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精簡應變監測受損索載荷廣義位移識別方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510439537.2

申請日:

2015.07.23

公開號:

CN105067334A

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:

CN201510439537.2

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

精簡應變監測受損索載荷廣義位移識別方法基于應變監測,通過監測索結構溫度和環境溫度來決定是否需要更新索結構的力學計算基準模型,得到計入索結構溫度和環境溫度的索結構的力學計算基準模型,在此模型的基礎上計算獲得單位損傷被監測量數值變化矩陣。依據被監測量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被評估對象當前名義損傷向量間存在的近似線性關系算出被評估對象當前名義損傷向量的非劣解,據此可以識別核心被評估對象的健康狀態。

權利要求書

1.精簡應變監測受損索載荷廣義位移識別方法,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座廣義位移分量、
支承索和載荷為被評估對象,設被評估的支座廣義位移分量的數量、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;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;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和支座廣義位移分量,
設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數量之和為P,即核心被評估對象的數
量為P,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;設索系統中共有M1根支承索;確定指定的被監測點,被監測點即表征索結
構應變信息的所有指定點,并給所有指定點編號;確定被監測點的被監測的應變
方向,并給所有指定的被監測應變編號,“被監測應變編號”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應變數據”由上述所有被監測應變
組成;本方法將“索結構的被監測的應變數據”簡稱為“被監測量”;所有被監
測量的數量之和記為M,M應當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、索結構支
座初始廣義位移測量數據、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,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、索結構支座初始廣義位移測量
數據和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支座的某一個廣
義位移分量,那么do的該元素的數值代表這個支座的該廣義位移分量的初始數
值;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;如果沒有索結構支座初始
廣義位移測量數據或者可以認為索結構支座初始廣義位移為0時,向量do中與
索結構支座廣義位移相關的各元素數值取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;初始索結構支座廣義
坐標數據指索結構設計狀態下的支座廣義坐標數據,索結構支座初始廣義位移測
量數據指在建立初始力學計算基準模型Ao時,索結構支座相對于索結構設計狀
態下的支座所發生的廣義位移;
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、索結構支座初始廣義位移測量數據、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;第一次建立計入“索結構穩態溫度數據”的索結構的當前初
始力學計算基準模型Ato、被監測量當前初始數值向量Cto和“當前初始索結構穩
態溫度數據向量Tto”;第一次建立索結構的當前初始力學計算基準模型Ato和被
監測量當前初始數值向量Cto時,索結構的當前初始力學計算基準模型Ato就等
于索結構的初始力學計算基準模型Ao,被監測量當前初始數值向量Cto就等于被
監測量初始數值向量Co;Ato對應的“索結構穩態溫度數據”稱為“當前初始索
結構穩態溫度數據”,記為“當前初始索結構穩態溫度數據向量Tto”,第一次建
立索結構的當前初始力學計算基準模型Ato時,Tto就等于To;Ato的被評估對象
的初始健康狀態與Ao的被評估對象的健康狀態相同,也用被評估對象初始損傷
向量do表示,在后面的循環過程中Ato的被評估對象的初始健康狀態始終用被評
估對象初始損傷向量do表示;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;Tto和do是Ato的參數,Cto由Ato的力學計
算結果組成;
e.從這里進入由第e步到第m步的循環;在結構服役過程中,不斷按照“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,“索結構穩態溫度數據”的當前數據稱為“當前索結構穩態溫度數
據”,記為“當前索結構穩態溫度數據向量Tt”,向量Tt的定義方式與向量To的
定義方式相同;
f.根據當前索結構穩態溫度數據向量Tt,按照步驟f1至f3更新當前初始力
學計算基準模型Ato、被監測量當前初始數值向量Cto和當前初始索結構穩態溫度
數據向量Tto;
f1.比較Tt與Tto,如果Tt等于Tto,則Ato、Cto和Tto保持不變;否則需要按
下列步驟對Ato、Cto和Tto進行更新;
f2.計算Tt與To的差,Tt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,Tt與To的差用穩態溫度變化向量S表示,S等于
Tt減去To,S表示索結構穩態溫度數據的變化;
f3.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中的索結構施加的溫度變化后得到更新的當前初始力學計算
基準模型Ato,更新Ato的同時,Tto所有元素數值也用Tt的所有元素數值對應代
替,即更新了Tto,這樣就得到了正確地對應于Ato的Tto;更新Cto的方法是:
