空间坐标监测的受损索和集中载荷递进式识别方法
【专利摘要】空间坐标监测的受损索和集中载荷递进式识别方法基于空间坐标监测、通过监测索结构温度、环境温度、集中载荷变化程度和受损索损伤程度来决定是否需要更新索结构的力学计算基准模型，得到新的计入集中载荷变化程度、受损索损伤程度、温度的索结构的力学计算基准模型，在此模型的基础上依据被监测量的当前数值向量同被监测量当前初始数值向量、单位损伤被监测量数值变化矩阵和待求的当前名义损伤向量间存在的近似线性关系，据此可以在有温度变化时，能够剔除干扰因素的影响，准确地识别受损索和集中载荷变化量。
【专利说明】空间坐标监测的受损索和集中载荷递进式识别方法
【技术领域】
[0001]斜拉桥、悬索桥、桁架结构等结构有一个共同点，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”，并将索结构的所有承载索、承载缆，及所有仅承受轴向拉伸或轴向压缩载荷的杆件(又称为二力杆件)，为方便起见统一称为“索系统”，本方法中用“支承索”这一名词指称承载索、承载缆及仅承受轴向拉伸或轴向压缩载荷的杆件，有时简称为“索”，所以在后面使用“索”这个字的时候，对桁架结构实际就是指二力杆件。在结构服役过程中，对支承索或索系统的健康状态的正确识别关系到整个索结构的安全。在环境温度发生变化时，索结构的温度一般也会随着发生变化，在索结构温度发生变化时，索结构承受的集中载荷也可能发生变化，实际上即使索结构的温度不发生变化，索结构承受的集中载荷也可能单独发生变化，同时索结构的健康状态也可能在发生变化，在这种复杂条件下，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”)来识别受损索和索结构承受的集中载荷的变化量，属工程结构健康监测领域。
【背景技术】
[0002]剔除载荷变化和结构温度变化对索结构健康状态识别结果的影响，从而准确地识别结构的健康状态的变化，是目前迫切需要解决的问题；同样的，剔除结构温度变化和结构健康状态变化对结构承受的集中载荷的变化量的识别结果的影响，对结构安全同样具有重要意义，本方法公开了解决这两个问题的一种有效方法。
[0003]支承索受损对索结构安全是一项重大威胁，基于结构健康监测技术来识别索结构的索系统中的受损索是一种极具潜力的方法。
[0004]当索结构承受的集中载荷出现变化时、或索结构的温度发生变化时、或索系统的健康状态发生变化(例如发生损伤)时、或者三种情况同时发生时，会引起索结构的可测量参数的变化，例如会引起索力的变化，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，也包含了集中载荷的变化量信息，也就是说可以利用索结构的可测量参数来识别受损索和集中载荷的变化量。
[0005]目前已公开的技术、方法中，有些仅仅能够在其它所有条件不变时(仅仅只有结构承受的载荷发生变化)识别结构承受载荷的变化，有些仅仅能够在其它所有条件不变时(仅仅只有结构健康状态发生变化)识别结构健康状态的变化，有些仅仅能够在其它所有条件不变时(仅仅只有结构温度和结构健康状态发生变化)识别结构(环境)温度和结构健康状态的变化，目前还没有一种公开的、有效的方法能够同时识别结构承受载荷、结构(环境)温度和结构健康状态的变化，或者说在结构所承受的载荷和结构(环境)温度同时变化时，还没有有效的方法能够识别结构健康状态的变化，而结构承受的载荷和结构(环境)温度是常常变化的，所以如何在结构承受的载荷和结构(环境)温度变化时，剔除载荷变化和结构温度变化对索结构健康状态识别结果的影响，从而准确地识别结构的健康状态的变化，是目前迫切需要解决的问题，本方法公开了一种方法，可以在索结构承受的集中载荷和结构(环境)温度发生变化时，剔除载荷变化和结构温度变化对索结构健康状态识别结果的影响，基于被监测量监测来识别受损索，对索结构的安全具有重要的价值。
[0006]同样的，在目前公开的方法中，还没有出现能够剔除结构温度变化和支承索健康状态影响的、从而实现集中载荷变化程度的正确识别的方法，而对结构来说，载荷变化的识别也是非常重要的。本方法在识别出受损索的同时，还能同时识别出集中载荷的变化，即本方法能够剔除结构温度变化和支承索健康状态变化的影响，实现集中载荷变化程度的正确识别。
[0007]也就是说，本方法实现了已有方法不可能具备的两种功能。
【发明内容】
[0008]技术问题:本方法公开了一种方法，实现了已有方法不可能具备的两种功能，分别是，一、在结构承受的集中载荷和结构(环境)温度变化时，能够剔除集中载荷变化和结构温度变化对索结构健康状态识别结果的影响，从而准确地识别出受损索的结构健康监测方法；二、本方法在识别出受损索的同时，还能同时识别出集中载荷的变化，即本方法能够剔除结构温度变化和支承索健康状态变化的影响，实现集中载荷变化程度的正确识别。
[0009]技术方案:本方法由三部分组成。分别是:一、“本方法的索结构的温度测量计算方法”;二、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)和实测被监测量的结构健康状态评估方法；三、健康监测系统的软件和硬件部分。
[0010]首先确认索结构承受的可能发生变化的集中载荷的数量。根据索结构所承受的集中载荷的特点，确认其中“所有可能发生变化的集中载荷”，或者将所有的集中载荷视为“所有可能发生变化的集中载荷”，设共有JZW个可能发生变化的集中载荷。
[0011]集中载荷分为集中力和集中力偶两种，在坐标系中，例如在笛卡尔直角坐标系中，一个集中力可以分解成三个分量，同样的，一个集中力偶也可以分解成三个分量，在本方法中将一个集中力分量或一个集中力偶分量称为一个集中载荷。
[0012]设索结构的支承索的数量和JZW个“所有可能发生变化的集中载荷”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“所有可能发生变化的集中载荷”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。
[0013]“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。
[0014]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
