精简广义位移空间坐标监测载荷问题索识别方法
【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。支承索的受损和松弛对索结构安全是一项重大威胁，本方法将受 损索和松弛索统称为有健康问题的支承索，简称为问题索。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。在索结构服役过程中，索结构支 座可能发生广义位移，索结构承受的载荷也可能发生变化，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"）来识别问题索，属工程结构健康监测领域。
【背景技术】
[0002] 剔除载荷变化、索结构支座广义位移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，本方法公开了解决这个问 题的一种有效的、廉价的方法。
【发明内容】
[0003] 技术问题：本方法公开了一种方法，在造价更低的条件下，在支座有广义位移时， 在结构承受的载荷变化时，能够剔除支座广义位移和载荷变化对索结构健康状态识别结果 的影响，从而准确地识别出支承索的健康状态。
[0004] 技术方案：本方法由三部分组成。分别是建立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、健康监测系 统的软件和硬件部分。
[0005] 在本方法中，用"支座空间坐标"指称支座关于笛卡尔直角坐标系的X、Y、Z轴的 坐标，也可以说成是支座关于X、Y、Z轴的空间坐标，支座关于某一个轴的空间坐标的具体 数值称为支座关于该轴的空间坐标分量，本方法中也用支座的一个空间坐标分量表达支座 关于某一个轴的空间坐标的具体数值；用"支座角坐标"指称支座关于X、Y、Z轴的角坐标， 支座关于某一个轴的角坐标的具体数值称为支座关于该轴的角坐标分量，本方法中也用支 座的一个角坐标分量表达支座关于某一个轴的角坐标的具体数值；用"支座广义坐标"指称 支座角坐标和支座空间坐标全体，本方法中也用支座的一个广义坐标分量表达支座关于一 个轴的空间坐标或角坐标的具体数值；支座关于X、Y、Z轴的坐标的改变称为支座线位移， 也可以说支座空间坐标的改变称为支座线位移，本方法中也用支座的一个线位移分量表达 支座关于某一个轴的线位移的具体数值；支座关于X、Y、Z轴的角坐标的改变称为支座角位 移，本方法中也用支座的一个角位移分量表达支座关于某一个轴的角位移的具体数值；支 座广义位移指称支座线位移和支座角位移全体，本方法中也用支座的一个广义位移分量表 达支座关于某一个轴的线位移或角位移的具体数值；支座线位移也可称为平移位移，支座 沉降是支座线位移或平移位移在重力方向的分量。
[0006] 本方法的第一部分：建立结构健康监测系统所需的知识库和参量的方法。具体如 下：
[0007] 1.物体、结构承受的外力可称为载荷，载荷包括面载荷和体积载荷。面载荷又称表 面载荷，是作用于物体表面的载荷，包括集中载荷和分布载荷两种。体积载荷是连续分布于 物体内部各点的载荷，如物体的自重和惯性力。
[0008] 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，如果载荷 实际上是集中载荷，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载荷，此 时载荷的变化具体化为一个集中力分量或一个集中力偶分量的变化。
[0009] 分布载荷分为线分布载荷和面分布载荷，分布载荷的描述至少包括分布载荷的作 用区域和分布载荷的大小，分布载荷的大小用分布集度来表达，分布集度用分布特征（例 如均布、正弦函数等分布特征）和幅值来表达（例如两个分布载荷都是均布，但其幅值不 同，可以均布压力为例来说明幅值的概念：同一个结构承受两个不同的均布压力，两个分布 载荷都是均布载荷，但一个分布载荷的幅值是l〇MPa，另一个分布载荷的幅值是50MPa)。如 果载荷实际上是分布载荷，本方法谈论载荷的变化时，实际上是指分布载荷分布集度的幅 值的改变，而分布载荷的作用区域和分布集度的分布特征是不变的。在坐标系中，一个分布 载荷可以分解成若干个分量，如果这分布载荷的若干个分量的各自的分布集度的幅值发生 变化，且变化的比率不全部相同，那么在本方法中把这若干个分布载荷的分量看成同样数 量的独立的分布载荷，此时一个载荷就代表一个分布载荷的分量，也可以将其中分布集度 的幅值变化比率相同的分量合成为一个分布载荷或称为一个载荷。
[0010] 体积载荷是连续分布于物体内部各点的载荷，如物体的自重和惯性力，体积载荷 的描述至少包括体积载荷的作用区域和体积载荷的大小，体积载荷的大小用分布集度来表 达，分布集度用分布特征（例如均布、线性函数等分布特征）和幅值来表达（例如两个体积 载荷都是均布，但其幅值不同，可以自重为例来说明幅值的概念：同一个结构的两个部分的 材料不同，故密度不同，所以虽然这两个部分所受的体积载荷都是均布的，但一个部分所受 的体积载荷的幅值可能是10kN/m3,另一个部分所受的体积载荷的幅值是50kN/m3)。如果载 荷实际上是体积载荷，在本方法中实际处理的是体积载荷分布集度的幅值的改变，而体积 载荷的作用区域和分布集度的分布特征是不变的，此时在本方法中提到载荷的改变时实际 上是指体积载荷的分布集度的幅值的改变，此时，发生变化的载荷是指那些分布集度的幅 值发生变化的体积载荷。在坐标系中，一个体积载荷可以分解成若干个分量（例如在笛卡 尔直角坐标系中，体积载荷可以分解成关于坐标系的三个轴的分量，也就是说，在笛卡尔直 角坐标系中体积载荷可以分解成三个分量），如果这体积载荷的若干个分量的各自的分布 集度的幅值发生变化，且变化的比率不全部相同，那么在本方法中把这若干个体积载荷的 分量看成同样数量的独立的载荷，也可以将其中分布集度的幅值变化比率相同的体积载荷 分量合成为一个体积载荷或称为一个载荷。
[0011] 当载荷具体化为集中载荷时，在本方法中，"载荷单位变化"实际上是指"集中载荷 的单位变化"，类似的，"载荷变化"具体指"集中载荷的大小的变化"，"载荷变化量"具体指 "集中载荷的大小的变化量"，"载荷变化程度"具体指"集中载荷的大小的变化程度"，"载荷 的实际变化量"是指"集中载荷的大小的实际变化量"，"发生变化的载荷"是指"大小发生 变化的集中载荷"，简单地说，此时"某某载荷的某某变化"是指"某某集中载荷的大小的某 某变化"。
