损伤向量d。表示；对应于A。的所有被监测量的初始数值用被监测量初始数值向量C。表示；第一次建立计入“索结构稳态温度数据”的索结构的当前初始力学计算基准模型#。、被监测量当前初始数值向量Cttj和“当前初始索结构稳态温度数据向量TtJ ;第一次建立索结构的当前初始力学计算基准模型Attj和被监测量当前初始数值向量Cttj时，索结构的当前初始力学计算基准模型Attj就等于索结构的初始力学计算基准模型A。，被监测量当前初始数值向量Cttj就等于被监测量初始数值向量C。.,At0对应的“索结构稳态温度数据”称为“当前初始索结构稳态温度数据”，记为“当前初始索结构稳态温度数据向量Tt/,第一次建立索结构的当前初始力学计算基准模型Attj时，Tt0就等于T。-At0的被评估对象的初始健康状态与A。的被评估对象的健康状态相同，也用被评估对象初始损伤向量d。表示，在后面的循环过程中Attj的被评估对象的初始健康状态始终用被评估对象初始损伤向量d。表示；T0和d。是A。的参数，由A。的力学计算结果得到的所有被监测量的初始数值与C。表示的所有被监测量的初始数值相同，因此也可以说C。由A。的力学计算结果组成；1"。和d。是Attj的参数，Ct0由Attj的力学计算结果组成； e.从这里进入由第e步到第0步的循环；在索结构服役过程中，不断按照“本方法的索结构的温度测量计算方法”不断实测计算获得“索结构稳态温度数据”的当前数据，“索结构稳态温度数据”的当前数据称为“当前索结构稳态温度数据”，记为“当前索结构稳态温度数据向量Tt'向量Tt的定义方式与向量T。的定义方式相同；在实测得到当前索结构稳态温度数据向量Tt的同一时刻，实测得到索结构中所有M1根支承索的索力数据，所有这些索力数据组成当前索力向量F，向量F的元素与向量F。的元素的编号规则相同；在实测得到当前索结构稳态温度数据向量Tt的同一时刻，实测计算得到所有M1根支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离，所有支承索的两个支承端点水平距离数据组成当前支承索两支承端点水平距离向量，当前支承索两支承端点水平距离向量的元素的编号规则与初始索力向量F。的元素的编号规则相同； f.根据当前索结构稳态温度数据向量Tt,按照步骤fl至f3更新当前初始力学计算基准模型A1。、被监测量当前初始数值向量Cttj和当前初始索结构稳态温度数据向量Tttj ； fl.比较Tt与Tt0,如果Tt等于浐。，则A1。、Ct0和Tttj保持不变；否则需要按下列步骤对AVUt0和Tt0进行更新； f2.计算Tt与T。的差，Tt与T。的差就是当前索结构稳态温度数据关于初始索结构稳态温度数据的变化，Tt与T。的差用稳态温度变化向量S表示，S等于Tt减去T。，S表示索结构稳态温度数据的变化； f3.对A。中的索结构施加温度变化，施加的温度变化的数值就取自稳态温度变化向量S，对A。中的索结构施加的温度变化后得到更新的当前初始力学计算基准模型#。，更新Y。的同时，I"。所有元素数值也用Tt的所有元素数值对应代替，即更新了 I"。，这样就得到了正确地对应于Attj的Tttj ;更新Cttj的方法是当更新Attj后，通过力学计算得到Attj中所有被监测量的、当前的具体数值，这些具体数值组成Ct0 -X0的支承索的初始健康状态始终用被评估对象初始损伤向量d。表示； g.在当前初始力学计算基准模型Attj的基础上按照步骤gl至g4进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵A C和单位损伤或单位广义位移向量Du ； gl.索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC是不断更新的，即在更新当前初始力学计算基准模型#。、被监测量当前初始数值向量Cttj和当前初始索结构稳态温度数据向量Tt0之后，必须接着更新索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵△ C和单位损伤或单位广义位移向量Du; g2.在索结构的当前初始力学计算基准模型Attj的基础上进行若干次力学计算，计算次 数数值上等于所有被评估对象的数量N，有N个评估对象就有N次计算；依据被评估对象的编号规则，依次进行计算；每一次计算假设只有一个被评估对象在原有损伤或广义位移的基础上再增加单位损伤或单位广义位移，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索再增加单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的广义位移分量，就假设该支座在该位移方向再增加单位广义位移，用Duk记录这一增加的单位损伤或单位广义位移，其中k表示增加单位损伤或单位广义位移的被评估对象的编号，Duk是单位损伤或单位广义位移向量Du的一个元素，单位损伤或单位广义位移向量Du的元素的编号规则与向量d。