當更新Ato后,通過力學計算得到Ato中所有被監測量的、當前的具體數值,這
些具體數值組成Cto;Ato的支承索的初始健康狀態始終用被評估對象初始損傷
向量do表示;
g.在當前初始力學計算基準模型Ato的基礎上按照步驟g1至g4進行若干次
力學計算,通過計算獲得索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和被評估對
象單位變化向量Du;
g1.索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC是不斷更新的,即在更新當
前初始力學計算基準模型Ato、被監測量當前初始數值向量Cto和當前初始索結構
穩態溫度數據向量Tto之后,必須接著更新索結構單位損傷被監測量數值變化矩
陣ΔC和被評估對象單位變化向量Du;
g2.在索結構的當前初始力學計算基準模型Ato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廣義位移或載荷的基礎上再增加單位損傷或單位廣義位
移或載荷單位變化,具體的,如果該被評估對象是索系統中的一根支承索,那么
就假設該支承索在向量do表示的該支承索已有損傷的基礎上再增加單位損傷,
如果該被評估對象是一個支座的一個方向的廣義位移分量,就假設該支座在該位
移方向再增加單位廣義位移,如果該被評估對象是一個載荷,就假設該載荷在向
量do表示的該載荷已有變化量的基礎上再增加載荷單位變化,用Duk記錄這一增
加的單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化,其中k表示增加單位損傷或單位
廣義位移或載荷單位變化的被評估對象的編號,Duk是被評估對象單位變化向量
Du的一個元素,被評估對象單位變化向量Du的元素的編號規則與向量do的元素
的編號規則相同;每一次計算中增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化的
被評估對象不同于其它次計算中增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化
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,被監測量計算當前向量的元素編號規則與被監測量初始數值向量Co的元
素編號規則相同;
g3.每一次計算得到的被監測量計算當前向量減去被監測量當前初始數值
向量Cto得到一個向量,再將該向量的每一個元素都除以該次計算所假設的單位
損傷或單位廣義位移或載荷單位變化數值,得到一個被監測量單位變化向量,有
N個被評估對象就有N個被監測量單位變化向量;
g4.由這N個被監測量單位變化向量按照N個被評估對象的編號規則,依次
組成有N列的索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC;索結構單位損傷被監
測量數值變化矩陣ΔC的每一列對應于一個被監測量單位變化向量;索結構單位
損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的每一行對應于同一個被監測量在不同被評估對
象增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化時的不同的單位變化幅度;索結
構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的列的編號規則與向量do的元素的編號規
則相同,索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的行的編號規則與M個被監
測量的編號規則相同;
h.在實測得到當前索結構穩態溫度數據向量Tt的同時,實測得到在獲得當
前索結構穩態溫度數據向量Tt的時刻的同一時刻的索結構的所有被監測量的當
前實測數值,組成被監測量當前數值向量C;被監測量當前數值向量C和被監測
量當前初始數值向量Cto與被監測量初始數值向量Co的定義方式相同,三個向量
的相同編號的元素表示同一被監測量在不同時刻的具體數值;
i.定義被評估對象當前名義損傷向量d,被評估對象當前名義損傷向量d的
元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前名義損傷向量d的元素和被評
估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前名義損傷向量d的元素數值代表對
應被評估對象的名義損傷程度或名義廣義位移或名義載荷變化量;向量d的元素
的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;
j.依據被監測量當前數值向量C同被監測量當前初始數值向量Cto、索結構
單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和待求的被評估對象當前名義損傷向量d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d外的其它量均
為已知,求解式1就可以算出被評估對象當前名義損傷向量d;
C = C o t + Δ C · d ]]>式1
k.定義被評估對象當前實際損傷向量da,被評估對象當前實際損傷向量da
的元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前實際損傷向量da的元素和
被評估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前實際損傷向量da的元素數值
代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際廣義位移或實際載荷變化量;向量
da的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;
l.利用式2表達的被評估對象當前實際損傷向量da的第k個元素dak同被評
估對象初始損傷向量do的第k個元素dok和被評估對象當前名義損傷向量d的第
k個元素dk間的關系,計算得到被評估對象當前實際損傷向量da的所有元素;
式2
式2中k=1,2,3,…….,N,dak表示第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dak表示其當前實際損傷,dak
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;如果該被評估對象是一個支座的一個廣
義位移分量,那么dak表示其當前實際廣義位移數值;
m.回到第e步,開始由第e步到第m步的下一次循環。