[0012] 当载荷具体化为分布载荷时，在本方法中，"载荷单位变化"实际上是指"分布载 荷的分布集度的幅值的单位变化"，而分布载荷的分布特征是不变的，类似的，"载荷变化" 具体指"分布载荷的分布集度的幅值的变化"，而分布载荷的分布特征是不变的，"载荷变化 量"具体指"分布载荷的分布集度的幅值的变化量"，"载荷变化程度"具体指"分布载荷的 分布集度的幅值的变化程度"，"载荷的实际变化量"具体指"分布载荷的分布集度的幅值的 实际变化量"，"发生变化的载荷"是指"分布集度的幅值发生变化的分布载荷"，简单地说， 此时"某某载荷的某某变化"是指"某某分布载荷的分布集度的幅值的某某变化"，而所有分 布载荷的作用区域和分布集度的分布特征是不变的。
[0013] 当载荷具体化为体积载荷时，在本方法中，"载荷单位变化"实际上是指"体积载荷 的分布集度的幅值的单位变化"，类似的，"载荷变化"是指"体积载荷的分布集度的幅值的 变化"，"载荷变化量"是指"体积载荷的分布集度的幅值的变化量"，"载荷变化程度"是指 "体积载荷的分布集度的幅值的变化程度"，"载荷的实际变化量"是指"体积载荷的分布集 度的幅值的实际变化量"，"发生变化的载荷"是指"分布集度的幅值发生变化的体积载荷"， 简单地说，"某某载荷的某某变化"是指"某某体积载荷的分布集度的幅值的某某变化"，而 所有体积载荷的作用区域和分布集度的分布特征是不变的。
[0014] 首先确认索结构承受的可能发生变化的载荷的数量。根据索结构所承受的载荷的 特点，确认其中"所有可能发生变化的载荷"，或者将所有的载荷视为"所有可能发生变化的 载荷"，设共有JZW个可能发生变化的载荷，即共有JZW个次要被评估对象。
[0015] 设索结构的支承索的数量和JZW个"所有可能发生变化的载荷"的数量之和为N， 即共有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。
[0016] 设索系统中共有吣根支承索，即共有Mi个核心被评估对象。
[0017] "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。
[0018] 综合上述被监测量，整个索结构共有M个被监测量，M大于核心被评估对象的数 量，M小于被评估对象的数量。
[0019] 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= 1，2, 3,…，M。
[0020] 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）和当前初始力 学计算基准模型Atci (例如有限元基准模型）的方法，建立与Aci对应的被监测量初始数值向 量Cci的方法，建立与A\对应的被监测量当前初始数值向量C\的方法。在本方法中A"、(；、 Atci和Ctci是不断更新的。建立和更新A^CciJtci和Ctci的方法如下。被监测量初始数值向量Cci的编号规则与M个被监测量的编号规则相同。
[0021] 建立初始力学计算基准模型A。时，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载荷"的变化量数据建立被评估对象初始损 伤向量d。（如式⑴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。向量Clci中与载荷的变化量相关的各元素数值取0。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 的物理和力学性能参数，利用力学方法（例如有限元法）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。。
[0022] d0= [doldo2 ? ? ?dok ? ? ?doN]T (I)
[0023] 式⑴中Kk= 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，上标T表示向量的转置（后同）。
[0024] 利用前面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Cci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。
[0025]C。= [ColCo2 ???Coj ???CcJ t (2)
[0026] 式⑵中Ccij(j= 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。
[0027] 不论用何种方法获得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，误差一般不得大于5%。这样可保证利用Aci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Aci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，模型A。中支座广义坐标用向量 Uci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Aci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(；。Uc^dci是A^的参数，也可以说C^由A^的力学计 算结果组成。
[0028] 对应于索结构的当前初始力学计算基准模型At。的索结构支座广义坐标数据组成 当前初始索结构支座广义坐标向量Utci，索结构处于AVK态时，本方法用被监测量当前初始 数值向量Ctci表示所有被监测量的具体数值。
[0029] 建立和更新当前初始力学计算基准模型A:当前初始索结构支座广义坐标向量 Utci和被监测量当前初始数值向量C\，具体方法见后。
[0030] 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))。
[0031] C= [C1C2 ? ? ?Cj ? ? ?CJt (3)
[0032] 式（3)中Cj(j= 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Ccu对应于同一"被监测量"。在索结构服役过程中不断实测得到索结构 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。
[0033] 3.建立和更新索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵AC的方法。
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