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精簡角位移角度監測受損索載荷遞進式識別方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510439113.6

申請日:

2015.07.23

公開號:

CN105067316A

公開日:

2015.11.18

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回 IPC(主分類):G01M 99/00申請公布日:20151118|||實質審查的生效IPC(主分類):G01M 99/00申請日:20150723|||公開
IPC分類號: G01M99/00(2011.01)I; G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G01M99/00
申請人: 東南大學
發明人: 韓玉林; 韓佳邑
地址: 211189江蘇省南京市江寧區東南大學路2號
優先權:
專利代理機構: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249 代理人: 楊曉玲
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510439113.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.02.26|||2015.12.16|||2015.11.18

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

精簡角位移角度監測受損索載荷遞進式識別方法基于角度監測、通過監測支座角位移、索結構溫度、環境溫度、載荷變化程度和受損索損傷程度來決定是否需要更新索結構的力學計算基準模型,得到新的計入支座角位移、載荷變化程度、受損索損傷程度、溫度的索結構的力學計算基準模型,在此模型的基礎上依據被監測量的當前數值向量同被監測量當前初始數值向量、單位損傷被監測量數值變化矩陣和待求的當前名義損傷向量間存在的近似線性關系,據此可以識別核心被評估對象的健康狀態。

權利要求書

1.精簡角位移角度監測受損索載荷遞進式識別方法,其特征在于所述方法
包括:
a.當索結構承受的載荷雖有變化,但索結構正在承受的載荷沒有超出索結
構初始許用載荷時,本方法適用;索結構初始許用載荷指索結構在竣工時的許用
載荷,能夠通過常規力學計算獲得;本方法統一稱被評估的支承索和載荷為“被
評估對象”,設被評估的支承索的數量和載荷的數量之和為N,即“被評估對象”
的數量為N;本方法用名稱“核心被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估
的支承索,本方法用名稱“次要被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估的
載荷;確定被評估對象的編號規則,按此規則將索結構中所有的被評估對象編號,
該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣;本方法用變量k表示這一編號,
k=1,2,3,…,N;設索系統中共有M1根支承索,顯然核心被評估對象的數量就是
M1;確定指定的被測量點,給所有指定點編號;確定過每一測量點的被測量直
線,給所有指定的被測量直線編號;確定每一被測量直線的被測量的角度坐標分
量,給所有被測量角度坐標分量編號;上述編號在后續步驟中將用于生成向量和
矩陣;“索結構的全部被監測的角度數據”由上述所有被測量角度坐標分量組成;
為方便起見,在本方法中將“索結構的被監測的角度數據”簡稱為“被監測量”;
所有被監測量的數量之和記為M,M大于核心被評估對象的數量,M小于被評
估對象的數量;本方法中對同一個量實時監測的任何兩次測量之間的時間間隔不
得大于30分鐘,測量記錄數據的時刻稱為實際記錄數據時刻;物體、結構承受
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;體積載荷是連續分布于物體
內部各點的載荷,包括物體的自重和慣性力在內;集中載荷分為集中力和集中力
偶兩種,在包括笛卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個集中力可以分解成三個
分量,同樣的,一個集中力偶也可以分解成三個分量,如果載荷實際上是集中載
荷,在本方法中將一個集中力分量或一個集中力偶分量計為或統計為一個載荷,
此時載荷的變化具體化為一個集中力分量或一個集中力偶分量的變化;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域和
分布載荷的大小,分布載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用分布特征和幅
值來表達;如果載荷實際上是分布載荷,本方法談論載荷的變化時,實際上是指
分布載荷分布集度的幅值的改變,而所有分布載荷的作用區域和分布集度的分布
特征是不變的;在包括笛卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個分布載荷可以分
解成三個分量,如果這分布載荷的三個分量的各自的分布集度的幅值發生變化,
且變化的比率不全部相同,那么在本方法中把這分布載荷的三個分量計為或統計
為三個分布載荷,此時一個載荷就代表分布載荷的一個分量;體積載荷是連續分
布于物體內部各點的載荷,體積載荷的描述至少包括體積載荷的作用區域和體積
載荷的大小,體積載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用分布特征和幅值來
表達;如果載荷實際上是體積載荷,在本方法中實際處理的是體積載荷分布集度
的幅值的改變,而所有體積載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的,此
時在本方法中提到載荷的改變時實際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變,
此時,發生變化的載荷是指那些分布集度的幅值發生變化的體積載荷;在包括笛
卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個體積載荷可以分解成三個分量,如果這體
積載荷的三個分量的各自的分布集度的幅值發生變化,且變化的比率不全部相
同,那么在本方法中把這體積載荷的三個分量計為或統計為三個分布載荷;
b.本方法定義“本方法的索結構的溫度測量計算方法”按步驟b1至b3進
行;
b1:查詢或實測得到索結構組成材料及索結構所處環境的隨溫度變化的傳熱
學參數,利用索結構的設計圖、竣工圖和索結構的幾何實測數據,利用這些數據
和參數建立索結構的傳熱學計算模型;查詢索結構所在地不少于2年的近年來的
氣象資料,統計得到這段時間內的陰天數量記為T個陰天,在本方法中將白天
不能見到太陽的一整日稱為陰天,統計得到T個陰天中每一個陰天的0時至次
日日出時刻后30分鐘之間的最高氣溫與最低氣溫,日出時刻是指根據地球自轉
和公轉規律確定的氣象學上的日出時刻,不表示當天一定可以看見太陽,能夠查
詢資料或通過常規氣象學計算得到所需的每一日的日出時刻,每一個陰天的0
時至次日日出時刻后30分鐘之間的最高氣溫減去最低氣溫稱為該陰天的日氣溫
的最大溫差,有T個陰天,就有T個陰天的日氣溫的最大溫差,取T個陰天的
日氣溫的最大溫差中的最大值為參考日溫差,參考日溫差記為ΔTr;查詢索結構
所在地和所在海拔區間不少于2年的近年來的氣象資料或實測得到索結構所處
環境的溫度隨時間和海拔高度的變化數據和變化規律,計算得到索結構所在地和
所在海拔區間不少于2年的近年來的索結構所處環境的溫度關于海拔高度的最
大變化率ΔTh,為方便敘述取ΔTh的單位為℃/m;在索結構的表面上取“R個索
結構表面點”,取“R個索結構表面點”的具體原則在步驟b3中敘述,后面將通
過實測得到這R個索結構表面點的溫度,稱實測得到的溫度數據為“R個索結構
表面溫度實測數據”,如果是利用索結構的傳熱學計算模型,通過傳熱計算得到
這R個索結構表面點的溫度,就稱計算得到的溫度數據為“R個索結構表面溫度
計算數據”;從索結構所處的最低海拔到最高海拔之間,在索結構上均布選取不
少于三個不同的海拔高度,在每一個選取的海拔高度處、在水平面與索結構表面
的交線處至少選取兩個點,從選取點處引索結構表面的外法線,所有選取的外法
線方向稱為“測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向”,測量索結構沿壁厚的溫度
分布的方向與“水平面與索結構表面的交線”相交,在選取的測量索結構沿壁厚
的溫度分布的方向中必須包括索結構的向陽面外法線方向和索結構的背陰面外
法線方向,沿每一個測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向在索結構中均布選取不
少于三個點,對于支承索沿每一個測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向僅僅取一
個點,僅僅測量支承索的表面點的溫度,測量所有被選取點的溫度,測得的溫度
稱為“索結構沿厚度的溫度分布數據”,其中沿與同一“水平面與索結構表面的
交線”相交的、“測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向”測量獲得的“索結構沿
厚度的溫度分布數據”,在本方法中稱為“相同海拔高度索結構沿厚度的溫度分
布數據”,設選取了H個不同的海拔高度,在每一個海拔高度處,選取了B個測
量索結構沿壁厚的溫度分布的方向,沿每個測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向
在索結構中選取了E個點,其中H和E都不小于3,B不小于2,對于支承索E
等于1,計索結構上“測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點”的總數為HBE
個,后面將通過實測得到這HBE個“測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點”
的溫度,稱實測得到的溫度數據為“HBE個索結構沿厚度溫度實測數據”,如果
是利用索結構的傳熱學計算模型,通過傳熱計算得到這HBE個測量索結構沿厚
度的溫度分布數據的點的溫度,就稱計算得到的溫度數據為“HBE個索結構沿
厚度溫度計算數據”;在索結構所在地按照氣象學測量氣溫要求選取一個位置,
將在此位置實測得到符合氣象學測量氣溫要求的索結構所在環境的氣溫;在索結
構所在地的空曠無遮擋處選取一個位置,該位置應當在全年的每一日都能得到該
地所能得到的該日的最充分的日照,在該位置安放一塊碳鋼材質的平板,稱為參
考平板,參考平板與地面不可接觸,參考平板離地面距離不小于1.5米,該參考
平板的一面向陽,稱為向陽面,參考平板的向陽面是粗糙的和深色的,參考平板
的向陽面應當在全年的每一日都能得到一塊平板在該地所能得到的該日的最充
分的日照,參考平板的非向陽面覆有保溫材料,將實時監測得到參考平板的向陽
面的溫度;
b2:實時監測得到上述R個索結構表面點的R個索結構表面溫度實測數據,
同時實時監測得到前面定義的索結構沿厚度的溫度分布數據,同時實時監測得到
符合氣象學測量氣溫要求的索結構所在環境的氣溫數據;通過實時監測得到當日
日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的索結構所在環境的氣溫實測數據序
列,索結構所在環境的氣溫實測數據序列由當日日出時刻到次日日出時刻后30
分鐘之間的索結構所在環境的氣溫實測數據按照時間先后順序排列,找到索結構
所在環境的氣溫實測數據序列中的最高溫度和最低溫度,用索結構所在環境的氣
溫實測數據序列中的最高溫度減去最低溫度得到索結構所在環境的當日日出時
刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差,稱為環境最大溫差,記為ΔTemax;
由索結構所在環境的氣溫實測數據序列通過常規數學計算得到索結構所在環境
的氣溫關于時間的變化率,該變化率也隨著時間變化;通過實時監測得到當日日
出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的參考平板的向陽面的溫度的實測數據序
列,參考平板的向陽面的溫度的實測數據序列由當日日出時刻到次日日出時刻后
30分鐘之間的參考平板的向陽面的溫度的實測數據按照時間先后順序排列,找
到參考平板的向陽面的溫度的實測數據序列中的最高溫度和最低溫度,用參考平
板的向陽面的溫度的實測數據序列中的最高溫度減去最低溫度得到參考平板的
向陽面的溫度的當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差,稱為
參考平板最大溫差,記為ΔTpmax;通過實時監測得到當日日出時刻到次日日出時
刻后30分鐘之間的所有R個索結構表面點的索結構表面溫度實測數據序列,有
R個索結構表面點就有R個索結構表面溫度實測數據序列,每一個索結構表面溫
度實測數據序列由一個索結構表面點的當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘
之間的索結構表面溫度實測數據按照時間先后順序排列,找到每一個索結構表面
溫度實測數據序列中的最高溫度和最低溫度,用每一個索結構表面溫度實測數據
序列中的最高溫度減去最低溫度得到每一個索結構表面點的溫度的當日日出時
刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差,有R個索結構表面點就有R個當
日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差數值,其中的最大值稱為
索結構表面最大溫差,記為ΔTsmax;由每一索結構表面溫度實測數據序列通過常
規數學計算得到每一個索結構表面點的溫度關于時間的變化率,每一個索結構表
面點的溫度關于時間的變化率也隨著時間變化;通過實時監測得到當日日出時刻
到次日日出時刻后30分鐘之間的、在同一時刻、HBE個“索結構沿厚度的溫度
分布數據”后,計算在每一個選取的海拔高度處共計BE個“相同海拔高度索結
構沿厚度的溫度分布數據”中的最高溫度與最低溫度的差值,這個差值的絕對值
稱為“相同海拔高度處索結構厚度方向最大溫差”,選取了H個不同的海拔高度
就有H個“相同海拔高度處索結構厚度方向最大溫差”,稱這H個“相同海拔高
度處索結構厚度方向最大溫差”中的最大值為“索結構厚度方向最大溫差”,記
為ΔTtmax;
b3:測量計算獲得索結構穩態溫度數據;首先,確定獲得索結構穩態溫度數
據的時刻,與決定獲得索結構穩態溫度數據的時刻相關的條件有六項,第一項條
件是獲得索結構穩態溫度數據的時刻介于當日日落時刻到次日日出時刻后30分
鐘之間,日落時刻是指根據地球自轉和公轉規律確定的氣象學上的日落時刻,能
夠查詢資料或通過常規氣象學計算得到所需的每一日的日落時刻;第二項條件的
a條件是在當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的這段時間內,參考平
板最大溫差ΔTpmax和索結構表面最大溫差ΔTsmax都不大于5攝氏度;第二項條
件的b條件是在當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的這段時間內,在
前面測量計算得到的環境最大溫差ΔTemax不大于參考日溫差ΔTr,且參考平板最
大溫差ΔTpmax減去2攝氏度后不大于ΔTemax,且索結構表面最大溫差ΔTsmax不
大于ΔTpmax;只需滿足第二項的a條件和b條件中的一項就稱為滿足第二項條件;
第三項條件是在獲得索結構穩態溫度數據的時刻,索結構所在環境的氣溫關于時
間的變化率的絕對值不大于每小時0.1攝氏度;第四項條件是在獲得索結構穩態
溫度數據的時刻,R個索結構表面點中的每一個索結構表面點的溫度關于時間的
變化率的絕對值不大于每小時0.1攝氏度;第五項條件是在獲得索結構穩態溫度
數據的時刻,R個索結構表面點中的每一個索結構表面點的索結構表面溫度實測
數據為當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的極小值;第六項條件是在
獲得索結構穩態溫度數據的時刻,“索結構厚度方向最大溫差”ΔTtmax不大于1
攝氏度;本方法利用上述六項條件,將下列三種時刻中的任意一種稱為“獲得索
結構穩態溫度數據的數學時刻”,第一種時刻是滿足上述“與決定獲得索結構穩
態溫度數據的時刻相關的條件”中的第一項至第五項條件的時刻,第二種時刻是
僅僅滿足上述“與決定獲得索結構穩態溫度數據的時刻相關的條件”中的第六項
條件的時刻,第三種時刻是同時滿足上述“與決定獲得索結構穩態溫度數據的時
刻相關的條件”中的第一項至第六項條件的時刻;當獲得索結構穩態溫度數據的
數學時刻就是本方法中實際記錄數據時刻中的一個時刻時,獲得索結構穩態溫度
數據的時刻就是獲得索結構穩態溫度數據的數學時刻;如果獲得索結構穩態溫度
數據的數學時刻不是本方法中實際記錄數據時刻中的任一個時刻,則取本方法最
接近于獲得索結構穩態溫度數據的數學時刻的那個實際記錄數據的時刻為獲得
索結構穩態溫度數據的時刻;本方法將使用在獲得索結構穩態溫度數據的時刻測
量記錄的量進行索結構相關健康監測分析;本方法近似認為獲得索結構穩態溫度
數據的時刻的索結構溫度場處于穩態,即此時刻的索結構溫度不隨時間變化,此
時刻就是本方法的“獲得索結構穩態溫度數據的時刻”;然后,根據索結構傳熱