[0015]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=l, 2, 3，…，Μ。
[0016]本方法的第一部分:“本方法的索结构的温度测量计算方法”。
[0017]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:
[0018]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O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刻，每一个阴天的O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ATh,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”，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”时，“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闻海拔之间，在索结构上均布选取不少于二个不同的海拔闻度，在每一个选取的海拔闻度处、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，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，设HBE为H与B和E的乘积，对应的共有HBE个“测量索结构沿厚度的温度分布数据的点”，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”;设BE为B和E的乘积，本方法中在每一个选取的海拔高度处共有BE个“相同海拔高度索结构沿厚度的温度分布数据”。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，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。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。
[0019]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ATemax ;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Δ Tpmax ;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。
[0020]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ATpmax和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不大于参考日温差Λ?；，且参考平板最大温差Λ Tpmax减去2摄氏度后不大于Δ Temax,且索结构表面最大温差Δ 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0.1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0.1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Λ Th得到的数值，为方便叙述取Λ 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。
[0021]本方法的第二部分:建立索结构健康监测系统所需的知识库和参量的方法、基于知识库(含参量)和实测被监测量的结构健康状态评估方法。可按如下步骤依次进行，以获得更准确的被评估对象的健康状态评估。
[0022]第一步:建立初始力学计算基准模型A。，在索结构竣工之时，或者在建立健康监测系统前，按照“本方法的索结构的温度测量计算方法”测量计算得到“索结构稳态温度数据”(可以用常规温度测量方法测量，例如使用热电阻测量)，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，也就是在获得初始索结构稳态温度数据向量T。的时刻的同一时刻，使用常规方法直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数。在实测计算得到初始索结构稳态温度数据向量T。的同时，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参数(例如热膨胀系数)和力学性能参数(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，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首先是包括支承索的无损检测数据在内的能够表达索的健康状态的数据，索结构的实测计算数据还是包括索结构初始几何数据、索力数据、拉杆拉力数据、初始索结构支座广义坐标数据、索结构模态数据、结构应变数据、结构角度测量数据、结构空间坐标测量数据、载荷数据在内的实测数据。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。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。“所有可能发生变化的集中载荷”的变化量在建立初始力学计算基准模型A。时全部为0，也就是说后面识别出的“所有可能发生变化的集中载荷”的变化量是相对于建立初始力学计算基准模型A。时结构所承受的对应集中载荷的变化量。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“所有可能发生变化的集中载荷”的变化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O。向量d。中与集中载荷的变化量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、索结构所使用的各种材料的随温度变化的物理和力学性能参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A。。
【权利要求】
