精简广义位移角度监测载荷问题索识别方法技术

精简广义位移角度监测载荷问题索识别方法基于角度监测，通过监测支座广义位移来决定是否需要更新索结构的力学计算基准模型，得到计入支座广义位移的索结构的力学计算基准模型，在此模型的基础上计算获得单位损伤被监测量数值变化矩阵。依据被监测量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被评估对象当前名义损伤向量间存在的近似线性关系算出被评估对象当前名义损伤向量的非劣解，据此可以识别出核心被评估对象的健康状态。

【技术实现步骤摘要】

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，本方法基于角度监测(本方法将被监测的角度称为“被监测量”)来识别问题索，属工程结构健康监测领域。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。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。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。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：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。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。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10MPa，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。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。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”本文档来自技高网...

【技术保护点】
精简广义位移角度监测载荷问题索识别方法，其特征在于所述方法包括：a.当索结构承受的载荷虽有变化，但索结构正在承受的载荷没有超出索结构初始许用载荷时，本方法适用；索结构初始许用载荷指索结构在竣工时的许用载荷，能够通过常规力学计算获得；本方法统一称被评估的支承索和载荷为“被评估对象”，设被评估的支承索的数量和载荷的数量之和为N，即“被评估对象”的数量为N；本方法用名称“核心被评估对象”专指“被评估对象”中的被评估的支承索，本方法用名称“次要被评估对象”专指“被评估对象”中的被评估的载荷；确定被评估对象的编号规则，按此规则将索结构中所有的被评估对象编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；本方法用变量k表示这一编号，k＝1,2,3,…,N；设索系统中共有M1根支承索，显然核心被评估对象的数量就是M1；确定指定的被测量点，给所有指定点编号；确定过每一测量点的被测量直线，给所有指定的被测量直线编号；确定每一被测量直线的被测量的角度坐标分量，给所有被测量角度坐标分量编号；上述编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；“索结构的全部被监测的角度数据”由上述所有被测量角度坐标分量组成；为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的角度数据”简称为“被监测量”；所有被监测量的数量之和记为M，M必须大于核心被评估对象的数量，M小于被评估对象的数量；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，包括物体的自重和惯性力在内；集中载荷分为集中力和集中力偶两种，在包括笛卡尔直角坐标系在内的坐标系中，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计为或统计为一个载荷，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；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和幅值来表达；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；在包括笛卡尔直角坐标系在内的坐标系中，一个分布载荷可以分解成三个分量，如果这分布载荷的三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分布载荷的三个分量计为或统计为三个分布载荷，此时一个载荷就代表分布载荷的一个分量；体积载荷是连续分布于物体内部各点的载荷，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和幅值来表达；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，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；在包括笛卡尔直角坐标系在内的坐标系中，一个体积载荷可以分解成三个分量，如果这体积载荷的三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体积载荷的三个分量计为或统计为三个分布载荷；b.实测或查资料得到索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数；c.在实测或查资料得到索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数的同时，直接测量计算得到初始索结构的实测数据，初始索结构的实测数据是包括索结构集中载荷测量数据、索结构分布载荷测量数据、索结构体积载荷测量数据、所有被监测量的初始数值、所有支承索的初始索力数据、初始索结构模态数据、初始索结构应变数据、初始索结构几何数据、初始索结构支座广义坐标数据、初始索结构角度数据、初始索结构空间坐标数据在内的实测数据，在得到初始索结构的实测数据的同时，测量计算得到包括支承索的无损检测数据在内的能够表达支承索的健康状态的数据，此时的能够表达支承索的健康状态的数据称为支承索初始健康状态数据；所有被监测量的初始数值组成被监测量初始数值向量Co，被监测量初始数值向量Co的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；利用支承索初始健康状态数据以及索结构载荷测量数据建立被评估对象初始损伤向量do，向量do表示用初始力学计算基准模型Ao表示的索结构的被评估对象的初始健康状态；被评估对象初始损伤向量do的元素个数等于N，do的元素与被评估对象是一一对应关系，向量do的元素的编号规则与被评估对象的编号规则相同；如果do的某一个元素对应的被评估对象是索系统中的一根支承索，那么do的该元素的数值代表对应支承索的初始损伤程度，若该元素的...

【技术特征摘要】
1.精简广义位移角度监测载荷问题索识别方法，其特征在于所述方法包括：
a.当索结构承受的载荷虽有变化，但索结构正在承受的载荷没有超出索结
构初始许用载荷时，本方法适用；索结构初始许用载荷指索结构在竣工时的许用
载荷，能够通过常规力学计算获得；本方法统一称被评估的支承索和载荷为“被
评估对象”，设被评估的支承索的数量和载荷的数量之和为N，即“被评估对象”
的数量为N；本方法用名称“核心被评估对象”专指“被评估对象”中的被评估
的支承索，本方法用名称“次要被评估对象”专指“被评估对象”中的被评估的
载荷；确定被评估对象的编号规则，按此规则将索结构中所有的被评估对象编号，
该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；本方法用变量k表示这一编号，
k＝1,2,3,…,N；设索系统中共有M1根支承索，显然核心被评估对象的数量就是
M1；确定指定的被测量点，给所有指定点编号；确定过每一测量点的被测量直
线，给所有指定的被测量直线编号；确定每一被测量直线的被测量的角度坐标分
量，给所有被测量角度坐标分量编号；上述编号在后续步骤中将用于生成向量和
矩阵；“索结构的全部被监测的角度数据”由上述所有被测量角度坐标分量组成；
为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的角度数据”简称为“被监测量”；
所有被监测量的数量之和记为M，M必须大于核心被评估对象的数量，M小于
被评估对象的数量；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，包括物体的自重和惯性力
在内；集中载荷分为集中力和集中力偶两种，在包括笛卡尔直角坐标系在内的坐
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
中力偶分量计为或统计为一个载荷，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；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和幅值来表达；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，而所有分

