温度变化时索力监测的受损索和支座平移递进式识别方法

专利名称：温度变化时索力监测的受损索和支座平移递进式识别方法
技术领域：
斜拉桥、悬索桥、桁架结构等结构有ー个共同点，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，本方法基于索カ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ー称为“索系統”，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)和支座平移位移，属工程结构健康监测领域。
背景技术：
支承索受损和支座发生平移位移对索结构安全是ー项重大威胁，基于结构健康监测技术来识别支座平移位移和索结构的索系统中的受损索是ー种极具潜力的方法。当支座出现位移时、或索系统的健康状态发生变化(例如发生损伤)时、或者两种情况同时发生吋，会引起结构的可测量參数的变化，例如会引起索カ的变化，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，实际上这些可测量參数的变化包含了索系统的健康状态信息、包含了支座平移位移信息，也就是说可以利用结构的可测量參数来识别支座平移位移和受损索。本方法基于索カ监测(本方法将被监测的索力称为“被监测量”)来识别受损索和支座平移位移。被监測量除了受索系统健康状态和支座平移位移的影响外，还会受索结构温度变化(常常会发生)的影响，在索结构温度发生变化的条件下，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和支座平移位移的识别，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。

发明内容
技术问题本方法公开了ー种基于索カ监测的、能够合理有效地识别支座平移位移和受损索的健康监测方法。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”;ニ、建立索结构健康监测系统所需的知识库和參量的方法、基于知识库(含參量)和实测被监测量的结构健康状态评估方法；三、健康监测系统的软件和硬件部分。设索结构的支承索的数量和索结构的支座平移位移分量的数量之和为N。为叙述方便起见，本方法统ー称被评估的支承索和支座平移位移为“被评估对象”，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。
设索系统中共有M1根支承索，结构索カ数据包括这M1根支承索的索力，显然M1小于被评估对象的数量N。仅仅通过M1根支承索的M1个索カ数据来求解未知的N个被评估对象的状态是不可能的，本方法在监测全部M1根支承索索力的基础上，增加对不少于(N-M1)个其他被监测量。增加的不少于(N-M1)个的其他被监测量仍然是索力，叙述如下在结构健康检测系统开始工作前，先在索结构上人为增加M2 (M2不小于N-M1)根索，称为传感索，新増加的M2根传感索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，应当小很多，例如小10倍，新増加的M2根传感索的索力应当较小，例如其横截面正应カ应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新増加的M2根传感索不会发生疲劳损伤，新増加的M2根传感索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛，新増加的M2根传感索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M2根传感索不会发生损伤和松弛，在结构健康监测过程中将监测这新增加的M2根传感索的索力。在本方法中新增加的M2根传感索作为索结构的一部分， 后文再提到索结构时，索结构包括增加M2根传感索前的索结构和新增加的M2根传感索，也就是说后文提到索结构时指包括新增加的M2根传感索的索结构。因此后文提到按照“本方法的索结构的温度測量计算方法”測量计算得到“索结构稳态温度数据”时，其中的索结构包括新增加的M2根传感索，得到的“索结构稳态温度数据”包括新增加的M2根传感索的稳态温度数据，获得新增加的M2根传感索的稳态温度数据的方法同于索结构的M1根支承索的稳态温度数据的获得方法，在后文不再一一交代；測量得到新増加的M2根传感索的索力的方法同于索结构的M1根支承索的索力的測量方法，在后文不再一一交代；对索结构的支承索进行任何測量吋，同时对新増加的M2根传感索进行同样的测量，在后文不再一一交代；新増加的M2根传感索除了不发生损伤和松弛外，新増加的M2根传感索的信息量与索结构的支承索的信息量相同，在后文不再一一交代；新増加的M2根传感索的索力就是增加的不少于(N-M1)个的其他被监测量。在后文建立索结构的各种力学模型时，将新增加的M2根传感索视同索结构的支承索对待，除了提到支承索的损伤和松弛的场合，在其他场合提到支承索时包括新増加的M2根传感索。综合上述被监测量，整个索结构共有M(M = MfM2)根索的M个被监测量，M不得小于被评估对象的数量N。为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的所有參量”简称为“被监測量”。给M个被监測量连续编号，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表示这ー编号，j=l, 2, 3,. . . , Mo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測量计算方法”。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強度的变化而变化、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、減少计算量和降低測量成本，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”，具体如下第一歩，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參数，利用索结构的设计图、竣工图和索结构的几何实测数据，利用这些数据和參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个阴天中每ー个阴天的O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，每ー个阴天的O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參考日温差，參考日温差记为Λ ；。