特性,利用獲得索結構穩態溫度數據的時刻的“R個索結構表面溫度實測數據”
和“HBE個索結構沿厚度溫度實測數據”,利用索結構的傳熱學計算模型,通過
常規傳熱計算得到在獲得索結構穩態溫度數據的時刻的索結構的溫度分布,此時
索結構的溫度場按穩態進行計算,計算得到的在獲得索結構穩態溫度數據的時刻
的索結構的溫度分布數據包括索結構上R個索結構表面點的計算溫度,R個索結
構表面點的計算溫度稱為R個索結構穩態表面溫度計算數據,還包括索結構在
前面選定的HBE個“測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點”的計算溫度,HBE
個“測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點”的計算溫度稱為“HBE個索結構
沿厚度溫度計算數據”,當R個索結構表面溫度實測數據與R個索結構穩態表面
溫度計算數據對應相等時,且“HBE個索結構沿厚度溫度實測數據”與“HBE
個索結構沿厚度溫度計算數據”對應相等時,計算得到的在獲得索結構穩態溫度
數據的時刻的索結構的溫度分布數據在本方法中稱為“索結構穩態溫度數據”,
此時的“R個索結構表面溫度實測數據”稱為“R個索結構穩態表面溫度實測數
據”,“HBE個索結構沿厚度溫度實測數據”稱為“HBE個索結構沿厚度穩態溫
度實測數據”;在索結構的表面上取“R個索結構表面點”時,“R個索結構表面
點”的數量與分布必須滿足三個條件,第一個條件是當索結構溫度場處于穩態時,
當索結構表面上任意一點的溫度是通過“R個索結構表面點”中與索結構表面上
該任意點相鄰的點的實測溫度線性插值得到時,線性插值得到的索結構表面上該
任意點的溫度與索結構表面上該任意點的實際溫度的誤差不大于5%;索結構表
面包括支承索表面;第二個條件是“R個索結構表面點”中在同一海拔高度的點
的數量不小于4,且“R個索結構表面點”中在同一海拔高度的點沿著索結構表
面均布;“R個索結構表面點”沿海拔高度的所有兩兩相鄰索結構表面點的海拔
高度之差的絕對值中的最大值Δh不大于0.2℃除以ΔTh得到的數值,為方便敘
述取ΔTh的單位為℃/m,為方便敘述取Δh的單位為m;“R個索結構表面點”
沿海拔高度的兩兩相鄰索結構表面點的定義是指只考慮海拔高度時,在“R個索
結構表面點”中不存在一個索結構表面點,該索結構表面點的海拔高度數值介于
兩兩相鄰索結構表面點的海拔高度數值之間;第三個條件是查詢或按氣象學常規
計算得到索結構所在地和所在海拔區間的日照規律,再根據索結構的幾何特征及
方位數據,在索結構上找到全年受日照時間最充分的那些表面點的位置,“R個
索結構表面點”中至少有一個索結構表面點是索結構上全年受日照時間最充分的
那些表面點中的一個點;
c.按照“本方法的索結構的溫度測量計算方法”直接測量計算得到初始狀
態下的索結構穩態溫度數據,初始狀態下的索結構穩態溫度數據稱為初始索結構
穩態溫度數據,記為“初始索結構穩態溫度數據向量To”;實測或查資料得到索
結構所使用的各種材料的隨溫度變化的物理和力學性能參數;在實測得到To的
同時,也就是在獲得初始索結構穩態溫度數據向量To的時刻的同一時刻,直接
測量計算得到初始索結構的實測數據,初始索結構的實測數據是包括索結構集中
載荷測量數據、索結構分布載荷測量數據、索結構體積載荷測量數據、所有被監
測量的初始數值、所有支承索的初始索力數據、初始索結構模態數據、初始索結
構應變數據、初始索結構幾何數據、初始索結構支座廣義坐標數據、初始索結構
角度數據、初始索結構空間坐標數據在內的實測數據,初始索結構支座廣義坐標
數據包括初始索結構支座空間坐標數據和初始索結構支座角坐標數據,在得到初
始索結構的實測數據的同時,測量計算得到包括支承索的無損檢測數據在內的能
夠表達支承索的健康狀態的數據,此時的能夠表達支承索的健康狀態的數據稱為
支承索初始健康狀態數據;所有被監測量的初始數值組成被監測量初始數值向量
Co,被監測量初始數值向量Co的編號規則與M個被監測量的編號規則相同;利
用支承索初始健康狀態數據以及索結構載荷測量數據建立被評估對象初始損傷
向量do,向量do表示用初始力學計算基準模型Ao表示的索結構的被評估對象的
初始健康狀態;被評估對象初始損傷向量do的元素個數等于N,do的元素與被
評估對象是一一對應關系,向量do的元素的編號規則與被評估對象的編號規則
相同;如果do的某一個元素對應的被評估對象是索系統中的一根支承索,那么
do的該元素的數值代表對應支承索的初始損傷程度,若該元素的數值為0,表示
該元素所對應的支承索是完好的,沒有損傷的,若其數值為100%,則表示該元
素所對應的支承索已經完全喪失承載能力,若其數值介于0和100%之間,則表
示該支承索喪失了相應比例的承載能力;如果do的某一個元素對應的被評估對
象是某一個載荷,本方法中取do的該元素數值為0,代表這個載荷的變化的初始
數值為0;如果沒有支承索的無損檢測數據及其他能夠表達支承索的健康狀態的
數據時,或者可以認為結構初始狀態為無損傷無松弛狀態時,向量do中與支承
索相關的各元素數值取0;初始索結構支座角坐標數據組成初始索結構支座角坐
標向量Uo;
d.根據索結構的設計圖、竣工圖和初始索結構的實測數據、支承索初始健
康狀態數據、索結構集中載荷測量數據、索結構分布載荷測量數據、索結構體積
載荷測量數據、索結構所使用的各種材料的隨溫度變化的物理和力學性能參數、
初始索結構支座角坐標向量Uo、初始索結構穩態溫度數據向量To和前面步驟得
到的所有的索結構數據,建立計入“索結構穩態溫度數據”的索結構的初始力學
計算基準模型Ao,基于Ao計算得到的索結構計算數據必須非常接近其實測數據,
其間的差異不得大于5%;對應于Ao的“索結構穩態溫度數據”就是“初始索結
構穩態溫度數據向量To”;對應于Ao的索結構支座角坐標數據就是初始索結構
支座角坐標向量Uo;對應于Ao的被評估對象健康狀態用被評估對象初始損傷向
量do表示;對應于Ao的所有被監測量的初始數值用被監測量初始數值向量Co
表示;Uo、To和do是Ao的參數,由Ao的力學計算結果得到的所有被監測量的
初始數值與Co表示的所有被監測量的初始數值相同,因此也可以說Co由Ao的
力學計算結果組成,在本方法中Ao、Co、do、Uo和To是不變的;
e.在本方法中,字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外,字母i僅表示循
環次數,即第i次循環;第i次循環開始時需要建立的或已建立的索結構的當前
初始力學計算基準模型記為當前初始力學計算基準模型Aio,Ao和Aio計入了溫
度參數,可以計算溫度變化對索結構的力學性能影響;第i次循環開始時,對應
于Aio的“索結構穩態溫度數據”用當前初始索結構穩態溫度數據向量Tio表示,
向量Tio的定義方式與向量To的定義方式相同,Tio的元素與To的元素一一對應;
第i次循環開始時,對應于Aio的“索結構支座角坐標數據”用當前初始索結構
支座角坐標向量Uio表示,向量Uio的定義方式與向量Uo的定義方式相同,Uio
的元素與Uo的元素一一對應;第i次循環開始時需要的被評估對象當前初始損
傷向量記為dio,dio表示該次循環開始時索結構Aio的被評估對象的健康狀態,
dio的定義方式與do的定義方式相同,dio的元素與do的元素一一對應;第i次循
環開始時,所有被監測量的初始值,用被監測量當前初始數值向量Cio表示,向
量Cio的定義方式與向量Co的定義方式相同,Cio的元素與Co的元素一一對應,
被監測量當前初始數值向量Cio表示對應于Aio的所有被監測量的具體數值;Uio、
Tio和dio是Aio的特性參數,Cio由Aio的力學計算結果組成;第一次循環開始時,
Aio記為A1o,建立A1o的方法為使A1o等于Ao;第一次循環開始時,Tio記為T1o,
建立T1o的方法為使T1o等于To;第一次循環開始時,Uio記為U1o,建立U1o的
方法為使U1o等于Uo;第一次循環開始時,dio記為d1o,建立d1o的方法為使d1o
等于do;第一次循環開始時,Cio記為C1o,建立C1o的方法為使C1o等于Co;
f.從這里進入由第f步到第q步的循環;在結構服役過程中,按照“本方法
的索結構的溫度測量計算方法”不斷實測計算獲得索結構穩態溫度數據的當前數
據,所有“索結構穩態溫度數據”的當前數據組成當前索結構穩態溫度數據向量
Ti,向量Ti的定義方式與向量To的定義方式相同,Ti的元素與To的元素一一對
應;在實測得到當前索結構穩態溫度數據向量Ti的同一時刻,實測得到索結構
支座角坐標當前數據,所有索結構支座角坐標當前數據組成當前索結構實測支座
角坐標向量Ui,向量Ui的定義方式與向量Uo的定義方式相同;在實測得到向量
Ti的同時,實測得到在獲得當前索結構穩態溫度數據向量Ti的時刻的同一時刻的
索結構中所有被監測量的當前值,所有這些數值組成被監測量當前數值向量Ci,
向量Ci的定義方式與向量Co的定義方式相同,Ci的元素與Co的元素一一對應,
表示相同被監測量在不同時刻的數值;
g.根據當前索結構實測支座角坐標向量Ui和當前索結構穩態溫度數據向量
Ti,按照步驟g1至g3更新當前初始力學計算基準模型Aio、被監測量當前初始
數值向量Cio、當前初始索結構穩態溫度數據向量Tio和當前初始索結構支座角坐
標向量Uio,而被評估對象當前初始損傷向量dio保持不變;
g1.分別比較Ti和Tio、Ui和Uio,如果Ti等于Tio且Ui等于Uio,則不需要
對Aio、Uio、Cio和Tio進行更新,否則需要按下列步驟對Aio、Uio、Cio和Tio進
行更新;
g2.計算Ui與Uo的差,Ui與Uo的差就是索結構支座關于初始位置的支座角
位移,用支座角位移向量V表示支座角位移,V等于Ui減去Uo;計算Ti與To的
差,Ti與To的差就是當前索結構穩態溫度數據關于初始索結構穩態溫度數據的
變化,Ti與To的差用穩態溫度變化向量S表示,S等于Ti減去To,S表示索結
構穩態溫度數據的變化;
g3.先對Ao中的索結構支座施加支座角位移約束,支座角位移約束的數值
就取自支座角位移向量V中對應元素的數值,再對Ao中的索結構施加溫度變
化,施加的溫度變化的數值就取自穩態溫度變化向量S,對Ao中索結構支座施
加支座角位移約束且對索結構施加溫度變化后得到更新的當前初始力學計算基
準模型Aio,更新Aio的同時,Uio所有元素數值也用Ui所有元素數值對應代替,
即更新了Uio,Tio所有元素數值也用Ti的所有元素數值對應代替,即更新了Tio,
這樣就得到了正確地對應于Aio的Uio和Tio,此時dio保持不變;當更新Aio后,
Aio的索的健康狀況用被評估對象當前初始損傷向量dio表示,Aio的索結構穩態
溫度用當前索結構穩態溫度數據向量Tio表示,Aio的支座角坐標用當前初始索
結構支座角坐標向量Uio表示;更新Cio的方法是:當更新Aio后,通過力學計
算得到Aio中所有被監測量的、當前的具體數值,這些具體數值組成Cio;
h.在當前初始力學計算基準模型Aio的基礎上,按照步驟h1至步驟h4進行
若干次力學計算,通過計算建立單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi和被評估對
象單位變化向量Diu;
h1.在第i次循環開始時,直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得ΔCi和Diu;
在其它時刻,當在步驟g中對Aio進行更新后,必須按步驟h2至步驟h4所列方
法重新獲得ΔCi和Diu,如果在步驟g中沒有對Aio進行更新,則在此處直接轉入
步驟i進行后續工作;
h2.在當前初始力學計算基準模型Aio的基礎上進行若干次力學計算,計算
次數數值上等于所有被評估對象的數量N,有N個評估對象就有N次計算;依
據被評估對象的編號規則,依次進行計算;每一次計算假設只有一個被評估對象
在原有損傷或載荷的基礎上再增加單位損傷或載荷單位變化,具體的,如果該被
評估對象是索系統中的一根支承索,那么就假設該支承索再增加單位損傷,如果
該被評估對象是一個載荷,就假設該載荷再增加載荷單位變化,用Diuk記錄這一
增加的單位損傷或載荷單位變化,其中k表示增加單位損傷或載荷單位變化的被
評估對象的編號,Diuk是被評估對象單位變化向量Diu的一個元素,被評估對象
單位變化向量Diu的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;每一次計
算中再增加單位損傷或載荷單位變化的被評估對象不同于其它次計算中再增加
單位損傷或載荷單位變化的被評估對象,每一次計算都利用力學方法計算索結構
的所有被監測量的當前計算值,每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組
成一個被監測量計算當前向量;當假設第k個被評估對象再增加單位損傷或載荷
單位變化時,用Citk表示對應的“被監測量計算當前向量”;在本步驟中給各向
量的元素編號時,應同本方法中其它向量使用同一編號規則,以保證本步驟中各
向量中的任意一個元素,同其它向量中的、編號相同的元素,表達了同一被監測
量或同一對象的相關信息;Citk的定義方式與向量Co的定義方式相同,Citk的元
素與Co的元素一一對應;
h3.每一次計算得到的向量Citk減去向量Cio得到一個向量,再將該向量的每
一個元素都除以本次計算所假設的單位損傷或載荷單位變化數值后得到一個“被
監測量的數值變化向量δCik”;有N個被評估對象就有N個“被監測量的數值變
化向量”;
h4.由這N個“被監測量的數值變化向量”按照N個被評估對象的編號規
則,依次組成有N列的“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”;單位損傷被監
測量數值變化矩陣ΔCi的每一列對應于一個被監測量單位變化向量;單位損傷被
監測量數值變化矩陣ΔCi的每一行對應于同一個被監測量在不同被評估對象增
加單位損傷或載荷單位變化時的不同的單位變化幅度;單位損傷被監測量數值變
化矩陣ΔCi的列的編號規則與向量do的元素的編號規則相同,單位損傷被監測量
數值變化矩陣ΔCi的行的編號規則與M個被監測量的編號規則相同;
i.定義當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di,dic和di的元素個數等
于被評估對象的數量,dic和di的元素和被評估對象之間是一一對應關系,dic的
元素數值代表對應被評估對象的名義損傷程度或名義載荷變化量,dic和di與被
評估對象初始損傷向量do的元素編號規則相同,dic的元素、di的元素與do的元
素是一一對應關系;
j.依據被監測量當前數值向量Ci同“被監測量當前初始數值向量Cio”、“單
位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量dic”間存在的近似線
性關系,該近似線性關系可表達為式1,式1中除dic外的其它量均為已知,求
解式1就可以算出當前名義損傷向量dic;
C i = C o i + ΔC i · d c i ]]>式1
k.利用式2表達的當前實際損傷向量di的第k個元素dik同被評估對象當前
初始損傷向量dio的第k個元素diok和當前名義損傷向量dic的第k個元素dick間
的關系,計算得到當前實際損傷向量di的所有元素;
式2
式2中k=1,2,3,……,N;dik表示第i次循環中第k個被評估對象的當前實際健
康狀態,如果該被評估對象是索系統中的一根支承索,那么dik表示其當前實際
損傷,dik為0時表示無損傷,為100%時表示該支承索徹底喪失承載能力,介于
0與100%之間時表示喪失相應比例的承載能力,至此本方法實現了核心被評估
對象的健康狀態的識別;
l.在求得當前名義損傷向量dic后,按照式3建立標識向量Bi,式4給出了標識
向量Bi的第k個元素的定義;
B i = B 1 i B 2 i · · · B k i · · · B N i T ]]>式3
式4
式4中元素Bik是標識向量Bi的第k個元素,Diuk是被評估對象單位變化向量Diu的第
k個元素,dick是被評估對象當前名義損傷向量dic的第k個元素,它們都表示第k個
被評估對象的相關信息,式4中k=1,2,3,……,N;
m.如果標識向量Bi的元素全為0,則回到步驟f繼續本次循環;如果標識向
量Bi的元素不全為0,則進入下一步、即步驟n;
n.根據式5計算得到下一次、即第i+1次循環所需的被評估對象當前初始損傷
向量di+1o的每一個元素;
式5
式5中di+1ok是下一次、即第i+1次循環所需的被評估對象當前初始損傷向量di+1o
的第k個元素,diok是本次、即第i次循環的被評估對象當前初始損傷向量dio的
第k個元素,Diuk是第i次循環的被評估對象單位變化向量Diu的第k個元素,Bik
是第i次循環的標識向量Bi的第k個元素,式5中k=1,2,3,……,N;
o.在初始力學計算基準模型Ao的基礎上,先對Ao中的索結構支座施加支座
角位移約束,支座角位移約束的數值就取自支座角位移向量V中對應元素的數
值,再對Ao中的索結構施加溫度變化,施加的溫度變化的數值就取自穩態溫度變
化向量S,再令索的健康狀況為di+1o后得到的就是下一次、即第i+1次循環所需的
力學計算基準模型Ai+1;得到Ai+1后,通過力學計算得到Ai+1中所有被監測量的、
當前的具體數值,這些具體數值組成下一次、即第i+1次循環所需的被監測量當
前初始數值向量Ci+1o;
p.取下一次、即第i+1次循環所需的當前初始索結構穩態溫度數據向量Ti+1o
等于第i次循環的當前初始索結構穩態溫度數據向量Tio;下一次、即第i+1次循環
所需的當前初始索結構支座角坐標向量Ui+1o等于第i次循環的當前初始索結構支
座角坐標向量Uio;
q.回到步驟f,開始下一次循環。