說明書

精簡應變監測受損索載荷廣義位移識別方法

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,在索結構服役過程中,索結構支座可能發生廣
義位移,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,本方法基于應變監測(本方法將被監測的應變稱為
“被監測量”)來識別支座廣義位移和受損索,屬工程結構健康監測領域。

背景技術

剔除載荷變化、索結構支座廣義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;剔除載荷變化、索結構健康狀態變化和結構溫度變化對索結構支座廣義位
移識別結果的影響,從而準確地識別索結構支座廣義位移,也是目前迫切需要解
決的問題;本方法公開了一種解決這兩個問題的有效的、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,實現了兩種功
能,分別是,一、剔除支座廣義位移、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;二、本方法還能夠剔
除載荷變化、索結構健康狀態變化和結構溫度變化對索結構支座廣義位移識別結
果的影響,從而準確地識別索結構支座廣義位移。

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座廣義位移分量、
支承索和載荷為被評估對象,設被評估的支座廣義位移分量的數量、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;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;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和支座廣義位移分量,
設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數量之和為P,即核心被評估對象的數
量為P,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;設索系統中共有M1根支承索;確定指定的被監測點,被監測點即表征索結
構應變信息的所有指定點,并給所有指定點編號;確定被監測點的被監測的應變
方向,并給所有指定的被監測應變編號,“被監測應變編號”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應變數據”由上述所有被監測應變
組成;本方法將“索結構的被監測的應變數據”簡稱為“被監測量”;所有被監
測量的數量之和記為M,M應當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、索結構支
座初始廣義位移測量數據、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,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、索結構支座初始廣義位移測量
數據和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支座的某一個廣
義位移分量,那么do的該元素的數值代表這個支座的該廣義位移分量的初始數
值;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;如果沒有索結構支座初始
廣義位移測量數據或者可以認為索結構支座初始廣義位移為0時,向量do中與
索結構支座廣義位移相關的各元素數值取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;初始索結構支座廣義
坐標數據指索結構設計狀態下的支座廣義坐標數據,索結構支座初始廣義位移測
量數據指在建立初始力學計算基準模型Ao時,索結構支座相對于索結構設計狀
態下的支座所發生的廣義位移;

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、索結構支座初始廣義位移測量數據、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;第一次建立計入“索結構穩態溫度數據”的索結構的當前初
始力學計算基準模型Ato、被監測量當前初始數值向量Cto和“當前初始索結構穩
態溫度數據向量Tto”;第一次建立索結構的當前初始力學計算基準模型Ato和被
監測量當前初始數值向量Cto時,索結構的當前初始力學計算基準模型Ato就等
于索結構的初始力學計算基準模型Ao,被監測量當前初始數值向量Cto就等于被
監測量初始數值向量Co;Ato對應的“索結構穩態溫度數據”稱為“當前初始索
結構穩態溫度數據”,記為“當前初始索結構穩態溫度數據向量Tto”,第一次建
立索結構的當前初始力學計算基準模型Ato時,Tto就等于To;Ato的被評估對象
的初始健康狀態與Ao的被評估對象的健康狀態相同,也用被評估對象初始損傷
向量do表示,在后面的循環過程中Ato的被評估對象的初始健康狀態始終用被評
估對象初始損傷向量do表示;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;Tto和do是Ato的參數,Cto由Ato的力學計
算結果組成;

e.從這里進入由第e步到第m步的循環;在結構服役過程中,不斷按照“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,“索結構穩態溫度數據”的當前數據稱為“當前索結構穩態溫度數
據”,記為“當前索結構穩態溫度數據向量Tt”,向量Tt的定義方式與向量To的
定義方式相同;

