专利名称：支座广义位移温度变化混合监测受损索逼近式识别方法
技术领域：
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”。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X、Y、Z轴的角坐标)时，本方法基于混合监测来识别索结构的支承系统(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一称为“索系统”，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)中的受损索(对桁架结构就是指受损的仅 承受拉伸载荷的杆件)，属工程结构健康监测领域。
背景技术：
支承索系统的健康状态发生变化(例如发生损伤)后，除了会引起索力的变化外，还会引起结构的其它可测量参数的变化，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，因此可以通过对这些不同类型的结构的特征参量的变化的混合监测来判断结构的健康状态，本方法将所有被监测的结构特征参量统称为“被监测量”，由于此时被监测量是由结构的不同类型的可测量参数混合组成，本方法称此为混合监测。被监测量除了受索系统健康状态的影响外，还会受索结构温度变化(常常会发生)和索结构支座广义位移的影响，在索结构温度发生变化和索结构支座发生广义位移的条件下，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。在索结构支座广义位移温度变化时，为了能对索结构的索系统的健康状态有可靠的监测和判断，必须有一个能够合理有效的建立每一个被监测量变化同索系统中所有索的健康状况间的关系的方法，基于该方法建立的健康监测系统可以给出更可信的索系统的健康评估。
发明内容
技术问题本方法的目的是在索结构有温度变化时，针对索结构中索系统的健康监测问题，公开了一种基于混合监测的、能够合理有效地监测索结构中索系统的健康监测方法。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、建立索系统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系统健康状态评估方法；三、健康监测系统的软件和硬件部分。本方法的第一部分“本方法的索结构的温度测量计算方法”。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参考日温差，参考日温差记为Al；。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”，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，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。 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△ 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。本方法的第二部分建立索系统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系统健康状态评估方法。可按如下步骤依次进行，以获得更准确的索系统的健康状态评估。第一步设共有N根支承索，首先确定支承索的编号规则，按此规则将索结构中所有的支承索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。
被监测的多类参量可以包括索力、应变、角度和空间坐标，分别叙述如下设索系统中共有N根索，结构的被监测的索力数据由结构上M1个指定索的M1个索力数据来描述，结构索力的变化就是所有指定索的索力的变化。每次共有M1个索力测量值或计算值来表征结构的索力信息。M1是一个不小于0的整数。结构的被监测的应变数据可由结构上1(2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化。每次共有M2(M2=k2XL2)个应变测量值或计算值来表征结构应变。M2是一个不小于0的整数。结构的被监测的角度数据由结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3个角度坐标分量来描述，结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化。每次共有M3 (M3=K3XL3XH3)个角度坐标分量测量值或计算值来表征结构的角度信息。M3是一个不小于0的整数。
结构的被监测的形状数据由结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化。每次共有仏(114=1(4\14)个坐标测量值或计算值来表征结构形状。M4是一个不小于0的整数。综合上述被监测量，整个结构共有M(M = Mi+M2+M3+M4)个被监测量，定义参量K (K=MJKfKfK4XK和M不得小于索的数量N。由于M个被监测量是不同类型的，所以本方法称其为混合监测。为方便起见，在本方法中将“结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。建立初始力学计算基准模型A。时，在索结构竣工之时，或者在建立健康监测(受损索识别)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。的时刻的同一时亥IJ，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、拉杆拉力数据、索结构支座广义坐标数据、索结构模态数据、结构应变数据、结构角坐标测量数据、结构空间坐标测量数据等实测数据。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。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索的健康状态的数据建立索系统初始损伤向量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)的索系统的初始健康状态。如果没有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状态时，向量d。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。。对应于A。的索结构支座广义坐标数据组成初始索结构支座广义坐标向量U。。(I0= [dol do2 doJ dJT (I)式(I)中(1。」(」=1，2，3，.......，N)表示初始力学计算基准模型A。中的索系统的