1.空间坐标监测的受损索和集中载荷递进式识别方法，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集中载荷为被评估对象，设被评估的支承索的数量和集中载荷的数量之和为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=l，2，3，…，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”简称为“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O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O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△ I；;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ATh,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，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，设HBE为H与B和E的乘积，对应的共有HBE个“测量索结构沿厚度的温度分布数据的点”，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”；设BE为B和E的乘积，本方法中在每一个选取的海拔高度处共有BE个“相同海拔高度索结构沿厚度的温度分布数据”;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1.5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ATemax ；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;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Δ 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Λ Tpmax和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Λ Traiax不大于参考日温差Λ ?；，且参考平板最大温差ATpmax减去2摄氏度后不大于Λ Temax，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0.1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0.1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” Λ Ttmax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“ΗΒΕ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Λ Th得到的数值，为方便叙述取Λ 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是包括索结构集中载荷测量数据、索结构分布载荷测量数据、索结构体积载荷测量数据、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在内的实测数据，在得到初始索结构的实测数据的同时，测量计算得到包括支承索的无损检测数据在内的能够表达支承索的健康状态的数据，此时的能够表达支承索的健康状态的数据称为支承索初始健康状态数据；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；利用支承索初始健康状态数据以及索结构集中载荷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。的兀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0，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O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集中载荷，本方法中取d。的该元素数值为0，代表这个集中载荷的变化的初始数值为O ;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。中与支承索相关的各元素数值取O ;d.根据索结构的设计图、竣工图和初始索结构的实测数据、支承索初始健康状态数据、索结构集中载荷测量数据、索结构分布载荷测量数据、索结构体积载荷测量数据、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；T。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，在本方法中A。、C。、d。和T。是不变的；e.在本方法中，字母i除了明显地表示步骤编号的地方外，字母i仅表示循环次数，即第i次循环；第i次循环开始时需要建立的或已建立的索结构的当前初始力学计算基准模型记为当前初始力学计算基准模型八^乂和Ai。计入了温度参数，可以计算温度变化对索结构的力学性能影响；第i次循环开始时，对应于Aitj的“索结构稳态温度数据”用当前初始索结构稳态温度数据向量Titj表示，向量Titj的定义方式与向量T。的定义方式相同，Titj的元素与T。的元素一一对应；第i次循环开始时需要的被评估对象当前初始损伤向量记为(^。，屮。表示该次循环开始时索结构Ai0的被评估对象的健康状态，Cli0的定义方式与d。的定义方式相同，dt的元素与d。的元素一一对应；第i次循环开始时，所有被监测量的初始值，用被监测量当前初始数值向量C1。表示，向量C1。的定义方式与向量C。的定义方式相同，C1。的元素与C。的元素一一对应，被监测量当前初始数值向量Ci。表示对应于Aitj的所有被监测量的具体数值；1"。和(是Aitj的特性参数，C、由Ai0的力学计算结果组成；第一次循环开始时，Aitj记为A1。，建立A1。的方法为使A1。