說明書

精簡角位移角度監測受損索載荷遞進式識別方法

技術領域

斜拉橋、懸索橋、桁架結構等結構有一個共同點,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,該類結構的共同點是以索、纜
或僅承受拉伸載荷的桿件為支承部件,為方便起見,本方法將該類結構表述為“索
結構”,并將索結構的所有承載索、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),為方便起見統一稱為“索系統”,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,
有時簡稱為“索”,所以在后面使用“索”這個字的時候,對桁架結構實際就是
指二力桿件。在結構服役過程中,對支承索或索系統的健康狀態的正確識別關系
到整個索結構的安全。在環境溫度發生變化時,索結構的溫度一般也會隨著發生
變化,在索結構溫度發生變化時,索結構支座可能發生角位移,索結構承受的載
荷也可能發生變化,同時索結構的健康狀態也可能在發生變化,在這種復雜條件
下,本方法基于角度監測(本方法將被監測的角度稱為“被監測量”)來識別受
損索(本方法稱之為核心被評估對象的健康狀態),屬工程結構健康監測領域。

背景技術

剔除載荷變化、索結構支座角位移和結構溫度變化對索結構健康狀態識別
結果的影響,從而準確地識別結構的健康狀態的變化,是目前迫切需要解決的問
題,本方法公開了解決這個問題的一種有效的、廉價的方法。

發明內容

技術問題:本方法公開了一種方法,在造價更低的條件下,在支座有角位
移時,在結構承受的載荷和結構(環境)溫度變化時,能夠剔除支座角位移、載
荷變化和結構溫度變化對索結構健康狀態識別結果的影響,從而準確地識別出支
承索的健康狀態。