第j根索的初始损伤值，dOJ为0时表示第j根索无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于0与100%之间时表示第j根索丧失相应比例的承载能力，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A。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。
权利要求
1.一种支座广义位移温度变化混合监测受损索逼近式识别方法，其特征在于所述方法包括 a.设共有N根支承索，首先确定支承索的编号规则，按此规则将索结构中所有的支承索编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；确定混合监测时指定的将被监测索力的支承索，设索系统中共有N根支承索，索结构的被监测的索力数据由索结构上M1个指定支承索的M1个索力数据来描述，索结构索力的变化就是所有指定支承索的索力的变化；每次共有M1个索力测量值或计算值来表征索结构的索力信息^是一个不小于O的整数；确定混合监测时指定的将被监测应变的被测量点，索结构的被监测的应变数据可由索结构上K2个指定点的、及每个指定点的L2个指定方向的应变来描述，索结构应变数据的变化就是K2个指定点的所有被测应变的变化；每次共有M2个应变测量值或计算值来表征索结构应变，M2为K2和L2之积；M2是不小于O的整数；确定混合监测时指定的将被监测角度的被测量点，索结构的被监测的角度数据由索结构上K3个指定点的、过每个指定点的L3个指定直线的、每个指定直线的H3个角度坐标分量来描述，索结构角度的变化就是所有指定点的、所有指定直线的、所有指定的角度坐标分量的变化；每次共有M3个角度坐标分量测量值或计算值来表征索结构的角度信息，M3为K3、L3和H3之积；M3是一个不小于O的整数；确定混 合监测时指定的将被监测的形状数据，索结构的被监测的形状数据由索结构上K4个指定点的、及每个指定点的L4个指定方向的空间坐标来描述，索结构形状数据的变化就是K4个指定点的所有坐标分量的变化；每次共有M4个坐标测量值或计算值来表征索结构形状，M4为K4和L4之积；M4是一个不小于O的整数；综合上述混合监测的被监测量，整个索结构共有M个被监测量，M为MpM2、M3和M4之和，定义参量K，K为Mi、K2、K3和K4之和，K和M不得小于索的数量N ;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”；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、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、索结构支座广义坐标数据、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。；利用能表达支承索的健康状态的无损检测数据建立索系统初始损伤向量d。，索系统初始损伤向量d。的元素个数等于N，d。的元素与支承索是一一对应关系，索系统初始损伤向量d。的元素数值代表对应支承索的损伤程度，若索系统初始损伤向量d。的某一元素的数值为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，或者认为索结构初始状态为无损伤状态时，向量d。的各元素数值取0 ;对应于A。的索结构支座广义坐标数据组成初始索结构支座广义坐标向量U。；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、初始索结构支座广义坐标向量U。、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。的索结构支座广义坐标数据就是初始索结构支座广义坐标向量U。；对应于A。的支承索健康状态用索系统初始损伤向量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。、U0和d。是A0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1、队、(；、(1。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A^A。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当前初始索结构支座广义坐标向量记为Ui0,由对应于索结构的当前初始力学计算基准模型Aitj的索结构支座广义坐标数据组成;第i次循环开始时需要的索系统当前初始损伤向量记为d1。，d1。表示该次循环开始时索结构Ai0的索系统的健康状态，Cli0的定义方式与d。的定义方式相同，Cli0的元素与d。的元素--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Citj表示，向量C1。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，被监测量当前初始数值向量Citj表示对应于Aitj的所有被监测量的具体数值；!"。、亇。和必是Aitj的特性参数，Ci0由A10的力学计算结果组成；第一次循环开始时，Ai0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，Ui0记为U1。，建立U1。的方法为使U1。等于U。；第一次循环开始时，Cli0记为d1。，建立Cl10的方法为使d1。等于d。；第一次循环开始时，C、记为C1。，建立C1。的方法为使C1。