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抜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抜高度的最大变化率△'，为方便叙述取ATh的単位为。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”吋，“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，在每ー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”，測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，在选取的測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，对干支承索沿每ー个測量索结构沿壁厚的温度分布的方向仅仅取ー个点，即仅仅測量支承索的表面点的温度，測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、“測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“相同海抜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，在每ー个海拔高度处，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“測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”;本方法中将在每ー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ー个位置，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ー个位置，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，称为參考平板，该參考平板的一面向阳，称为向阳面，參考平板的向阳面是粗糙的和深色的，參考平板的向阳面应当在全年的每一日都能得到ー块平板在该地所能得到的该日的最充分的日照，參考平板的非向阳面覆有保温材料，将实时监测得到參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，測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ATemax ;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分钟之间的參考平板的向阳面的温度的实测数据序列，參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分钟之间的參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，找到參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，用參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參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Δ Tpmax ;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，每ー个索结构表面温度实测数据序列由ー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，找到每ー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，用每ー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ー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ー个索结构表面点的温度关于时间的变化率，每ー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，计算在每ー个选取的海抜高度处共计BE个“相同海抜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“相同海抜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“相同海抜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，測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，參考平板最大温差ATpmax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，在前面測量计算得到的环境最大误差不大于參考日温差Λ ；，且參考平板最大温差Λ Tpmax减去2摄氏度后不大于Δ Temax,且索结构表面最大温差Δ 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O. 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ー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O. 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ー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ー种称为“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ー个时，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ー个时刻，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測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吋，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”吋，“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Λ Th得到的数值，为方便叙述取Λ Th的単位为。