技術方案:在本方法中,用“支座空間坐標”指稱支座關于笛卡爾直角坐標
系的X、Y、Z軸的坐標,也可以說成是支座關于X、Y、Z軸的空間坐標,支
座關于某一個軸的空間坐標的具體數值稱為支座關于該軸的空間坐標分量,本方
法中也用支座的一個空間坐標分量表達支座關于某一個軸的空間坐標的具體數
值;用“支座角坐標”指稱支座關于X、Y、Z軸的角坐標,支座關于某一個軸
的角坐標的具體數值稱為支座關于該軸的角坐標分量,本方法中也用支座的一個
角坐標分量表達支座關于某一個軸的角坐標的具體數值;用“支座廣義坐標”指
稱支座角坐標和支座空間坐標全體,本方法中也用支座的一個廣義坐標分量表達
支座關于一個軸的空間坐標或角坐標的具體數值;支座關于X、Y、Z軸的坐標
的改變稱為支座線位移,也可以說支座空間坐標的改變稱為支座線位移,本方法
中也用支座的一個線位移分量表達支座關于某一個軸的線位移的具體數值;支座
關于X、Y、Z軸的角坐標的改變稱為支座角位移,本方法中也用支座的一個角
位移分量表達支座關于某一個軸的角位移的具體數值;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廣義位移分量表達支座關于某
一個軸的線位移或角位移的具體數值;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。

物體、結構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
荷是連續分布于物體內部各點的載荷,如物體的自重和慣性力。

集中載荷分為集中力和集中力偶兩種,在坐標系中,例如在笛卡爾直角坐標
系中,一個集中力可以分解成三個分量,同樣的,一個集中力偶也可以分解成三
個分量,如果載荷實際上是集中載荷,在本方法中將一個集中力分量或一個集中
力偶分量稱為一個載荷,此時載荷的變化具體化為一個集中力分量或一個集中力
偶分量的變化。

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
的作用區域和分布載荷的大小,分布載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用
分布特征(例如均布、正弦函數等分布特征)和幅值來表達(例如兩個分布載荷
都是均布,但其幅值不同,可以均布壓力為例來說明幅值的概念:同一個結構承
受兩個不同的均布壓力,兩個分布載荷都是均布載荷,但一個分布載荷的幅值是
10MPa,另一個分布載荷的幅值是50MPa)。如果載荷實際上是分布載荷,本方
法談論載荷的變化時,實際上是指分布載荷分布集度的幅值的改變,而分布載荷
的作用區域和分布集度的分布特征是不變的。在坐標系中,一個分布載荷可以分
解成若干個分量,如果這分布載荷的若干個分量的各自的分布集度的幅值發生變
化,且變化的比率不全部相同,那么在本方法中把這若干個分布載荷的分量看成
同樣數量的獨立的分布載荷,此時一個載荷就代表一個分布載荷的分量,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分布載荷或稱為一個載
荷。

體積載荷是連續分布于物體內部各點的載荷,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域和體積載荷的大小,體積載荷的大小用
分布集度來表達,分布集度用分布特征(例如均布、線性函數等分布特征)和幅
值來表達(例如兩個體積載荷都是均布,但其幅值不同,可以自重為例來說明幅
值的概念:同一個結構的兩個部分的材料不同,故密度不同,所以雖然這兩個部
分所受的體積載荷都是均布的,但一個部分所受的體積載荷的幅值可能是
10kN/m3,另一個部分所受的體積載荷的幅值是50kN/m3)。如果載荷實際上是
體積載荷,在本方法中實際處理的是體積載荷分布集度的幅值的改變,而體積載
荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的,此時在本方法中提到載荷的改變
時實際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變,此時,發生變化的載荷是指那
些分布集度的幅值發生變化的體積載荷。在坐標系中,一個體積載荷可以分解成
若干個分量(例如在笛卡爾直角坐標系中,體積載荷可以分解成關于坐標系的三
個軸的分量,也就是說,在笛卡爾直角坐標系中體積載荷可以分解成三個分量),
如果這體積載荷的若干個分量的各自的分布集度的幅值發生變化,且變化的比率
不全部相同,那么在本方法中把這若干個體積載荷的分量看成同樣數量的獨立的
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體
積載荷或稱為一個載荷。

當載荷具體化為集中載荷時,在本方法中,“載荷單位變化”實際上是指“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”,“載荷的實際變化量”是指“集中載荷的大小
的實際變化量”,“發生變化的載荷”是指“大小發生變化的集中載荷”,簡單地
說,此時“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”。

當載荷具體化為分布載荷時,在本方法中,“載荷單位變化”實際上是指“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
際變化量”具體指“分布載荷的分布集度的幅值的實際變化量”,“發生變化的載
荷”是指“分布集度的幅值發生變化的分布載荷”,簡單地說,此時“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
載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的。

當載荷具體化為體積載荷時,在本方法中,“載荷單位變化”實際上是指“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
的實際變化量”是指“體積載荷的分布集度的幅值的實際變化量”,“發生變化
的載荷”是指“分布集度的幅值發生變化的體積載荷”,簡單地說,“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
荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的。

本方法具體包括:

a.當索結構承受的載荷雖有變化,但索結構正在承受的載荷沒有超出索結
構初始許用載荷時,本方法適用;索結構初始許用載荷指索結構在竣工時的許用
載荷,能夠通過常規力學計算獲得;本方法統一稱被評估的支承索和載荷為“被
評估對象”,設被評估的支承索的數量和載荷的數量之和為N,即“被評估對象”
的數量為N;本方法用名稱“核心被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估
的支承索,本方法用名稱“次要被評估對象”專指“被評估對象”中的被評估的
載荷;確定被評估對象的編號規則,按此規則將索結構中所有的被評估對象編號,
該編號在后續步驟中將用于生成向量和矩陣;本方法用變量k表示這一編號,
k=1,2,3,…,N;設索系統中共有M1根支承索,顯然核心被評估對象的數量就是
M1;確定指定的被測量點,給所有指定點編號;確定過每一測量點的被測量直
線,給所有指定的被測量直線編號;確定每一被測量直線的被測量的角度坐標分
量,給所有被測量角度坐標分量編號;上述編號在后續步驟中將用于生成向量和
矩陣;“索結構的全部被監測的角度數據”由上述所有被測量角度坐標分量組成;
為方便起見,在本方法中將“索結構的被監測的角度數據”簡稱為“被監測量”;
所有被監測量的數量之和記為M,M大于核心被評估對象的數量,M小于被評
估對象的數量;本方法中對同一個量實時監測的任何兩次測量之間的時間間隔不
得大于30分鐘,測量記錄數據的時刻稱為實際記錄數據時刻;物體、結構承受
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;體積載荷是連續分布于物體
內部各點的載荷,包括物體的自重和慣性力在內;集中載荷分為集中力和集中力
偶兩種,在包括笛卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個集中力可以分解成三個
分量,同樣的,一個集中力偶也可以分解成三個分量,如果載荷實際上是集中載
荷,在本方法中將一個集中力分量或一個集中力偶分量計為或統計為一個載荷,
此時載荷的變化具體化為一個集中力分量或一個集中力偶分量的變化;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域和
分布載荷的大小,分布載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用分布特征和幅
值來表達;如果載荷實際上是分布載荷,本方法談論載荷的變化時,實際上是指
分布載荷分布集度的幅值的改變,而所有分布載荷的作用區域和分布集度的分布
特征是不變的;在包括笛卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個分布載荷可以分
解成三個分量,如果這分布載荷的三個分量的各自的分布集度的幅值發生變化,
且變化的比率不全部相同,那么在本方法中把這分布載荷的三個分量計為或統計
為三個分布載荷,此時一個載荷就代表分布載荷的一個分量;體積載荷是連續分
布于物體內部各點的載荷,體積載荷的描述至少包括體積載荷的作用區域和體積
載荷的大小,體積載荷的大小用分布集度來表達,分布集度用分布特征和幅值來
表達;如果載荷實際上是體積載荷,在本方法中實際處理的是體積載荷分布集度
的幅值的改變,而所有體積載荷的作用區域和分布集度的分布特征是不變的,此
時在本方法中提到載荷的改變時實際上是指體積載荷的分布集度的幅值的改變,
此時,發生變化的載荷是指那些分布集度的幅值發生變化的體積載荷;在包括笛
卡爾直角坐標系在內的坐標系中,一個體積載荷可以分解成三個分量,如果這體
積載荷的三個分量的各自的分布集度的幅值發生變化,且變化的比率不全部相
同,那么在本方法中把這體積載荷的三個分量計為或統計為三個分布載荷;

b.本方法定義“本方法的索結構的溫度測量計算方法”按步驟b1至b3進
行;

b1:查詢或實測得到索結構組成材料及索結構所處環境的隨溫度變化的傳熱
學參數,利用索結構的設計圖、竣工圖和索結構的幾何實測數據,利用這些數據
和參數建立索結構的傳熱學計算模型;查詢索結構所在地不少于2年的近年來的
氣象資料,統計得到這段時間內的陰天數量記為T個陰天,在本方法中將白天
不能見到太陽的一整日稱為陰天,統計得到T個陰天中每一個陰天的0時至次
日日出時刻后30分鐘之間的最高氣溫與最低氣溫,日出時刻是指根據地球自轉
和公轉規律確定的氣象學上的日出時刻,不表示當天一定可以看見太陽,能夠查
詢資料或通過常規氣象學計算得到所需的每一日的日出時刻,每一個陰天的0
時至次日日出時刻后30分鐘之間的最高氣溫減去最低氣溫稱為該陰天的日氣溫
的最大溫差,有T個陰天,就有T個陰天的日氣溫的最大溫差,取T個陰天的
日氣溫的最大溫差中的最大值為參考日溫差,參考日溫差記為ΔTr;查詢索結構
所在地和所在海拔區間不少于2年的近年來的氣象資料或實測得到索結構所處
環境的溫度隨時間和海拔高度的變化數據和變化規律,計算得到索結構所在地和
所在海拔區間不少于2年的近年來的索結構所處環境的溫度關于海拔高度的最
大變化率ΔTh,為方便敘述取ΔTh的單位為℃/m;在索結構的表面上取“R個索
結構表面點”,取“R個索結構表面點”的具體原則在步驟b3中敘述,后面將通
過實測得到這R個索結構表面點的溫度,稱實測得到的溫度數據為“R個索結構
表面溫度實測數據”,如果是利用索結構的傳熱學計算模型,通過傳熱計算得到
這R個索結構表面點的溫度,就稱計算得到的溫度數據為“R個索結構表面溫度
計算數據”;從索結構所處的最低海拔到最高海拔之間,在索結構上均布選取不
少于三個不同的海拔高度,在每一個選取的海拔高度處、在水平面與索結構表面
的交線處至少選取兩個點,從選取點處引索結構表面的外法線,所有選取的外法
線方向稱為“測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向”,測量索結構沿壁厚的溫度
分布的方向與“水平面與索結構表面的交線”相交,在選取的測量索結構沿壁厚
的溫度分布的方向中必須包括索結構的向陽面外法線方向和索結構的背陰面外
法線方向,沿每一個測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向在索結構中均布選取不
少于三個點,對于支承索沿每一個測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向僅僅取一
個點,僅僅測量支承索的表面點的溫度,測量所有被選取點的溫度,測得的溫度
稱為“索結構沿厚度的溫度分布數據”,其中沿與同一“水平面與索結構表面的
交線”相交的、“測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向”測量獲得的“索結構沿
厚度的溫度分布數據”,在本方法中稱為“相同海拔高度索結構沿厚度的溫度分
布數據”,設選取了H個不同的海拔高度,在每一個海拔高度處,選取了B個測
量索結構沿壁厚的溫度分布的方向,沿每個測量索結構沿壁厚的溫度分布的方向
在索結構中選取了E個點,其中H和E都不小于3,B不小于2,對于支承索E
等于1,計索結構上“測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點”的總數為HBE
個,后面將通過實測得到這HBE個“測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點”
的溫度,稱實測得到的溫度數據為“HBE個索結構沿厚度溫度實測數據”,如果
是利用索結構的傳熱學計算模型,通過傳熱計算得到這HBE個測量索結構沿厚
度的溫度分布數據的點的溫度,就稱計算得到的溫度數據為“HBE個索結構沿
厚度溫度計算數據”;在索結構所在地按照氣象學測量氣溫要求選取一個位置,
將在此位置實測得到符合氣象學測量氣溫要求的索結構所在環境的氣溫;在索結
構所在地的空曠無遮擋處選取一個位置,該位置應當在全年的每一日都能得到該
地所能得到的該日的最充分的日照,在該位置安放一塊碳鋼材質的平板,稱為參
考平板,參考平板與地面不可接觸,參考平板離地面距離不小于1.5米,該參考
平板的一面向陽,稱為向陽面,參考平板的向陽面是粗糙的和深色的,參考平板
的向陽面應當在全年的每一日都能得到一塊平板在該地所能得到的該日的最充
分的日照,參考平板的非向陽面覆有保溫材料,將實時監測得到參考平板的向陽
面的溫度;