等于A。；第一次循环开始时，Titj记为T1。，建立T1。的方法为使T1。等于T。；第一次循环开始时，Cli0记为d1。，建立d1。的方法为使d1。等于d。；第一次循环开始时，Ci0记为C10,建立C1。的方法为使C1。等于C0 ；f.从这里进入由第f步到第q步的循环；在结构服役过程中，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，所有“索结构稳态温度数据”的当前数据组成当前索结构稳态温度数据向量Ti,向量Ti的定义方式与向量T。的定义方式相同，Ti的元素与T。 的元素一一对应；在实测得到向量Ti的同时，实测得到在获得当前索结构稳态温度数据向量Ti的时刻的同一时刻的索结构中所有被监测量的当前值，所有这些数值组成被监测量当前数值向量Ci,向量Ci的定义方式与向量C。的定义方式相同，C1的兀素与C。的兀素对应，表不相同被监测量在不同时刻的数值；g.根据当前索结构稳态温度数据向量T1,按照步骤gl至g3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C1。和当前初始索结构稳态温度数据向量Τ1。，而被评估对象当前初始损伤向量f。保持不变；gl.比较Ti与f。，如果Ti等于f。，则A1。、Ci0和Titj保持不变；否则需要按下列步骤对Ai0和Ti0进行更新；g2.计算Ti与T。的差，Ti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，Ti与T。的差用稳态温度变化向量S表示，S等于Ti减去T。，S表示索结构稳态温度数据的变化；g3.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A1。，更新Aitj的同时，Titj所有元素数值也用Ti的所有元素数值对应代替，即更新了 Τ1。，这样就得到了正确地对应于Aitj的Titj ;此时(保持不变；当更新Aitj后，Aitj的索的健康状况用被评估对象当前初始损伤向量(表示，Aitj的索结构稳态温度用当前索结构稳态温度数据向量Ti表示，更新C1。的方法是:当更新Aitj后，通过力学计算得到Aitj中所有被监测量的、当前的具体数值，这些具体数值组成C、；h.在当前初始力学计算基准模型Ai。的基础上，按照步骤hi至步骤h4进行若干次力学计算，通过计算建立单位损伤被监测量数值变化矩阵Λ Ci和被评估对象单位变化向量Diu ；h1.在第i次循环开始时，直接按步骤h2至步骤h4所列方法获得Λ Ci和Diu ;在其它时刻，当在步骤g中对Ai0进行更新后，必须按步骤h2至步骤h4所列方法重新获得Λ Ci和Diu,如果在步骤g中没有对Aitj进行更新，则在此处直接转入步骤i进行后续工作；`h2.在当前初始力学计算基准模型Aitj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集中载荷的基础上再增加单位损伤或集中载荷单位变化，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集中载荷，就假设该集中载荷再增加集中载荷单位变化，用Diuk记录这一增加的单位损伤或集中载荷单位变化，其中k表示增加单位损伤或集中载荷单位变化的被评估对象的编号，Diuk是被评估对象单位变化向量Diu的一个元素，被评估对象单位变化向量Diu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集中载荷单位变化的被评估对象不同于其它次计算中再增加单位损伤或集中载荷单位变化的被评估对象，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；当假设第k个被评估对象再增加单位损伤或集中载荷单位变化时，用Citk表示对应的“被监测量计算当前向量”;在本步骤中给各向量的元素编号时，应同本方法中其它向量使用同一编号规则，以保证本步骤中各向量中的任意一个元素，同其它向量中的、编号相同的兀素，表达了同一被监测量或同一对象的相关信息；C\k的定义方式与向量C。的定义方式相同，C1tk的兀素与C。的兀素对应；h3.每一次计算得到的向量Citk减去向量C1。得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算所假设的单位损伤或集中载荷单位变化数值后得到一个“被监测量的数值变化向量5 CY ;有N个被评估对象就有N个“被监测量的数值变化向量”；h4.由这N个“被监测量的数值变化向量”按照N个被评估对象的编号规则，依次组成有N列的“单位损伤被监测量数值变化矩阵△ Ci”;单位损伤被监测量数值变化矩阵八^勺每一列对应于一个被监测量单位变化向量；单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi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集中载荷单位变化时的不同的单位变化幅度；单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi的列的编号规则与向量d。的元素的编号规则相同，单位损伤被监测量数值变化矩阵ACi的行的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；i.定义当前名义损伤向量(和当前实际损伤向量dSd1。和Cli的元素个数等于被评估对象的数量，Clic和Cli的元素和被评估对象之间是--对应关系，f。的元素数值代表对应被评估对象的名义损伤程度或名义集中载荷变化量，Clic和Cli与被评估对象初始损伤向量d。的元素编号规则相同，Clic的元素、Cli的元素与d。的元素是一一对应关系；j.依据被监测量当前数值向量Ci同“被监测量当前初始数值向量C1。”、“单位损伤被监测量数值变化矩阵AC1”和“当前名义损伤向量屮。”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f。外的其它量均为已知，求解式I就可以算出当前名义损伤向量札;
【文档编号】G01D21/02GK103604547SQ201310661772
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】韩玉林, 韩佳邑 申请人:东南大学