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”中不存在ー个索结构表面点，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”中至少有ー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结构健康监测系统所需的知识库和參量的方法、基于知识库(含參量)和实测被监测量的结构健康状态评估方法。可按如下步骤依次进行，以获得更准确的被评估对象的健康状态评估。第一歩建立初始力学计算基准模型A。，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測量计算方法”測量计算得到“索结构稳态温度数据”(可以用常规温度測量方法測量，例如使用热电阻測量)，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。的同吋，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，使用常规方法直接測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T0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參数(例如热膨胀系数)和力学性能參数(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。的同吋，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、索结构支座初始平移位移測量数据、索结构初始几何数据、索力数据、拉杆拉カ数据、索结构支座坐标数据、索结构模态数据、结构应变数据、结构角度測量数据、结构空间坐标測量数据等实测数据。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。索结构支座初始平移位移測量数据指在建立初始力学计算基准模型A。吋，索结构支座相对于索结构设计状态下的支座所发生的平移位移。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支承索的健康状态的数据以及索结构支座初始平移位移測量数据建立被评估对象初始损伤向量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，如果没有索结构支座初始平移位移測量数据或者可以认为索结构支座初始平移位移为O吋，向量d。的中与索结构支座平移位移相关的各元素数值取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、索结构支座初始平移位移測量数据、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參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。。d。= [dol do2 · · · dok · · · dJT(I)式(I)中d。, (k=l，2，3，.......，N)表示初始力学计算基准模型A0中的第k个被评
估对象的初始状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么Cl。,表示其初始损伤，dok为O时表示无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于O与100%之间时表示丧失相应比例的承载能力，如果该被评估对象是ー个支座的一个平移位移分量，那么CU表示其初始位移数值，T表示向量的转置(后同)。在实测得到T。的同时，也就是在获得索结构稳态温度数据的时刻的同一时刻，使用常规方法直接測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A0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。C0= [C01 C02- · · Coj · · -C0Jt(2)式(2)中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个被监測量。向量C。是由M个被监測量依据一定顺序排列而成，对此排列顺序并无特殊要求，只要求后面所有相关向量也按此顺序排列数据即可。不论用何种方法获得初始力学计算基准模型A。，计入“索结构稳态温度数据”(即初始索结构稳态温度数据向量T。)、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A。计算所得的模拟情况下的索カ计算数据、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A。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，索结构稳态温度数据用初始索结构稳态温度数据向量T。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A。的基础上、进行力学计算得到的、A。的每ー个被监测量的计算数值组成被监测量初始数值向量C。。T。和d。是A。的參数，也可以说C。由A。的力学计算结果组成。第二步循环开始。每一次循环开始时，首先需要建立或已建立本次循环开始时的被评估对象当前初始损伤向量d1。(i = 1，2，3，…)、建立索结构的当前初始力学计算基准模型Aitj (例如有限元基准模型，在每一次循环中Aitj是不断更新的)，Ai。的温度分布用“当前初始索结构稳态温度数据向量Τ1。”表达。字母i除了明显地表示步骤编号的地方外，在本方法中字母i仅表示循环次数，即第i次循环。A。和Ai0计入了温度參数，可以计算温度变化对索结构的力学性能影响。第i次循环开始时需要的被评估对象当前初始损伤向量记为Cli0 (如式(3)所示)，用屮。表示该次循环开始时索结构(用当前初始力学计算基准模型Ai。表示)的被评估对象的健康状态。
<=[も <2 · · · dlak · · ·心]Γ(3)式O)中d^kQ = I, 2，3，…；k=l, 2，3，.......，N)表示第i次循环开始时、当前