等于C。； f.从这里进入由第f步到第q步的循环；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，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T0的定义方式相同，Ti的元素与T。的元素一一对应；在实测得到当前索结构稳态温度数据向量Ti的同一时刻，实测得到索结构支座广义坐标当前数据，所有索结构支座广义坐标当前数据组成当前索结构实测支座广义坐标向量Ui ;在实测得到向量!^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.根据当前索结构实测支座广义坐标向量Ui和当前索结构稳态温度数据向量Ti，按照步骤gl至g3更新当前初始力学计算基准模型A1。、当前初始索结构支座广义坐标向量U1。、 被监测量当前初始数值向量Citj和当前初始索结构稳态温度数据向量Titj,而索系统当前初始损伤向量d1。保持不变； gl.分别比较Ui与U1。、Ti与Ti0,如果Ui等于Ui0且Ti等于Ti0,则Ai0' U1。、Ci0和Ti0保持不变；否则需要按下列步骤对A: Ui0和Titj进行更新； g2.计算Ui与U。的差，Ui与U。的差就是索结构支座关于初始位置的当前支座广义位移，用支座广义位移向量V表示支座广义位移，V等于Ui减去U。，支座广义位移向量V中的元素与支座广义位移分量之间是一一对应关系，支座广义位移向量V中一个元素的数值对应于一个指定支座的一个指定方向的广义位移，其中支座广义位移在重力方向的分量就是支座广义位移量；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.先对A0中的索结构支座施加当前支座广义位移约束，当前支座广义位移约束的数值就取自支座广义位移向量V中对应元素的数值，再对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。中索结构支座施加支座广义位移约束且对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Ai0的同时，Uitj所有元素数值也用Ui所有元素数值对应代替，即更新了 所有元素数值也用Ti的所有元素数值对应代替，即更新了 Titj,这样就得到了正确地对应于Aitj的Titj和Ui0 ；此时 < 保持不变；当更新Aitj后，Aitj的索的健康状况用索系统当前初始损伤向量d、表示，Ai0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，Ai0的支座广义坐标用当前初始索结构支座广义坐标向量Ui0表示，更新Citj的方法是当更新Ai0后，通过力学计算得到Ai0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Ai0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ACi和名义单位损伤向量Diu ； hi.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A 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A 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支承索的数量，有N根支承索就有N次计算，每一次计算假设索系统中只有一根支承索在原有损伤的基础上再增加单位损伤，每一次计算中出现损伤的支承索不同于其它次计算中出现损伤的支承索，并且每一次假定有损伤的支承索的单位损伤值可以不同于其他支承索的单位损伤值，用“名义单位损伤向量Di/记录所有索的假定的单位损伤，向量Diu的元素编号规则与向量d。的元素的编号规则相同，每一次计算得到索结构中所有被监测量的当前数值，每一次计算得到的所有被监测量的当前数值组成一个“被监测量计算当前数值向量”;当假设第j根支承索有单位损伤时，可用表示对应的“被监测量计算当前数值向量”;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兀素，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\j的定义方式与向量C。的定义方式相同,C1tj的兀素与C。的元素—对应； h3.每一次计算得到的向量Ciu减去向量Citj得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以本次计算中假定的单位损伤值后得到一个“被监测量的数值变化向量S Ci/;有N根支承索就有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”依次组成有N列的“单位损伤被监测量数值变化矩阵AC1”;“单位损伤被监测量数值变化矩阵AC1”的每一列对应于一个“被监测量的数值变化向量”；“单位损伤被监测量数值变化矩阵”的列的编号规则与索系统初始损伤向量d。的元素编号规则相同； i.定义当前名义损伤向量屮。和当前实际损伤向量屮，(和Cli的元素个数等于支承索的数量，Clic和Cli的元素和支承索之间是一一对应关系，Clic和Cli的元素数值代表对应支承索的损伤程度或健康状态，Clic和Cli与索系统初始损伤向量d。的元素编号规则相同，d、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;
全文摘要
支座广义位移温度变化混合监测受损索逼近式识别方法基于混合监测，通过监测支座广义位移、监测索结构温度、环境温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，得到新的计入支座广义位移、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，据此可以在有支座位移和温度变化时，比较准确地确定受损索的位置及其损伤程度。
文档编号G01K13/00GK102706664SQ20121017386
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