b2:實時監測得到上述R個索結構表面點的R個索結構表面溫度實測數據,
同時實時監測得到前面定義的索結構沿厚度的溫度分布數據,同時實時監測得到
符合氣象學測量氣溫要求的索結構所在環境的氣溫數據;通過實時監測得到當日
日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的索結構所在環境的氣溫實測數據序
列,索結構所在環境的氣溫實測數據序列由當日日出時刻到次日日出時刻后30
分鐘之間的索結構所在環境的氣溫實測數據按照時間先后順序排列,找到索結構
所在環境的氣溫實測數據序列中的最高溫度和最低溫度,用索結構所在環境的氣
溫實測數據序列中的最高溫度減去最低溫度得到索結構所在環境的當日日出時
刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差,稱為環境最大溫差,記為ΔTemax;
由索結構所在環境的氣溫實測數據序列通過常規數學計算得到索結構所在環境
的氣溫關于時間的變化率,該變化率也隨著時間變化;通過實時監測得到當日日
出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的參考平板的向陽面的溫度的實測數據序
列,參考平板的向陽面的溫度的實測數據序列由當日日出時刻到次日日出時刻后
30分鐘之間的參考平板的向陽面的溫度的實測數據按照時間先后順序排列,找
到參考平板的向陽面的溫度的實測數據序列中的最高溫度和最低溫度,用參考平
板的向陽面的溫度的實測數據序列中的最高溫度減去最低溫度得到參考平板的
向陽面的溫度的當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差,稱為
參考平板最大溫差,記為ΔTpmax;通過實時監測得到當日日出時刻到次日日出時
刻后30分鐘之間的所有R個索結構表面點的索結構表面溫度實測數據序列,有
R個索結構表面點就有R個索結構表面溫度實測數據序列,每一個索結構表面溫
度實測數據序列由一個索結構表面點的當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘
之間的索結構表面溫度實測數據按照時間先后順序排列,找到每一個索結構表面
溫度實測數據序列中的最高溫度和最低溫度,用每一個索結構表面溫度實測數據
序列中的最高溫度減去最低溫度得到每一個索結構表面點的溫度的當日日出時
刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差,有R個索結構表面點就有R個當
日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的最大溫差數值,其中的最大值稱為
索結構表面最大溫差,記為ΔTsmax;由每一索結構表面溫度實測數據序列通過常
規數學計算得到每一個索結構表面點的溫度關于時間的變化率,每一個索結構表
面點的溫度關于時間的變化率也隨著時間變化;通過實時監測得到當日日出時刻
到次日日出時刻后30分鐘之間的、在同一時刻、HBE個“索結構沿厚度的溫度
分布數據”后,計算在每一個選取的海拔高度處共計BE個“相同海拔高度索結
構沿厚度的溫度分布數據”中的最高溫度與最低溫度的差值,這個差值的絕對值
稱為“相同海拔高度處索結構厚度方向最大溫差”,選取了H個不同的海拔高度
就有H個“相同海拔高度處索結構厚度方向最大溫差”,稱這H個“相同海拔高
度處索結構厚度方向最大溫差”中的最大值為“索結構厚度方向最大溫差”,記
為ΔTtmax;

b3:測量計算獲得索結構穩態溫度數據;首先,確定獲得索結構穩態溫度數
據的時刻,與決定獲得索結構穩態溫度數據的時刻相關的條件有六項,第一項條
件是獲得索結構穩態溫度數據的時刻介于當日日落時刻到次日日出時刻后30分
鐘之間,日落時刻是指根據地球自轉和公轉規律確定的氣象學上的日落時刻,能
夠查詢資料或通過常規氣象學計算得到所需的每一日的日落時刻;第二項條件的
a條件是在當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的這段時間內,參考平
板最大溫差ΔTpmax和索結構表面最大溫差ΔTsmax都不大于5攝氏度;第二項條
件的b條件是在當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的這段時間內,在
前面測量計算得到的環境最大溫差ΔTemax不大于參考日溫差ΔTr,且參考平板最
大溫差ΔTpmax減去2攝氏度后不大于ΔTemax,且索結構表面最大溫差ΔTsmax不
大于ΔTpmax;只需滿足第二項的a條件和b條件中的一項就稱為滿足第二項條件;
第三項條件是在獲得索結構穩態溫度數據的時刻,索結構所在環境的氣溫關于時
間的變化率的絕對值不大于每小時0.1攝氏度;第四項條件是在獲得索結構穩態
溫度數據的時刻,R個索結構表面點中的每一個索結構表面點的溫度關于時間的
變化率的絕對值不大于每小時0.1攝氏度;第五項條件是在獲得索結構穩態溫度
數據的時刻,R個索結構表面點中的每一個索結構表面點的索結構表面溫度實測
數據為當日日出時刻到次日日出時刻后30分鐘之間的極小值;第六項條件是在
獲得索結構穩態溫度數據的時刻,“索結構厚度方向最大溫差”ΔTtmax不大于1
攝氏度;本方法利用上述六項條件,將下列三種時刻中的任意一種稱為“獲得索
結構穩態溫度數據的數學時刻”,第一種時刻是滿足上述“與決定獲得索結構穩
態溫度數據的時刻相關的條件”中的第一項至第五項條件的時刻,第二種時刻是
僅僅滿足上述“與決定獲得索結構穩態溫度數據的時刻相關的條件”中的第六項
條件的時刻,第三種時刻是同時滿足上述“與決定獲得索結構穩態溫度數據的時
刻相關的條件”中的第一項至第六項條件的時刻;當獲得索結構穩態溫度數據的
數學時刻就是本方法中實際記錄數據時刻中的一個時刻時,獲得索結構穩態溫度
數據的時刻就是獲得索結構穩態溫度數據的數學時刻;如果獲得索結構穩態溫度
數據的數學時刻不是本方法中實際記錄數據時刻中的任一個時刻,則取本方法最
接近于獲得索結構穩態溫度數據的數學時刻的那個實際記錄數據的時刻為獲得
索結構穩態溫度數據的時刻;本方法將使用在獲得索結構穩態溫度數據的時刻測
量記錄的量進行索結構相關健康監測分析;本方法近似認為獲得索結構穩態溫度
數據的時刻的索結構溫度場處于穩態,即此時刻的索結構溫度不隨時間變化,此
時刻就是本方法的“獲得索結構穩態溫度數據的時刻”;然后,根據索結構傳熱
特性,利用獲得索結構穩態溫度數據的時刻的“R個索結構表面溫度實測數據”
和“HBE個索結構沿厚度溫度實測數據”,利用索結構的傳熱學計算模型,通過
常規傳熱計算得到在獲得索結構穩態溫度數據的時刻的索結構的溫度分布,此時
索結構的溫度場按穩態進行計算,計算得到的在獲得索結構穩態溫度數據的時刻
的索結構的溫度分布數據包括索結構上R個索結構表面點的計算溫度,R個索結
構表面點的計算溫度稱為R個索結構穩態表面溫度計算數據,還包括索結構在
前面選定的HBE個“測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點”的計算溫度,HBE
個“測量索結構沿厚度的溫度分布數據的點”的計算溫度稱為“HBE個索結構
沿厚度溫度計算數據”,當R個索結構表面溫度實測數據與R個索結構穩態表面
溫度計算數據對應相等時,且“HBE個索結構沿厚度溫度實測數據”與“HBE
個索結構沿厚度溫度計算數據”對應相等時,計算得到的在獲得索結構穩態溫度
數據的時刻的索結構的溫度分布數據在本方法中稱為“索結構穩態溫度數據”,
此時的“R個索結構表面溫度實測數據”稱為“R個索結構穩態表面溫度實測數
據”,“HBE個索結構沿厚度溫度實測數據”稱為“HBE個索結構沿厚度穩態溫
度實測數據”;在索結構的表面上取“R個索結構表面點”時,“R個索結構表面
點”的數量與分布必須滿足三個條件,第一個條件是當索結構溫度場處于穩態時,
當索結構表面上任意一點的溫度是通過“R個索結構表面點”中與索結構表面上
該任意點相鄰的點的實測溫度線性插值得到時,線性插值得到的索結構表面上該
任意點的溫度與索結構表面上該任意點的實際溫度的誤差不大于5%;索結構表
面包括支承索表面;第二個條件是“R個索結構表面點”中在同一海拔高度的點
的數量不小于4,且“R個索結構表面點”中在同一海拔高度的點沿著索結構表
面均布;“R個索結構表面點”沿海拔高度的所有兩兩相鄰索結構表面點的海拔
高度之差的絕對值中的最大值Δh不大于0.2℃除以ΔTh得到的數值,為方便敘
述取ΔTh的單位為℃/m,為方便敘述取Δh的單位為m;“R個索結構表面點”
沿海拔高度的兩兩相鄰索結構表面點的定義是指只考慮海拔高度時,在“R個索
結構表面點”中不存在一個索結構表面點,該索結構表面點的海拔高度數值介于
兩兩相鄰索結構表面點的海拔高度數值之間;第三個條件是查詢或按氣象學常規
計算得到索結構所在地和所在海拔區間的日照規律,再根據索結構的幾何特征及
方位數據,在索結構上找到全年受日照時間最充分的那些表面點的位置,“R個
索結構表面點”中至少有一個索結構表面點是索結構上全年受日照時間最充分的
那些表面點中的一個點;