初始力学计算基准模型Aitj中的第k个被评估对象的初始状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么d、表示其初始损伤，(1、为O时表示无损伤，为100%时表示该索彻底丧失承载能力，介于O与100%之间时表示丧失相应比例的承载能力，如果该被评估对象是一个支座的一个平移位移分量，那么d、表示其初始位移数值。建立和更新d、的方法如下第一次循环开始时、建立被评估对象当前初始损伤向量(依据式(3)记为d1。)吋，d1。就等于d。。第i (i=2, 3，4，5，6…)次循环开始时需要的被评估对象当前初始损伤向量
d、，是在前一次(即第i-Ι次，i = 2，3，4，5，6…)循环结束前计算获得的，具体方法在后文叙述。第i(i = 1，2，3，4，5，6…)次循环开始时需要建立的力学计算基准模型或已建立的索结构的力学计算基准模型记为当前初始力学计算基准模型A1。。对应于Aitj的“索结构稳态温度数据”用向量Titj表示，称为当前初始索结构稳态温度数据向量Τ1。。向量Titj的定义方式与向量T。的定义方式相同，每一次循环开始时必须建立或已建立称为当前初始索结构稳态温度数据向量デ。。建立、更新Ai0和Titj的方法如下第一次循环开始时建立的索结构的力学计算基准模型记为A^A1。等于A。，!11。等于T00在每一次循环中Aitj和Titj是不断更新的，具体方法在后文叙述；在每一次循环结束吋，更新A10和I"。得到下一次循环开始时所需的索结构的力学计算基准模型，具体方法在后文叙述。本方法用“被监测量当前初始数值向量び。” (i = 1，2，3，···)表示第i次(i =1，2，3，4，5，6···)循环开始时所有指定的被监测量的初始值(參见式(4))，(^。的也可以称为“第i次循环被监测量当前初始数值向量”。Q=[Q C2 . . . Γ；, · · · ComJ(4)式(2)中C、(i = 1,2, 3,-；j=l,2, 3, . . . . , Μ)是第i次循环开始时、索结构中第j个被监測量。向量び。是由前面定义的M个被监測量依据一定顺序排列而成，对此排列顺序并无特殊要求，只要求后面所有相关向量也按此顺序排列数据即可。在建立模型Ai0的同时建立“被监测量当前初始数值向量び。”，被监测量当前初始 数值向量び。表示对应于Aitj的所有被监测量的具体数值，C1。的元素与C。的元素一一对应，分别表示所有被监测量在索结构处于Ai0和A。两种状态时的具体数值。建立和更新Citj的具体方法如下第一次循环开始时，C10 (i = 1，吣具体化为び。)等于(；；第1(1=2，3，4，5，6···)次循环开始时需要的第i次循环“被监测量当前初始数值向量び。”，是在前一次(即第i-1次，i = 2, 3,4, 5,6···)循环结束前计算获得的，具体方法在后文叙述。在第i次(i =1，2，3，4，5，6…)循环中，“被监测量当前初始数值向量び。”是不断更新的，具体方法在后文叙述。由于根据模型Ai0计算所得被监测量的初始数值可靠地接近于相对应的实测数值，在后面的叙述中，将用同一符号来表示该计算值组成向量和实测值组成向量。
Ti0和心是Ai0的特性參数，Ci0是Ai0在Titj和め条件下的力学计算结果组成。第三步在索结构服役过程中，在每一次循环中，或者说在第i (i =1，2，3，4，5，6···)次循环中，在已知Ai0' Ti0, Ci0和^后，按照“本方法的索结构的温度測量计算方法”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 "”，向量Ti的定义方式与向量Τ。的定义方式相同；在实测向量Ti的同时，也就是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，实测得到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C、Ci的元素与C。的元素一一对应，表示相同被监测量在不同时刻的数值。在获得向量Ti后，按照下列具体方法更新Ai0' Ti0, Ci0和め比较Ti和f。，如果Ti等于f。，则不需要对A10进行更新，否则需要对Ai0和Titj进行更新，更新方法是第一步计算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；第ニ步对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Aitj的同吋，Ti。所有元素数值也用Ti的所有元素数值对应代替，即更新了 ，这样就得到了正确地对应于Aitj的Titj ;此时d、保持不变。当更新Ai。后，Aitj的被评估对象的健康状况用被评估对象当前初始损伤向量W。表示，Aitj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，通过力学计算得到Aitj中所有被监测量的、当前的具体数值，用这些具体数值替换C1。中对应的元素，这样就实现了被监测量当前初始数值向量Citj的更新。第四步每一次循环时须先建立“单位损伤被监测量数值单位变化矩阵”和“单位损伤或単位平移位移向量”，第i次循环建立的“単位损伤被监测量数值单位变化矩阵”记为ACi (i=l，2，3^··)。第i次循环建立的“单位损伤或单位平移位移向量”记为Diutl在每ー次循环中ACi和Diu需要根据情况不断更新，即在更新当前初始力学计算基准模型A1。、当前初始索结构稳态温度数据向量Titj和被监测量当前初始数值向量C1。后，更新单位损伤被监測量数值单位变化矩阵ACi和单位损伤或单位平移位移向量Diutl每一次循环开始时先按下述步骤建立単位损伤被监测量数值单位变化矩阵ACi和单位损伤或单位平移位移向量Diu ;如果在第三步中更新了 A1。，那么在本步中必须重新建立(即更新)単位损伤被监测量数值单位变化矩阵ACi和单位损伤或单位平移位移向量Diu ；如果在第三步中没有更新A1。，那么在本步中不必重新建立単位损伤被监测量数值单位变化矩阵Λ Ci和单位损伤或单位平移位移向量Diu ;建立和重新建立(即更新)Δ Ci和Diu的具体过程相同，列如下在索结构的当前初始力学计算基准模型Aitj的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有索的数量。每一次计算假设只有一个被评估对象在原有损伤或支座平移位移(原有损伤或支座平移位移可以为0，也可以不为O)的基础上再増加单位损伤或单位平移位移，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索再增加单位损伤(例如取5%、10%,20%或30%等损伤为单位损伤)，如果该被评估对象是ー个支座的ー个方向的平移位移分量，就假设该支座在该平移位移方向再增加单位平移位移(例如2mm, 5mm, IOmm等为单位平移位移)。