f.根據當前索結構穩態溫度數據向量Tt,按照步驟f1至f3更新當前初始力
學計算基準模型Ato、被監測量當前初始數值向量Cto和當前初始索結構穩態溫度
數據向量Tto;

f1.比較Tt與Tto,如果Tt等于Tto,則Ato、Cto和Tto保持不變;否則需要按
下列步驟對Ato、Cto和Tto進行更新;

f2.計算Tt與To的差,Tt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,Tt與To的差用穩態溫度變化向量S表示,S等于
Tt減去To,S表示索結構穩態溫度數據的變化;

f3.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中的索結構施加的溫度變化后得到更新的當前初始力學計算
基準模型Ato,更新Ato的同時,Tto所有元素數值也用Tt的所有元素數值對應代
替,即更新了Tto,這樣就得到了正確地對應于Ato的Tto;更新Cto的方法是:
當更新Ato后,通過力學計算得到Ato中所有被監測量的、當前的具體數值,這
些具體數值組成Cto;Ato的支承索的初始健康狀態始終用被評估對象初始損傷
向量do表示;

g.在當前初始力學計算基準模型Ato的基礎上按照步驟g1至g4進行若干次
力學計算,通過計算獲得索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和被評估對
象單位變化向量Du;

g1.索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC是不斷更新的,即在更新當
前初始力學計算基準模型Ato、被監測量當前初始數值向量Cto和當前初始索結構
穩態溫度數據向量Tto之后,必須接著更新索結構單位損傷被監測量數值變化矩
陣ΔC和被評估對象單位變化向量Du;

g2.在索結構的當前初始力學計算基準模型Ato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廣義位移或載荷的基礎上再增加單位損傷或單位廣義位
移或載荷單位變化,具體的,如果該被評估對象是索系統中的一根支承索,那么
就假設該支承索在向量do表示的該支承索已有損傷的基礎上再增加單位損傷,
如果該被評估對象是一個支座的一個方向的廣義位移分量,就假設該支座在該位
移方向再增加單位廣義位移,如果該被評估對象是一個載荷,就假設該載荷在向
量do表示的該載荷已有變化量的基礎上再增加載荷單位變化,用Duk記錄這一增
加的單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化,其中k表示增加單位損傷或單位
廣義位移或載荷單位變化的被評估對象的編號,Duk是被評估對象單位變化向量
Du的一個元素,被評估對象單位變化向量Du的元素的編號規則與向量do的元素
的編號規則相同;每一次計算中增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化的
被評估對象不同于其它次計算中增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化
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,被監測量計算當前向量的元素編號規則與被監測量初始數值向量Co的元
素編號規則相同;

g3.每一次計算得到的被監測量計算當前向量減去被監測量當前初始數值
向量Cto得到一個向量,再將該向量的每一個元素都除以該次計算所假設的單位
損傷或單位廣義位移或載荷單位變化數值,得到一個被監測量單位變化向量,有
N個被評估對象就有N個被監測量單位變化向量;

g4.由這N個被監測量單位變化向量按照N個被評估對象的編號規則,依次
組成有N列的索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC;索結構單位損傷被監
測量數值變化矩陣ΔC的每一列對應于一個被監測量單位變化向量;索結構單位
損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的每一行對應于同一個被監測量在不同被評估對
象增加單位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化時的不同的單位變化幅度;索結
構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的列的編號規則與向量do的元素的編號規
則相同,索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC的行的編號規則與M個被監
測量的編號規則相同;

h.在實測得到當前索結構穩態溫度數據向量Tt的同時,實測得到在獲得當
前索結構穩態溫度數據向量Tt的時刻的同一時刻的索結構的所有被監測量的當
前實測數值,組成被監測量當前數值向量C;被監測量當前數值向量C和被監測
量當前初始數值向量Cto與被監測量初始數值向量Co的定義方式相同,三個向量
的相同編號的元素表示同一被監測量在不同時刻的具體數值;

i.定義被評估對象當前名義損傷向量d,被評估對象當前名義損傷向量d的
元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前名義損傷向量d的元素和被評
估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前名義損傷向量d的元素數值代表對
應被評估對象的名義損傷程度或名義廣義位移或名義載荷變化量;向量d的元素
的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;

j.依據被監測量當前數值向量C同被監測量當前初始數值向量Cto、索結構
單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC和待求的被評估對象當前名義損傷向量d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d外的其它量均
為已知,求解式1就可以算出被評估對象當前名義損傷向量d;