c.按照“本方法的索結構的溫度測量計算方法”直接測量計算得到初始狀
態下的索結構穩態溫度數據,初始狀態下的索結構穩態溫度數據稱為初始索結構
穩態溫度數據,記為“初始索結構穩態溫度數據向量To”;實測或查資料得到索
結構所使用的各種材料的隨溫度變化的物理和力學性能參數;在實測得到To的
同時,也就是在獲得初始索結構穩態溫度數據向量To的時刻的同一時刻,直接
測量計算得到初始索結構的實測數據,初始索結構的實測數據是包括索結構集中
載荷測量數據、索結構分布載荷測量數據、索結構體積載荷測量數據、所有被監
測量的初始數值、所有支承索的初始索力數據、初始索結構模態數據、初始索結
構應變數據、初始索結構幾何數據、初始索結構支座廣義坐標數據、初始索結構
角度數據、初始索結構空間坐標數據在內的實測數據,初始索結構支座廣義坐標
數據包括初始索結構支座空間坐標數據和初始索結構支座角坐標數據,在得到初
始索結構的實測數據的同時,測量計算得到包括支承索的無損檢測數據在內的能
夠表達支承索的健康狀態的數據,此時的能夠表達支承索的健康狀態的數據稱為
支承索初始健康狀態數據;所有被監測量的初始數值組成被監測量初始數值向量
Co,被監測量初始數值向量Co的編號規則與M個被監測量的編號規則相同;利
用支承索初始健康狀態數據以及索結構載荷測量數據建立被評估對象初始損傷
向量do,向量do表示用初始力學計算基準模型Ao表示的索結構的被評估對象的
初始健康狀態;被評估對象初始損傷向量do的元素個數等于N,do的元素與被
評估對象是一一對應關系,向量do的元素的編號規則與被評估對象的編號規則
相同;如果do的某一個元素對應的被評估對象是索系統中的一根支承索,那么
do的該元素的數值代表對應支承索的初始損傷程度,若該元素的數值為0,表示
該元素所對應的支承索是完好的,沒有損傷的,若其數值為100%,則表示該元
素所對應的支承索已經完全喪失承載能力,若其數值介于0和100%之間,則表
示該支承索喪失了相應比例的承載能力;如果do的某一個元素對應的被評估對
象是某一個載荷,本方法中取do的該元素數值為0,代表這個載荷的變化的初始
數值為0;如果沒有支承索的無損檢測數據及其他能夠表達支承索的健康狀態的
數據時,或者可以認為結構初始狀態為無損傷無松弛狀態時,向量do中與支承
索相關的各元素數值取0;初始索結構支座角坐標數據組成初始索結構支座角坐
標向量Uo;

d.根據索結構的設計圖、竣工圖和初始索結構的實測數據、支承索初始健
康狀態數據、索結構集中載荷測量數據、索結構分布載荷測量數據、索結構體積
載荷測量數據、索結構所使用的各種材料的隨溫度變化的物理和力學性能參數、
初始索結構支座角坐標向量Uo、初始索結構穩態溫度數據向量To和前面步驟得
到的所有的索結構數據,建立計入“索結構穩態溫度數據”的索結構的初始力學
計算基準模型Ao,基于Ao計算得到的索結構計算數據必須非常接近其實測數據,
其間的差異不得大于5%;對應于Ao的“索結構穩態溫度數據”就是“初始索結
構穩態溫度數據向量To”;對應于Ao的索結構支座角坐標數據就是初始索結構
支座角坐標向量Uo;對應于Ao的被評估對象健康狀態用被評估對象初始損傷向
量do表示;對應于Ao的所有被監測量的初始數值用被監測量初始數值向量Co
表示;Uo、To和do是Ao的參數,由Ao的力學計算結果得到的所有被監測量的
初始數值與Co表示的所有被監測量的初始數值相同,因此也可以說Co由Ao的
力學計算結果組成,在本方法中Ao、Co、do、Uo和To是不變的;

e.在本方法中,字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外,字母i僅表示循
環次數,即第i次循環;第i次循環開始時需要建立的或已建立的索結構的當前
初始力學計算基準模型記為當前初始力學計算基準模型Aio,Ao和Aio計入了溫
度參數,可以計算溫度變化對索結構的力學性能影響;第i次循環開始時,對應
于Aio的“索結構穩態溫度數據”用當前初始索結構穩態溫度數據向量Tio表示,
向量Tio的定義方式與向量To的定義方式相同,Tio的元素與To的元素一一對應;
第i次循環開始時,對應于Aio的“索結構支座角坐標數據”用當前初始索結構
支座角坐標向量Uio表示,向量Uio的定義方式與向量Uo的定義方式相同,Uio
的元素與Uo的元素一一對應;第i次循環開始時需要的被評估對象當前初始損
傷向量記為dio,dio表示該次循環開始時索結構Aio的被評估對象的健康狀態,
dio的定義方式與do的定義方式相同,dio的元素與do的元素一一對應;第i次循
環開始時,所有被監測量的初始值,用被監測量當前初始數值向量Cio表示,向
量Cio的定義方式與向量Co的定義方式相同,Cio的元素與Co的元素一一對應,
被監測量當前初始數值向量Cio表示對應于Aio的所有被監測量的具體數值;Uio、
Tio和dio是Aio的特性參數,Cio由Aio的力學計算結果組成;第一次循環開始時,
Aio記為A1o,建立A1o的方法為使A1o等于Ao;第一次循環開始時,Tio記為T1o,
建立T1o的方法為使T1o等于To;第一次循環開始時,Uio記為U1o,建立U1o的
方法為使U1o等于Uo;第一次循環開始時,dio記為d1o,建立d1o的方法為使d1o
等于do;第一次循環開始時,Cio記為C1o,建立C1o的方法為使C1o等于Co;

f.從這里進入由第f步到第q步的循環;在結構服役過程中,按照“本方法
的索結構的溫度測量計算方法”不斷實測計算獲得索結構穩態溫度數據的當前數
據,所有“索結構穩態溫度數據”的當前數據組成當前索結構穩態溫度數據向量
Ti,向量Ti的定義方式與向量To的定義方式相同,Ti的元素與To的元素一一對
應;在實測得到當前索結構穩態溫度數據向量Ti的同一時刻,實測得到索結構
支座角坐標當前數據,所有索結構支座角坐標當前數據組成當前索結構實測支座
角坐標向量Ui,向量Ui的定義方式與向量Uo的定義方式相同;在實測得到向量
Ti的同時,實測得到在獲得當前索結構穩態溫度數據向量Ti的時刻的同一時刻的
索結構中所有被監測量的當前值,所有這些數值組成被監測量當前數值向量Ci,
向量Ci的定義方式與向量Co的定義方式相同,Ci的元素與Co的元素一一對應,
表示相同被監測量在不同時刻的數值;

g.根據當前索結構實測支座角坐標向量Ui和當前索結構穩態溫度數據向量
Ti,按照步驟g1至g3更新當前初始力學計算基準模型Aio、被監測量當前初始
數值向量Cio、當前初始索結構穩態溫度數據向量Tio和當前初始索結構支座角坐
標向量Uio,而被評估對象當前初始損傷向量dio保持不變;

g1.分別比較Ti和Tio、Ui和Uio,如果Ti等于Tio且Ui等于Uio,則不需要
對Aio、Uio、Cio和Tio進行更新,否則需要按下列步驟對Aio、Uio、Cio和Tio進
行更新;

g2.計算Ui與Uo的差,Ui與Uo的差就是索結構支座關于初始位置的支座角
位移,用支座角位移向量V表示支座角位移,V等于Ui減去Uo;計算Ti與To的
差,Ti與To的差就是當前索結構穩態溫度數據關于初始索結構穩態溫度數據的
變化,Ti與To的差用穩態溫度變化向量S表示,S等于Ti減去To,S表示索結
構穩態溫度數據的變化;

g3.先對Ao中的索結構支座施加支座角位移約束,支座角位移約束的數值
就取自支座角位移向量V中對應元素的數值,再對Ao中的索結構施加溫度變
化,施加的溫度變化的數值就取自穩態溫度變化向量S,對Ao中索結構支座施
加支座角位移約束且對索結構施加溫度變化后得到更新的當前初始力學計算基
準模型Aio,更新Aio的同時,Uio所有元素數值也用Ui所有元素數值對應代替,
即更新了Uio,Tio所有元素數值也用Ti的所有元素數值對應代替,即更新了Tio,
這樣就得到了正確地對應于Aio的Uio和Tio,此時dio保持不變;當更新Aio后,
Aio的索的健康狀況用被評估對象當前初始損傷向量dio表示,Aio的索結構穩態
溫度用當前索結構穩態溫度數據向量Tio表示,Aio的支座角坐標用當前初始索
結構支座角坐標向量Uio表示;更新Cio的方法是:當更新Aio后,通過力學計
算得到Aio中所有被監測量的、當前的具體數值,這些具體數值組成Cio;

h.在當前初始力學計算基準模型Aio的基礎上,按照步驟h1至步驟h4進行
若干次力學計算,通過計算建立單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi和被評估對
象單位變化向量Diu;

h1.在第i次循環開始時,直接按步驟h2至步驟h4所列方法獲得ΔCi和Diu;
在其它時刻,當在步驟g中對Aio進行更新后,必須按步驟h2至步驟h4所列方
法重新獲得ΔCi和Diu,如果在步驟g中沒有對Aio進行更新,則在此處直接轉入
步驟i進行后續工作;

h2.在當前初始力學計算基準模型Aio的基礎上進行若干次力學計算,計算
次數數值上等于所有被評估對象的數量N,有N個評估對象就有N次計算;依
據被評估對象的編號規則,依次進行計算;每一次計算假設只有一個被評估對象
在原有損傷或載荷的基礎上再增加單位損傷或載荷單位變化,具體的,如果該被
評估對象是索系統中的一根支承索,那么就假設該支承索再增加單位損傷,如果
該被評估對象是一個載荷,就假設該載荷再增加載荷單位變化,用Diuk記錄這一
增加的單位損傷或載荷單位變化,其中k表示增加單位損傷或載荷單位變化的被
評估對象的編號,Diuk是被評估對象單位變化向量Diu的一個元素,被評估對象
單位變化向量Diu的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;每一次計
算中再增加單位損傷或載荷單位變化的被評估對象不同于其它次計算中再增加
單位損傷或載荷單位變化的被評估對象,每一次計算都利用力學方法計算索結構
的所有被監測量的當前計算值,每一次計算得到的所有被監測量的當前計算值組
成一個被監測量計算當前向量;當假設第k個被評估對象再增加單位損傷或載荷
單位變化時,用Citk表示對應的“被監測量計算當前向量”;在本步驟中給各向
量的元素編號時,應同本方法中其它向量使用同一編號規則,以保證本步驟中各
向量中的任意一個元素,同其它向量中的、編號相同的元素,表達了同一被監測
量或同一對象的相關信息;Citk的定義方式與向量Co的定義方式相同,Citk的元
素與Co的元素一一對應;

h3.每一次計算得到的向量Citk減去向量Cio得到一個向量,再將該向量的每
一個元素都除以本次計算所假設的單位損傷或載荷單位變化數值后得到一個“被
監測量的數值變化向量δCik”;有N個被評估對象就有N個“被監測量的數值變
化向量”;

h4.由這N個“被監測量的數值變化向量”按照N個被評估對象的編號規
則,依次組成有N列的“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”;單位損傷被監
測量數值變化矩陣ΔCi的每一列對應于一個被監測量單位變化向量;單位損傷被
監測量數值變化矩陣ΔCi的每一行對應于同一個被監測量在不同被評估對象增
加單位損傷或載荷單位變化時的不同的單位變化幅度;單位損傷被監測量數值變
化矩陣ΔCi的列的編號規則與向量do的元素的編號規則相同,單位損傷被監測量
數值變化矩陣ΔCi的行的編號規則與M個被監測量的編號規則相同;

i.定義當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di,dic和di的元素個數等
于被評估對象的數量,dic和di的元素和被評估對象之間是一一對應關系,dic的
元素數值代表對應被評估對象的名義損傷程度或名義載荷變化量,dic和di與被
評估對象初始損傷向量do的元素編號規則相同,dic的元素、di的元素與do的元
素是一一對應關系;

j.依據被監測量當前數值向量Ci同“被監測量當前初始數值向量Cio”、“單
位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量dic”間存在的近似線
性關系,該近似線性關系可表達為式1,式1中除dic外的其它量均為已知,求
解式1就可以算出當前名義損傷向量dic;