为方便计算，姆一次循环中设定增加单位损伤或单位平移位移时可以都是把该次循环开始时的结构健康状态当成是完全健康的，并在此基础上设定单位损伤或単位平移位移(在后续步骤中、计算出的、被评估对象的损伤数值或平移位移-一称为名义损伤CliJi = I, 2，3，…)，都是相对于将该次循环开始时的、将被评估对象的健康状态当成是完全健康而言的，因此必须依据后文给出的公式将计算出的名义损伤換算成真实损伤)。同一次循环的每一次计算中出现单位损伤或単位平移位移的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或単位平移位移的被评估对象，并且每一次假定有单位损伤或单位平移位移的被评估对象的単位损伤值或単位平移位移值可以不同于其他被评估对象的単位损伤值或単位平移位移值，用“单位损伤或单位平移位移向量Di/ (如式(5)所示)记录各次循环中所有被评估对象的假定的单位损伤或单位平移位移，第一次循环时记为D1u,每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)计算索结构的、在前面已指定的M个被监测量的当前计算值，每一次计算所得M个被监测量的当前计算值组成ー个“被监测量计算当前向量”(当假设第k个被评估对象有単位损伤时，可用式(6)表示所有指定的M个被监测量的被监测量计算当前向量Citk);每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监測量当前初始数值向量C1。，所得向量就是此条件下(以有単位损伤的索的位置或编号等为标记)的“被监测量的数值变化向量”(当第k个被评估对象有単位损伤时，用SCik表示被 监测量的数值变化向量，S Cik的定义见式(7)、式(8)和式(9)，式(7)为式(6)减去式(4)后再除以向量Diu的第k个元素Diuk所得)，被监测量的数值变化向量δ Cik的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤或单位平移位移的那个被评估对象(例如第k个被评估对象)的单位损伤或单位平移位移(例如Diuk),而引起的该元素所对应的被监测量的数值改变量相对于假定的单位损伤或単位平移位移数值Diuk的变化率；有N个被评估对象就有N个“被监测量的数值变化向量”，每个被监测量的数值变化向量有M个元素，由这N个“被监测量的数值变化向量”依次组成有MXN个元素的“単位损伤被监测量数值单位变化矩阵Λび” (Μ
行N列)，每ー个向量δ Cik (k = 1，2，3，.......,N)是矩阵Λ Ci的一列，Λ Ci的定义如式
(10)所示。Dl=[D'ul 礼· · ·凡· · · D1iinJ(5)式(5)中单位损伤或单位平移位移向量Diu的元素ETuk (i=l，2，3，…；k =
1.2,3,.......，N)表示第i次循环中假定的第k个被评估对象的单位损伤或单位平移位移
数值，向量Diu中的各元素的数值可以相同也可以不同。(I2 · · · Q · · · CtmJ(6)式(6)中元素Citkj (i = 1,2, 3,... ；k = 1,2, 3,.......，N;j=l，2，3，.......,Μ)
表示第i次循环由于第k个被评估对象有单位损伤或单位平移位移吋，依据编号规则所对应的第j个指定的被监测量的计算当前数值。δ(ト^^(7)式(7)中各量的上标i (i = 1，2，3，...)表示第i次循环，下标k (k =
1.2,3,.......,N)表示第k个被评估对象增加的单位损伤或单位平移位移，式中Diuk
是向量Diu中的第k个元素。向量SCik的定义如式(7)和式(8)所示，SCik的第j(j=l，2，3，.......，M)个元素δ Ciw(定义如式(9)所示)表示第i次循环中，建立矩阵ACi吋，假定第k个被评估对象有单位损伤或单位平移位移时计算所得第j个被监测量的改变量相对于假定的单位损伤或単位平移位移Diuk的变化率。
权利要求
1.一种温度变化时索力监测的受损索和支座平移递进式识别方法，其特征在于所述方法包括 a.为叙述方便起见，本方法统ー称被评估的支承索和支座平移位移分量为被评估对象，设被评估的支承索的数量和支座平移位移分量的数量之和为N，即被评估对象的数量为N ;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表示这ー编号，k = 1，2，3，. . .，N ;设索系统中共有M1根支承索，索结构索カ数据包括这M1根支承索的索 力，显然M1小于被评估对象的数量N ;仅仅通过M1个支承索的M1个索カ数据来求解未知的N个被评估对象的状态是不可能的，本方法在监测全部M1根支承索索力的基础上，在索结构上人为增加M2根索，称为传感索，在索结构健康监测过程中将监测这新増加的M2根传感索的索力；综合上述被监测量，整个索结构共有M根索的M个索カ被监测，即有M个被监測量，其中M为M1与M2之和；M应当大于被评估对象的数量N ;新増加的M2根传感索的刚度同索结构的任意一根支承索的刚度相比，应当小得多；新増加的M2根传感索的各传感索的索力应当比索结构的任意一根支承索的索力小得多，这样可以保证即使这新増加的M2根传感索出现了损伤或松弛，对索结构其他构件的应力、应变、变形的影响微乎其微；新増加的M2根传感索的横截面上正应カ应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新増加的M2根传感索不会发生疲劳损伤；新増加的M2根传感索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新増加的M2根传感索应当得到充分的防腐蚀保护，保证新增加的M2根传感索不会发生损伤和松弛；为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的所有參量”简称为“被监測量”;给M个被监測量连续编号，本方法用用变量j表示这ー编号，j=l，2，3，. . .