\t布载荷的作用区域和分布集度的分布特征是不变的；在包括笛卡尔直角坐标系在
内的坐标系中，一个分布载荷可以分解成三个分量，如果这分布载荷的三个分量
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
把这分布载荷的三个分量计为或统计为三个分布载荷，此时一个载荷就代表分布
载荷的一个分量；体积载荷是连续分布于物体内部各点的载荷，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和幅值来表达；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，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；在包括笛卡尔直角坐标系在内的坐标系中，一个体积
载荷可以分解成三个分量，如果这体积载荷的三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体积载荷的三个分量
计为或统计为三个分布载荷；
b.实测或查资料得到索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数；
c.在实测或查资料得到索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数的
同时，直接测量计算得到初始索结构的实测数据，初始索结构的实测数据是包括
索结构集中载荷测量数据、索结构分布载荷测量数据、索结构体积载荷测量数据、
所有被监测量的初始数值、所有支承索的初始索力数据、初始索结构模态数据、
初始索结构应变数据、初始索结构几何数据、初始索结构支座广义坐标数据、初
始索结构角度数据、初始索结构空间坐标数据在内的实测数据，在得到初始索结
构的实测数据的同时，测量计算得到包括支承索的无损检测数据在内的能够表达
支承索的健康状态的数据，此时的能够表达支承索的健康状态的数据称为支承索
初始健康状态数据；所有被监测量的初始数值组成被监测量初始数值向量Co，
被监测量初始数值向量Co的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；利用支
承索初始健康状态数据以及索结构载荷测量数据建立被评估对象初始损伤向量
do，向量do表示用初始力学计算基准模型Ao表示的索结构的被评估对象的初始
健康状态；被评估对象初始损伤向量do的元素个数等于N，do的元素与被评估
对象是一一对应关系，向量do的元素的编号规则与被评估对象的编号规则相同；

\t如果do的某一个元素对应的被评估对象是索系统中的一根支承索，那么do的该
元素的数值代表对应支承索的初始损伤程度，若该元素的数值为0，表示该元素
所对应的支承索是完好的，没有损伤的，若其数值为100％，则表示该元素所对
应的支承索已经完全丧失承载能力，若其数值介于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do的某一个元素对应的被评估对象是某
一个载荷，本方法中取do的该元素数值为0，代表这个载荷的变化的初始数值为
0；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do中与支承索相关的
各元素数值取0；初始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Uo；在实测或查资料得到索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数的
同时，直接测量计算得到所有支承索的初始索力，组成初始索力向量Fo；依据
包括索结构设计数据、竣工数据在内的数据得到所有支承索在自由状态即索力为
0时的长度、在自由状态时的横截面面积和在自由状态时的单位长度的重量，依
次组成支承索的初始自由长度向量、初始自由横截面面积向量和初始自由单位长
度的重量向量，支承索的初始自由长度向量、初始自由横截面面积向量和初始自
由单位长度的重量向量的元素的编号规则与初始索力向量Fo的元素的编号规则
相同；
d.根据索结构的设计图、竣工图和初始索结构的实测数据、支承索初始健
康状态数据、索结构集中载荷测量数据、索结构分布载荷测量数据、索结构体积
载荷测量数据、索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数、初始索结构支
座广义坐标向量Uo和前面步骤得到的所有的索结构数据，建立索结构的初始力
学计算基准模型Ao，基于Ao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Ao的被评估对象健康状态用被评估对象初
始损伤向量do表示；对应于Ao的所有被监测量的初始数值用被监测量初始数值
向量Co表示；第一次建立索结构的当前初始力学计算基准模型Ato和被监测量当
前初始数值向量Cto；第一次建立索结构的当前初始力学计算基准模型Ato和被监
测量当前初始数值向量Cto时，索结构的当前初始力学计算基准模型Ato就等于
索结构的初始力学计算基准模型Ao，被监测量当前初始数值向量Cto就等于被监
测量初始数值向量Co；对应于索结构的当前初始力学计算基准模型Ato的索结构

\t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Uto，第一次建立索结
构的当前初始力学计算基准模型Ato时，Uto就等于Uo；Ato的被评估对象的初始
健康状态与Ao的被评估对象的健康状态相同，也用被评估对象初始损伤向量do表示，在后面的循环过程中Ato的被评估对象的初始健康状态始终用被评估对象
初始损伤向量do表示；Uo和do是Ao的参数，由Ao的力学计算结果得到的所有
被监测量的初始数值与Co表示的所有被监测量的初始数值相同，因此也可以说
Co由Ao的力学计算结果组成；Uto和do是Ato的参数，Cto由Ato的力学计算结果
组成；
e.从这里进入由第e步到第m步的循环；在结构服役过程中，不断实测得
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Ut，向量Ut的定义方式与向量Uo的定义方式相同；
f.根据当前索结构实测支座广义坐标向量Ut，按照步骤f1至f3更新当前初
始力学计算基准模型Ato、当前初始索结构支座广义坐标向量Uto和被监测量当
前初始数值向量Cto；...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩玉林，韩佳邑，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32