C = C o t + Δ C · d ]]>式1

k.定義被評估對象當前實際損傷向量da,被評估對象當前實際損傷向量da
的元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前實際損傷向量da的元素和
被評估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前實際損傷向量da的元素數值
代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際廣義位移或實際載荷變化量;向量
da的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同;

l.利用式2表達的被評估對象當前實際損傷向量da的第k個元素dak同被評
估對象初始損傷向量do的第k個元素dok和被評估對象當前名義損傷向量d的第
k個元素dk間的關系,計算得到被評估對象當前實際損傷向量da的所有元素;


式2中k=1,2,3,…….,N,dak表示第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dak表示其當前實際損傷,dak
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;如果該被評估對象是一個支座的一個廣
義位移分量,那么dak表示其當前實際廣義位移數值;

m.回到第e步,開始由第e步到第m步的下一次循環。

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的高,可以說造價問題也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。幸好發明人研究發現,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,該算法用于識別支座廣義位移和受損索的變化。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。

設被評估的支承索和支座廣義位移分量的數量之和為P,即核心被評估對象
的數量為P,設被評估的支座廣義位移分量的數量為Z,設被評估的支承索的數
量為M1。

設索結構的支座廣義位移分量的數量、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應變數據”可由結構上K個指定點的、及每個指定
點的L個指定方向的應變來描述,結構應變數據的變化就是K個指定點的所有
應變的變化。每次共有M(M=K×L)個應變測量值或計算值來表征結構應變信
息。

綜合上述被監測量,整個索結構共有M個被監測量,M應當不小于核心被
評估對象的數量加4,M小于被評估對象的數量

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。

按技術方案規定步驟確定“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,也就是在
獲得初始索結構穩態溫度數據向量的時刻的同一時刻,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)。

按技術方案規定步驟,在實測計算得到初始索結構穩態溫度數據向量To的
同時,也就是在獲得索結構穩態溫度數據的時刻的同一時刻,使用常規方法實測
計算得到索結構的實測計算數據。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。To和do
是Ao的參數,Co由Ao的力學計算結果組成。

第三步:第一次建立當前初始力學計算基準模型Ato、被監測量當前初始數
值向量Cto和“當前初始索結構穩態溫度數據向量Tto”,具體方法是:在初始時
刻,即第一次建立當前初始力學計算基準模型Ato和被監測量當前初始數值向量
Cto時,Ato就等于Ao,Cto就等于Co,Ato對應的“索結構穩態溫度數據”記為“當
前初始索結構穩態溫度數據向量Tto”,在初始時刻(也就是第一次建立Ato時),
Tto就等于To,向量Tto的定義方式與向量To的定義方式相同。Ato的評估對象的
健康狀態與Ao的評估對象的健康狀態(被評估對象初始損傷向量do表示)相同,
在循環過程中Ato的評估對象的健康狀態始終用被評估對象初始損傷向量do表
示。Tto和do是Ato的參數,Cto由Ato的力學計算結果組成。

第四步:在索結構服役過程中,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(稱為“當前索結構穩態
溫度數據向量Tt”,向量Tt的定義方式與向量To的定義方式相同)。在實測得到
當前索結構穩態溫度數據向量Tt的同時,也就是在獲得當前索結構穩態溫度數
據向量Tt的時刻的同一時刻,實測得到索結構的所有被監測量的當前實測數值,
組成“被監測量當前數值向量C”。

第五步:根據當前索結構穩態溫度數據向量Tt,在必要時更新當前初始力學
計算基準模型Ato、被監測量當前初始數值向量Cto和當前初始索結構穩態溫度
數據向量Tto。在第四步實測得到當前索結構穩態溫度數據向量Tt后,比較Tt
和Tto,如果Tt等于Tto,則不需要對Ato、Cto和Tto進行更新,否則需要對Ato、
Cto和Tto進行更新,更新方法按技術方案規定步驟進行。