，M，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵；在本方法中新增加的M2根传感索作为索结构的一部分，后文再提到索结构时，索结构包括增加M2根传感索前的索结构和新増加的M2根传感索，也就是说后文提到索结构时指包括新增加的M2根传感索的索结构；因此后文提到按照“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”吋，其中的索结构包括新増加的M2根传感索，得到的“索结构稳态温度数据”包括新增加的M2根传感索的稳态温度数据，获得新增加的M2根传感索的稳态温度数据的方法同于索结构的M1根支承索的稳态温度数据的获得方法，在后文不再一一交代；測量得到新増加的M2根传感索的索力的方法同于索结构的M1根支承索的索力的測量方法，在后文不再一一交代；对索结构的支承索进行任何測量吋，同时对新増加的M2根传感索进行同样的测量，在后文不再一一交代；新増加的M2根传感索除了不发生损伤和松弛外，对新增加的M2根传感索的信息量的要求和获得方法与索结构的支承索的信息量的要求和获得方法相同，在后文不再--交代；在后文建立索结构的各种力学模型时，将新增加的M2根传感索视同索结构的支承索对待；在后文中，除了提到支承索的损伤和松弛的场合外，当提到支承索时所说的支承索包括索结构的支承索和新増加的M2根传感索；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，測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測量计算方法”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參数，利用索结构的设计图、竣工图和索结构的几何实测数据，利用这些数据和參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个阴天中每ー个阴天的O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，每ー个阴天的O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參考日温差，參考日温差记为△ I；;查询索结构所在地和所在海抜区间不少于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抜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抜高度的最大变化率△'，为方便叙述取ATh的単位为。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抜到最高海拔之间，在索结构上均布选取不少于三个不同的海抜高度，在每ー个选取的海抜高度处、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，在选取的測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，沿每ー个測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，对于支承索沿每ー个測量索结构沿壁厚的温度分布的方向仅仅取ー个点，即仅仅测量支承索的表面点的温度，測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、“測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，在每ー个海拔高度处，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“測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”;本方法中将在每ー个选取的海抜高度处“相同海抜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ー个位置，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ー个位置，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，称为參考平板，參考平板与地面不可接触，參考平板离地面距离不小于I. 5米，该參 考平板的一面向阳，称为向阳面，參考平板的向阳面是粗糙的和深色的，參考平板的向阳面应当在全年的每一日都能得到ー块平板在该地所能得到的该日的最充分的日照，參考平板的非向阳面覆有保温材料，将实时监测得到參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ATemax ；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分钟之间的參考平板的向阳面的温度的实测数据序列，參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分钟之间的參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，找到參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，用參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參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，称为參考平板最大温差，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，每ー个索结构表面温度实测数据序列由ー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，找到每ー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，用每ー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ー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ー个索结构表面点的温度关于时间的变化率，每ー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，计算在每ー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“相同海抜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“相同海抜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Δ Ttmax ; b3 :測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，參考平板最大温差Λ 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，在前面測量计算得到的环境最大误差ΛΤ_Χ不大于參考日温差Λ ；，且參考平板最大温差ATpmax减去2摄氏度后不大于Λ Temax，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0.1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ー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O. 