的元素的编号规则相同；每一次计算中再增加单位损伤或单位广义位移的被评估对象不同于其它次计算中再增加单位损伤或单位广义位移的被评估对象，每一次计算都利用力学方法计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成一个被监测量计算当前向量，被监测量计算当前向量的元素编号规则与被监测量初始数值向量C。的元素编号规则相同； g3.每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量当前初始数值向量Cttj得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以该次计算所假设的单位损伤或单位广义位移数值，得到一个被监测量单位变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量单位变化向量; g4.由这N个被监测量单位变化向量按照N个被评估对象的编号规则，依次组成有N列的索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC ;索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC的每一列对应于一个被监测量单位变化向量；索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC的每一行对应于同一个被监测量在不同被评估对象增加单位损伤或单位广义位移时的不同的单位变化幅度；索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC的列的编号规则与向量d。的元素的编号规则相同，索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵AC的行的编号规则与M个被监测量的编号规则相同； h.在实测得到当前索结构稳态温度数据向量Tt的同时，实测得到在获得当前索结构稳态温度数据向量Tt的时刻的同一时刻的索结构的所有被监测量的当前实测数值，组成被监测量当前数值向量C ;被监测量当前数值向量C和被监测量当前初始数值向量Cttj与被监测量初始数值向量C。的定义方式相同，三个向量的相同编号的元素表示同一被监测量在不同时刻的具体数值； i.定义被评估对象当前名义损伤向量d，被评估对象当前名义损伤向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前名义损伤向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前名义损伤向量d的元素数值代表对应被评估对象的名义损伤程度或名义广义位移；向量d的元素的编号规则与向量d。的元素的编号规则相同； j.依据被监测量当前数值向量C同被监测量当前初始数值向量C1。、索结构单位损伤被监测量单位变化矩阵△ C、单位损伤或单位广义位移向量Du和待求的被评估对象当前名义损伤向量d间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式I中除d外的其它量均为已知，求解式I就可以算出被评估对象当前名义损伤向量d ；r = C+AOd式 I k.定义被评估对象当前实际损伤向量da，被评估对象当前实际损伤向量da的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前实际损伤向量da的元素和被评估对象之间是一对应关系，被评估对象当前实际损伤向量da的元素数值代表对应被评估对象的实际损伤程度或实际广义位移；向量da的元素的编号规则与向量d。的元素的编号规则相同； I.利用式2表达的被评估对象当前实际损伤向量da的第k个元素d\同被评估对象初始损伤向量d。的第k个元素(I。,和被评估对象当前名义损伤向量d的第k个元素dk间的关系，计算得到被评估对象当前实际损伤向量da的所有元素；
全文摘要
温度变化空间坐标监测的问题索和支座广义位移识别方法基于空间坐标监测，通过监测索结构温度和环境温度来决定是否需要更新索结构的力学计算基准模型，得到计入索结构温度和环境温度的索结构的力学计算基准模型，在此模型的基础上计算获得单位损伤被监测量单位变化矩阵。依据被监测量当前数值向量同被监测量当前初始数值向量、单位损伤被监测量单位变化矩阵、单位损伤或单位广义位移向量和待求的被评估对象当前名义损伤向量间存在的近似线性关系算出被评估对象当前名义损伤向量的非劣解，据此可以在有温度变化时，快速识别出受损索、松弛索和支座广义位移。
文档编号G01B21/02GK102706594SQ20121017134
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者万江, 韩佳邑, 韩玉林 申请人:东南大学