第六步:按技術方案規定步驟,在當前初始力學計算基準模型Ato的基礎上
進行若干次力學計算,通過計算獲得索結構單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC
和被評估對象單位變化向量Du。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在向量do表示的該支承索已有損傷的基礎上再增
加單位損傷(例如取5%、10%、20%或30%等損傷為單位損傷),如果該被評
估對象是一個支座的一個方向的廣義位移分量,就假設該支座在該位移方向在
向量do表示的該支座已有廣義位移的基礎上再發生單位廣義位移(例如如果該
被評估對象是一個支座的x方向的線位移分量,就假設該支座在x方向有單位
線位移,例如取1mm,如果該被評估對象是一個支座的繞x軸的角位移分量,
就假設該支座繞x軸有單位角位移,例如取十萬分之一弧度),如果該被評估對
象是一個載荷,就假設該載荷在向量do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)。

第七步:建立線性關系誤差向量e和向量g。利用前面的數據(被監測量當
前初始數值向量Cto、單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC),在第六步進行每一
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
位損傷或單位廣義位移或載荷單位變化Duk,每一次計算中增加單位損傷或單位
廣義位移或載荷單位變化的被評估對象不同于其它次計算中增加單位損傷或單
位廣義位移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(例如采
用有限元法)計算索結構中所有被監測量的當前數值,每一次計算組成一個被監
測量計算當前向量C的同時,每一次計算組成一個損傷向量d,本步出現的損傷
向量d只在本步使用,損傷向量d的所有元素中只有一個元素的數值取Duk,其
它元素的數值取0,損傷向量d的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相
同;將C、Cto、ΔC、Du、d帶入式(1),得到一個線性關系誤差向量e,每一次
計算得到一個線性關系誤差向量e;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e,將這N個線性關系誤差向量e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e。向
量g等于最終的誤差向量e。

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

式(1)中abs()是取絕對值函數,對括號內求得的向量的每一個元素取絕對值。

第八步: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(例如含應變測量系統、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、
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。

第九步:將被監測量當前初始數值向量Cto、單位損傷被監測量數值變化矩
陣ΔC、被評估對象單位變化向量Du參數以數據文件的方式保存在運行健康監測
系統軟件的計算機硬盤上。

第十步:編制并在計算機上安裝運行本方法系統軟件,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)

第十一步:依據被監測量當前數值向量C同被監測量當前初始數值向量
Cto、單位損傷被監測量數值變化矩陣ΔC、被評估對象單位變化向量Du和被評
估對象當前名義損傷向量d(由所有索當前名義損傷量組成)間存在的近似線性
關系(式(2)),按照多目標優化算法計算被評估對象當前名義損傷向量d的非劣
解,也就是帶有合理誤差、但可以比較準確地反映被評估對象的健康狀態的變化
的解。可以采用多目標優化算法中的目標規劃法(GoalAttainmentMethod)求解
式(2)得到當前損傷向量d。

C = C o t + Δ C · d - - - ( 2 ) ]]>

第十二步:定義被評估對象當前實際損傷向量da,被評估對象當前實際損傷
向量da的元素個數等于被評估對象的數量,被評估對象當前實際損傷向量da的
元素和被評估對象之間是一一對應關系,被評估對象當前實際損傷向量da的元
素數值代表對應被評估對象的實際損傷程度或實際廣義位移或實際載荷變化程
度;向量da的元素的編號規則與向量do的元素的編號規則相同。利用被評估對
象當前實際損傷向量da的第k個元素dak同被評估對象初始損傷向量do的第k
個元素dok和被評估對象當前名義損傷向量d的第k個元素dk間的關系,計算得
到被評估對象當前實際損傷向量da的所有元素。dak表示第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dak表示其
當前實際損傷,dak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;如果該被評估對象是
一個支座的一個廣義位移分量,那么dak表示其當前實際廣義位移數值。

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:回到第四步,開始由第四步到第十五步的循環。

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