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ー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” Λ Ttmax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ー个时，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ー个时刻，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測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“ΗΒΕ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“ΗΒΕ个索结构沿厚度温度实测数据”与“ΗΒΕ个索结构沿厚度温度计算数据”对应相等吋，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”，“ΗΒΕ个索结构沿厚度温度实测数据”称为“ΗΒΕ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”吋，“ 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Λ Th得到的数值，为方便叙述取Λ Th的単位为。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”中不存在ー个索结构表面点，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抜高度数值之间；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”中至少有ー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ー个点； c.按照“本方法的索结构的温度測量计算方法”直接測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參数；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，直接測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、索结构支座初始平移位移測量数据、所有被监测量的初始数值、所有支承索的初始索カ数据、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、初始索结构支座坐标数据、初始索结构角度数据、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。，被监测量初始数值向量C。的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；利用能表达支承索的健康状态的无损检测数据以及索结构支座初始平移位移測量数据建立被评估对象初始损伤向量d。，向量d。表示用初始力学计算基准模型A。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d。的元素个数等干N，d。的元素与被评估对象是一一对应关系，向量d。的元素的编号规则与被评估对象的编号规则相同；如果d。的某ー个元素对应的被评估对象是索系统中的一根支承索，那么d。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O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d。的某ー个元素对应的被评估对象是某ー个支座的某一个平移位移分量，那么d。的该元素的数值代表这个支座的该平移位移分量的初始数值；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。中与支承索相关的各元素数值取.0，如果没有索结构支座初始平移位移測量数据或者可以认为索结构支座初始平移位移为O吋，向量d。中与索结构支座平移位移相关的各元素数值取O ;初始索结构支座坐标数据指索结构设计状态下的支座坐标数据，索结构支座初始平移位移測量数据指在建立初始力学计算基准模型A。时，索结构支座相对于索结构设计状态下的支座所发生的平移位移； 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、索结构支座初始平移位移測量数据、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參数、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。的被评估对象健康状态用被评估对象初始损伤向量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。和d。是A。的參数，由A。的力学计算结果得到的所有被监测量的初始数值与C0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K、C。、d。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Α^，Α。和Aitj计入了温度參数，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Ti。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被评估对象当前初始损伤向量记为(!し屮。表示该次循环开始时索结构Ai0的被评估对象的健康状态，Cli0的定义方式与d。的定义方式相同，W。的元素与d。的元素一一对应；第i次循环开始时，所有被监测量的初始值，用被监測量当前初始数值向量Ci。表示，向量び。的定义方式与向量C。的定义方式相同，C1。的元素与C。的元素一一对应，被监测量当前初始数值向量び。表示对应于Aitj的所有被监测量的具体数值；1"。和士。是Aitj的特性參数，C1。由Ai0的力学计算结果组成；第一次循环开始时，Aitj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，Cli0记为d1。，建立d1。的方法为使d1。等于d。