C i = C o i + ΔC i · d c i ]]>式1

k.利用式2表達的當前實際損傷向量di的第k個元素dik同被評估對象當前
初始損傷向量dio的第k個元素diok和當前名義損傷向量dic的第k個元素dick間
的關系,計算得到當前實際損傷向量di的所有元素;

式2

式2中k=1,2,3,……,N;dik表示第i次循環中第k個被評估對象的當前實際健
康狀態,如果該被評估對象是索系統中的一根支承索,那么dik表示其當前實際
損傷,dik為0時表示無損傷,為100%時表示該支承索徹底喪失承載能力,介于
0與100%之間時表示喪失相應比例的承載能力,至此本方法實現了核心被評估
對象的健康狀態的識別;

l.在求得當前名義損傷向量dic后,按照式3建立標識向量Bi,式4給出了標識
向量Bi的第k個元素的定義;

B i = B 1 i B 2 i · · · B k i · · · B N i T ]]>式3

式4

式4中元素Bik是標識向量Bi的第k個元素,Diuk是被評估對象單位變化向量Diu的第
k個元素,dick是被評估對象當前名義損傷向量dic的第k個元素,它們都表示第k個
被評估對象的相關信息,式4中k=1,2,3,……,N;

m.如果標識向量Bi的元素全為0,則回到步驟f繼續本次循環;如果標識向
量Bi的元素不全為0,則進入下一步、即步驟n;

n.根據式5計算得到下一次、即第i+1次循環所需的被評估對象當前初始損傷
向量di+1o的每一個元素;

式5

式5中di+1ok是下一次、即第i+1次循環所需的被評估對象當前初始損傷向量di+1o
的第k個元素,diok是本次、即第i次循環的被評估對象當前初始損傷向量dio的
第k個元素,Diuk是第i次循環的被評估對象單位變化向量Diu的第k個元素,Bik
是第i次循環的標識向量Bi的第k個元素,式5中k=1,2,3,……,N;

o.在初始力學計算基準模型Ao的基礎上,先對Ao中的索結構支座施加支座
角位移約束,支座角位移約束的數值就取自支座角位移向量V中對應元素的數
值,再對Ao中的索結構施加溫度變化,施加的溫度變化的數值就取自穩態溫度變
化向量S,再令索的健康狀況為di+1o后得到的就是下一次、即第i+1次循環所需的
力學計算基準模型Ai+1;得到Ai+1后,通過力學計算得到Ai+1中所有被監測量的、
當前的具體數值,這些具體數值組成下一次、即第i+1次循環所需的被監測量當
前初始數值向量Ci+1o;

p.取下一次、即第i+1次循環所需的當前初始索結構穩態溫度數據向量Ti+1o
等于第i次循環的當前初始索結構穩態溫度數據向量Tio;下一次、即第i+1次循環
所需的當前初始索結構支座角坐標向量Ui+1o等于第i次循環的當前初始索結構支
座角坐標向量Uio;

q.回到步驟f,開始下一次循環。

有益效果:結構健康監測系統首先通過使用傳感器對結構響應進行長期在線監
測,獲得監測數據后對其進行在線(或離線)分析得到結構健康狀態數據,由于
結構的復雜性,結構健康監測系統需要使用大量的傳感器等設備進行結構健康監
測,因此其造價通常相當高,因此造價問題是制約結構健康監測技術應用的一個
主要問題。另一方面,核心被評估對象(例如斜拉索)的健康狀態的正確識別是
結構健康狀態的正確識別的不可或缺的組成部分,甚至是其全部,而次要被評估
對象(例如結構承受的載荷)的變化(例如通過斜拉橋的汽車的數量和質量的變
化)的正確識別對索結構的健康狀態的正確識別的影響是微乎其微的,甚至是不
需要的。但是次要被評估對象的數量與核心被評估對象的數量通常是相當的,次
要被評估對象的數量還常常大于核心被評估對象的數量,這樣被評估對象的數量
常常是核心被評估對象的數量的多倍。在次要被評估對象(載荷)發生變化時,
為了準確識別核心被評估對象,常規方法要求被監測量(使用傳感器等設備測量
獲得)的數量必須大于等于被評估對象的數量,當發生變化的次要被評估對象的
數量比較大時(實際上經常如此),結構健康監測系統所需要的傳感器等設備的
數量是非常龐大的,因此結構健康監測系統的造價就會變得非常高,甚至高得不
可接受。發明人研究發現,在次要被評估對象(例如結構承受的正常載荷,結構
的正常載荷是指結構正在承受的載荷不超過按照結構設計書或結構竣工書所限
定的結構許用載荷)變化較小時(對于載荷而言就是結構僅僅承受正常載荷,結
構承受的載荷是否是正常載荷,能夠通過肉眼等方法觀察確定,如果發現結構承
受的載荷不是正常載荷,那么人為去除、移除非正常載荷后,結構就只承受正常
載荷了),它們所引起的結構響應的變化幅度(本說明書稱其為“次要響應”)遠
小于核心被評估對象的變化(例如支承索受損)所引起的結構響應的變化幅度(本
說明書稱其為“核心響應”),次要響應與核心響應之和是結構響應的總變化(本
說明書稱其為“總體響應”),顯然核心響應在總體響應中占據主導地位,基于此,
發明人研究發現在確定被監測量數量時即使選取稍大于核心被評估對象數量、但
遠小于被評估對象數量的數值(本方法就是這樣做的),也就是說即使采用數量
相對少很多的傳感器等設備,仍然可以準確獲得核心被評估對象的健康狀態數
據,滿足結構健康狀態監測的核心需求,因此本方法所建議的結構健康監測系統
的造價顯而易見地比常規方法所要求的結構健康監測系統的造價低很多,也就是
說本方法能夠以造價低得多的條件實現對索結構的核心被評估對象的健康狀態
的評估,這種益處是對結構健康監測技術能否被采用是舉足輕重的。

具體實施方式

本方法采用一種算法,該算法用于識別核心被評估對象的健康狀態。具體實
施時,下列步驟是可采取的各種步驟中的一種。

第一步:首先確認索結構承受的可能發生變化的載荷的數量。根據索結構所
承受的載荷的特點,確認其中“所有可能發生變化的載荷”,或者將所有的載荷
視為“所有可能發生變化的載荷”,設共有JZW個可能發生變化的載荷,即共有
JZW個次要被評估對象。設索系統中共有M1根支承索,即共有M1個核心被評
估對象。設索結構的支承索的數量和JZW個“所有可能發生變化的載荷”的數
量之和為N,即共有N個被評估對象。給被評估對象連續編號,該編號在后續步
驟中將用于生成向量和矩陣。

“結構的全部被監測的角度數據”由結構上K個指定點的、過每個指定點
的L個指定直線的、每個指定直線的H個角度坐標分量來描述,結構角度的變化
就是所有指定點的、所有指定直線的所有指定的角度坐標分量的變化。每次共有
M(M=K×L×H)個角度坐標分量測量值或計算值來表征結構的角度信息。綜合
上述被監測量,整個索結構共有M個被監測量,M不得小于核心被評估對象的
數量加4。

為方便起見,在本方法中將“索結構的被監測的所有參量”簡稱為“被監測
量”。給M個被監測量連續編號,該編號在后續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,j=1,2,3,…,M。

按照技術方案和權利要求書中規定的步驟確定“本方法的索結構的溫度測量
計算方法”。

第二步:建立初始力學計算基準模型Ao。

在索結構竣工之時,或者在建立健康監測系統前,按照“本方法的索結構的
溫度測量計算方法”測量計算得到“索結構穩態溫度數據”(可以用常規溫度測
量方法測量,例如使用熱電阻測量),此時的“索結構穩態溫度數據”用向量To
表示,稱為初始索結構穩態溫度數據向量To。在實測得到To的同時,使用常規
方法直接測量計算得到索結構的所有被監測量的初始數值,組成被監測量初始數
值向量Co。

本方法中可以具體按照下列方法在獲得某某(例如初始或當前等)索結構穩
態溫度數據向量的時刻的同一時刻,使用某某方法測量計算得到某某被測量量被
監測量(例如索結構的所有被監測量)的數據:在測量記錄溫度(包括索結構所
在環境的氣溫、參考平板的向陽面的溫度和索結構表面溫度)的同時,例如每隔
10分鐘測量記錄一次溫度,那么同時同樣也每隔10分鐘測量記錄某某被測量量
被監測量(例如索結構的所有被監測量)的數據。一旦確定了獲得索結構穩態溫
度數據的時刻,那么與獲得索結構穩態溫度數據的時刻同一時刻的某某被測量量
被監測量(例如索結構的所有被監測量)的數據就稱為在獲得索結構穩態溫度數
據的時刻的同一時刻,使用某某方法測量計算方法得到的某某被測量量被監測量
的數據。

使用常規方法(查資料或實測)得到索結構所使用的各種材料的隨溫度變化
的物理參數(例如熱膨脹系數)和力學性能參數(例如彈性模量、泊松比)。

在實測得到To的同時,使用常規方法實測計算得到索結構的實測計算數據。
索結構的實測計算數據包括支承索的無損檢測數據等能夠表達索的健康狀態的
數據、索結構初始幾何數據、索力數據、拉桿拉力數據、初始索結構支座廣義坐
標數據(包括支座關于笛卡爾直角坐標系X、Y、Z軸的空間坐標和角坐標即初
始索結構支座空間坐標數據和初始索結構支座角坐標數據)、索結構集中載荷測
量數據、索結構分布載荷測量數據、索結構體積載荷測量數據、索結構模態數據、
結構應變數據、結構角度測量數據、結構空間坐標測量數據等實測數據。初始索
結構支座角坐標數據組成初始索結構支座角坐標向量Uo。索結構的初始幾何數
據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上結構上一系列的點的空間坐標數據,
目的在于根據這些坐標數據確定索結構的幾何特征。對斜拉橋而言,初始幾何數
據可以是所有索的端點的空間坐標數據加上橋梁兩端上若干點的空間坐標數據,
這就是所謂的橋型數據。利用支承索的無損檢測數據等能夠表達支承索的健康狀
態的數據以及索結構載荷測量數據建立被評估對象初始損傷向量do,用do表示
索結構(用初始力學計算基準模型Ao表示)的被評估對象的初始健康狀態。如
果沒有支承索的無損檢測數據及其他能夠表達支承索的健康狀態的數據時,或者
可以認為結構初始狀態為無損傷無松弛狀態時,向量do的中與支承索相關的各
元素數值取0,如果do的某一個元素對應的被評估對象是某一個載荷,本方法中
取do的該元素數值為0,代表這個載荷的變化的初始數值為0。利用索結構的設
計圖、竣工圖和初始索結構的實測數據、支承索的無損檢測數據、索結構所使用
的各種材料的隨溫度變化的物理和力學性能參數、初始索結構支座角坐標向量
Uo和初始索結構穩態溫度數據向量To,利用力學方法(例如有限元法)計入“索
結構穩態溫度數據”建立初始力學計算基準模型Ao。

不論用何種方法獲得初始力學計算基準模型Ao,計入“索結構穩態溫度數
據”(即初始索結構穩態溫度數據向量To)、基于Ao計算得到的索結構計算數
據必須非常接近其實測數據,誤差一般不得大于5%。這樣可保證利用Ao計算所
得的模擬情況下的索力計算數據、應變計算數據、索結構形狀計算數據和位移計
算數據、索結構角度數據、索結構空間坐標數據等,可靠地接近所模擬情況真實
發生時的實測數據。模型Ao中支承索的健康狀態用被評估對象初始損傷向量do
表示,索結構穩態溫度數據用初始索結構穩態溫度數據向量To表示。由于基于
Ao計算得到所有被監測量的計算數值非常接近所有被監測量的初始數值(實測
得到),所以也可以用在Ao的基礎上、進行力學計算得到的、Ao的每一個被監
測量的計算數值組成被監測量初始數值向量Co。對應于Ao的“索結構穩態溫度
數據”就是“初始索結構穩態溫度數據向量To”;對應于Ao的被評估對象健康
狀態用被評估對象初始損傷向量do表示;對應于Ao的所有被監測量的初始數值
用被監測量初始數值向量Co表示。對應于Ao的索結構支座角坐標數據用初始索
結構支座角坐標向量Uo表示;To、Uo和do是Ao的參數,Co由Ao的力學計算結
果組成。

第三步:在本方法中,字母i除了明顯地表示步驟編號的地方外,字母i僅
表示循環次數,即第i次循環;第i次循環開始時需要建立的或已建立的索結構
的當前初始力學計算基準模型記為當前初始力學計算基準模型Aio,Ao和Aio計
入了溫度參數,可以計算溫度變化對索結構的力學性能影響;第i次循環開始時,
對應于Aio的“索結構穩態溫度數據”用當前初始索結構穩態溫度數據向量Tio
表示,向量Tio的定義方式與向量To的定義方式相同,Tio的元素與To的元素一
一對應;第i次循環開始時需要的、對應于索結構的當前初始力學計算基準模型
Aio的索結構支座角坐標數據組成當前初始索結構支座角坐標向量Uio,第一次建
立索結構的當前初始力學計算基準模型Aio時,Uio就等于Uo。第i次循環開始
時需要的被評估對象當前初始損傷向量記為dio,dio表示該次循環開始時索結構
Aio的被評估對象的健康狀態,dio的定義方式與do的定義方式相同,dio的元素與
do的元素一一對應;第i次循環開始時,所有被監測量的初始值,用被監測量當
前初始數值向量Cio表示,向量Cio的定義方式與向量Co的定義方式相同,Cio
的元素與Co的元素一一對應,被監測量當前初始數值向量Cio表示對應于Aio的
所有被監測量的具體數值;Tio和dio是Aio的特性參數;Cio由Aio的力學計算結
果組成;第一次循環開始時,Aio記為A1o,建立A1o的方法為使A1o等于Ao;第
一次循環開始時,Tio記為T1o,建立T1o的方法為使T1o等于To;第一次循環開
始時,Uio記為U1o,建立U1o的方法為使U1o等于Uo;第一次循環開始時,dio
記為d1o,建立d1o的方法為使d1o等于do;第一次循環開始時,Cio記為C1o,建
立C1o的方法為使C1o等于Co。

第四步:安裝索結構健康監測系統的硬件部分。硬件部分至少包括:被監測
量監測系統(例如含角度測量系統、信號調理器等)、索結構支座角坐標監測系
統(含角度測量傳感器、信號調理器等)、索結構溫度監測系統(含溫度傳感器、
信號調理器等)和索結構環境溫度測量系統(含溫度傳感器、信號調理器等)、
信號(數據)采集器、計算機和通信報警設備。每一個被監測量、索結構的每一
個支座角坐標、每一個溫度都必須被監測系統監測到,監測系統將監測到的信號
傳輸到信號(數據)采集器;信號經信號采集器傳遞到計算機;計算機則負責運
行索結構的被評估對象的健康監測軟件,包括記錄信號采集器傳遞來的信號;當
監測到被評估對象健康狀態有變化時,計算機控制通信報警設備向監控人員、業
主和(或)指定的人員報警。

第五步:編制并在計算機上安裝運行本方法的系統軟件,該軟件將完成本方
法任務所需要的監測、記錄、控制、存儲、計算、通知、報警等功能(即本具體
實施方法中所有可以用計算機完成的工作)。

第六步:由此步開始循環運作,在結構服役過程中,按照“本方法的索結構
的溫度測量計算方法”不斷實測計算獲得索結構穩態溫度數據的當前數據,所有
“索結構穩態溫度數據”的當前數據組成當前索結構穩態溫度數據向量Ti,向量
Ti的定義方式與向量To的定義方式相同,Ti的元素與To的元素一一對應;在實
測得到向量Ti的同時,實測得到索結構中所有被監測量的當前值,所有這些數
值組成被監測量當前數值向量Ci,向量Ci的定義方式與向量Co的定義方式相同,
Ci的元素與Co的元素一一對應,表示相同被監測量在不同時刻的數值。

在實測得到向量Ti的同時,實測得到索結構支座角坐標當前數據,所有數
據組成當前索結構實測支座角坐標向量Ui。

第七步:在得到當前索結構實測支座角坐標向量Ui和當前索結構穩態溫度
數據向量Ti后,分別比較Ui和Uio、Ti和Tio,如果Ui等于Uio且Ti等于Tio,則
不需要對Aio、Uio、Cio和Tio進行更新,否則需要對當前初始力學計算基準模型
Aio、當前初始索結構支座角坐標向量Uio、當前初始索結構穩態溫度數據向量Tio
和被監測量當前初始數值向量Cio進行更新,而被評估對象當前初始損傷向量dio
保持不變,更新方法按技術方案和權利要求書中規定的步驟進行。

第八步:在當前初始力學計算基準模型Aio的基礎上,按照技術方案和權利
要求書中規定的步驟進行若干次力學計算,通過計算建立單位損傷被監測量數值
變化矩陣ΔCi和被評估對象單位變化向量Diu,其中,如果該被評估對象是索系
統中的一根支承索,那么就假設該支承索在向量dio表示的該支承索已有損傷的
基礎上再有單位損傷(例如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷),如果
該被評估對象是一個載荷,就假設該載荷在向量dio表示的該載荷已有變化量的
基礎上再增加載荷單位變化(如果該載荷是分布載荷,且該分布載荷是線分布載
荷,載荷單位變化可以取1kN/m、2kN/m、3kN/m或1kNm/m、2kNm/m、3kNm/m
等為單位變化;如果該載荷是分布載荷,且該分布載荷是是面分布載荷,載荷單
位變化可以取1MPa、2MPa、3MPa或1kNm/m2、2kNm/m2、3kNm/m2等為單
位變化;如果該載荷是集中載荷,且該集中載荷是力偶,載荷單位變化可以取
1kNm、2kNm、3kNm等為單位變化;如果該載荷是集中載荷,且該集中載荷
是集中力,載荷單位變化可以取1kN、2kN、3kN等為單位變化;如果該載荷
是體積載荷,載荷單位變化可以取1kN/m3、2kN/m3、3kN/m3等為單位變化)。

第九步:建立線性關系誤差向量ei和向量gi。利用前面的數據(“被監測量
當前初始數值向量Cio”、“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”),在第八步進
行每一次計算的同時,即在每一次計算假設被評估對象中只有一個被評估對象的
增加單位損傷或載荷單位變化的同時,當假設第k(k=1,2,3,……,N)個被評估對
象增加單位損傷或載荷單位變化時,每一次計算組成一個損傷向量,用ditk表示
該損傷向量,對應的被監測量計算當前向量為Citk(參見第八步),損傷向量ditk
的元素個數等于被評估對象的數量,向量ditk的所有元素中只有一個元素的數值
取每一次計算中假設增加單位損傷或載荷單位變化的被評估對象的單位損傷或
載荷單位變化值,ditk的其它元素的數值取0,那個不為0的元素的編號與假定增
加單位損傷或載荷單位變化的被評估對象的對應關系、同其他向量的同編號的元
素同該被評估對象的對應關系是相同的;ditk與被評估對象初始損傷向量do的元
素編號規則相同,ditk的元素與do的元素是一一對應關系。將Citk、Cio、ΔCi、ditk
帶入式(1),得到一個線性關系誤差向量eik,每一次計算得到一個線性關系誤
差向量eik;eik的下標k表示第k(k=1,2,3,……,N)個被評估對象增加單位損傷或
載荷單位變化。有N個被評估對象就有N次計算,就有N個線性關系誤差向量
eik,將這N個線性關系誤差向量eik相加后得到一個向量,將此向量的每一個元
素除以N后得到的新向量就是最終的線性關系誤差向量ei。向量gi等于最終的
誤差向量ei。將向量gi保存在運行健康監測系統軟件的計算機硬盤上,供健康監
測系統軟件使用。

e k i = a b s ( ΔC i · d t k i - C t k i + C o i ) - - - ( 1 ) ]]>

第十步:定義當前名義損傷向量dic和當前實際損傷向量di,dic和di的元素
個數等于被評估對象的數量,dic和di的元素和被評估對象之間是一一對應關系,
dic和di的元素數值代表對應被評估對象的損傷程度或載荷變化程度,dic和di與
被評估對象初始損傷向量do的元素編號規則相同,dic的元素、di的元素與do的
元素是一一對應關系。

第十一步:依據被監測量當前數值向量Ci同“被監測量當前初始數值向量
Cio”、“單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔCi”和“當前名義損傷向量dic”間存在
的近似線性關系,該近似線性關系可表達為式(2),按照多目標優化算法計算當
前名義損傷向量dic的非劣解,也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地從所有
索中確定受損索的位置及其名義損傷程度的解。

C i = C o i + ΔC i · d c i - - - ( 2 ) ]]>

可以采用多目標優化算法中的目標規劃法(GoalAttainmentMethod)求解式
(2)得到當前名義損傷向量dic。

第十二步:依據索系統當前實際損傷向量di的定義和其元素的定義計算得到
當前實際損傷向量di的每一個元素,從而可由di確定被評估對象的健康狀態。
當前實際損傷向量di的第k個元素dik表示第i次循環中第k個被評估對象的當
前實際健康狀態。

dik表示第i次循環中第k個被評估對象的當前實際健康狀態,如果該被評估
對象是索系統中的一根支承索,那么dik表示其當前實際損傷,dik為0時表示無
損傷,為100%時表示該支承索徹底喪失承載能力,介于0與100%之間時表示
喪失相應比例的承載能力,所以根據被評估對象當前實際損傷向量di能夠確定核
心被評估對象的健康狀態。

第十三步:健康監測系統中的計算機定期自動或由人員操作健康監測系統生
成索系統健康情況報表。

第十四步:在指定條件下,健康監測系統中的計算機自動操作通信報警設備
向監控人員、業主和(或)指定的人員報警。

第十五步:建立標識向量Bi,如果標識向量Bi的元素全為0,則回到第六步
繼續進行對索系統的健康監測和計算;如果標識向量Bi的元素不全為0,則完成
后續步驟后,進入下一次循環。

第十六步:計算得到下一次(即第i+1次,i=1,2,3,4,…)循環所需的初始
損傷向量di+1o的每一個元素di+1ok(k=1,2,3,……,N);在初始力學計算基準模型
Ao的基礎上,先對Ao中的索結構支座施加支座角位移約束,支座角位移約束的
數值就取自支座角位移向量V中對應元素的數值,再對Ao中的索結構施加溫度
變化,施加的溫度變化的數值就取自穩態溫度變化向量S,再令索的健康狀況為
di+1o后得到的就是下一次、即第i+1次(i=1,2,3,4,…)循環所需的力學計算基
準模型Ai+1;下一次(即第i+1次,i=1,2,3,4,…)循環所需的當前初始索結構
穩態溫度數據向量Ti+1o等于Tio,下一次(即第i+1次,i=1,2,3,4,…)循環所
需的當前初始索結構支座角坐標向量Ui+1o等于Uio。得到Ai+1、di+1o、Ui+1o和
Ti+1o后,通過力學計算得到Ai+1中所有被監測量的、當前的具體數值,這些具體
數值組成下一次、即第i+1次循環所需的被監測量當前初始數值向量Ci+1o。

第十七步:回到第六步,開始由第六步到第十七步的循環。

關 鍵 詞:
精簡 位移 角度 監測 受損 載荷 遞進 識別 方法
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