；第一次循环开始吋，Ci0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；在结构服役过程中，按照“本方法的索结构的温度測量计算方法”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T。的定义方式相同，Ti的元素与T。的元素一一对应；在实测得到向量Ti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，Ci的元素与C。的元素一一对应，表示相同被监测量在不同时刻的数值；在实测得到当前索结构稳态温度数据向量Ti的同吋，对新增加的M2根传感索进行无损检测，从中鉴别出出现损伤或松弛的传感索，依据被监测量编号规则，从本方法之前出现的按照被监测量编号规则编号的各向量中去除与鉴别出的出现损伤或松弛的传感索对应的元素，在本方法之后出现的各向量和矩阵中也不再出现与鉴别出的出现损伤或松弛的传感索对应的元素，在本方法之后提到传感索时不再包括这里被鉴别出出现损伤或松弛的传感索，在本方法之后提到被监测量时不再包括这里被鉴别出出现损伤或松弛的传感索的索力；从索结构上鉴别出几根出现损伤或松弛的传感索，就将M2和M减小同样的数量； g.根据当前索结构稳态温度数据向量T1,按照步骤gl至g3更新当前初始力学计算基准模型A1。、被监测量当前初始数值向量び。和当前初始索结构稳态温度数据向量Τ1。，而被评估对象当前初始损伤向量W。保持不变； gl.比较Ti与f。，如果Ti等于f。，则A1。、Ci0和Titj保持不变；否则需要按下列步骤对 Ai0和Ti0进行更新；g2.计算Ti与T。的差，Ti与Τ。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Τ。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.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A1。的同吋，Ti。所有元素数值也用Ti的所有元素数值对应代替，即更新了 Τ1。，这样就得到了正确地对应于Aitj的Titj ;此时必保持不变；当更新Aitj后，Aitj的索的健康状况用被评估对象当前初始损伤向量必表示，Aitj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，更新C1。的方法是当更新Aitj后，通过力学计算得到Aitj中所有被监测量的、当前的具体数值，这些具体数值组成び。； 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，通过计算建立単位损伤被监测量数值单位变化矩阵ACi和单位损伤或单位平移位移向量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Λ 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Λ 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被评估对象的数量N，有N个评估对象就有N次计算；依据被评估对象的编号规贝1J，依次进行计算；每一次计算假设只有一个被评估对象在原有损伤或平移位移的基础上再増加单位损伤或单位平移位移，具体的，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么就假设该支承索再增加单位损伤，如果该被评估对象是ー个支座的ー个方向的平移位移分量，就假设该支座在该位移方向再增加单位平移位移，用Diuk记录这一増加的単位损伤或単位平移位移，其中k表示増加单位损伤或单位平移位移的被评估对象的编号，Diuk是单位损伤或单位平移位移向量Diu的ー个元素，单位损伤或单位平移位移向量Diu的元素的编号规则与向量d。的元素的编号规则相同；每一次计算中再增加单位损伤或单位平移位移的被评估对象不同于其它次计算中再増加单位损伤或单位平移位移的被评估对象，每一次计算都利用力学方法计算索结构的所有被监测量的当前计算值，每一次计算得到的所有被监测量的当前计算值组成ー个被监測量计算当前向量；当假设第k个被评估对象再増加单位损伤或单位平移位移时，用Citk表示对应的“被监测量计算当前向量”;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ー个兀素，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\k的定义方式与向量C。的定义方式相同，C1tk的兀素与C。的兀素对应； h3.每一次计算得到的向量Citk减去向量C1。得到ー个向量，再将该向量的每ー个元素都除以本次计算所假设的单位损伤或单位平移位移数值后得到ー个“被监测量的数值变化向量δ CY ;有N个被评估对象就有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”按照N个被评估对象的编号规则，依次组成有N列的“单位损伤被监测量数值单位变化矩阵△ Ci”;単位损伤被监测量数值单位变化矩阵ACi的每一列对应于一个被监測量单位变化向量；单位损伤被监测量数值单位变化矩阵 ACi的每一行对应于同一个被监測量在不同被评估对象増加单位损伤或单位平移位移时的不同的单位变化幅度；单位损伤被监测量数值单位变化矩阵ACi的列的编号规则与向量d。的元素的编号规则相同，単位损伤被监测量数值单位变化矩阵ACi的行的编号规则与M个被监测量的编号规则相同； i.定义当前名义损伤向量 < 和当前实际损伤向量dSd1。和Cli的元素个数等干支承索的数量，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与被评估对象初始损伤向量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.依据被监測量当前数值向量Ci同“被监测量当前初始数值向量C1。”、“单位损伤被监測量数值单位变化矩阵八び”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中除札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d1。； k.利用式2表达的当前实际损伤向量Cli的第k个元素Clik同被评估对象当前初始损伤向量必的第k个元素d、和当前名义损伤向量札的第k个元素Clidt间的关系，计算得到 当前实际损伤向量Cli的所有元素；_ I I-(I-Cliok)(I-Jick),如果该元素对应于一根支承索K \dlk+dk,:如果该元素对应于ー个支.座的ー个平移位移分量^2式2中k = 1，2，3，……，N ；(1\表示第i次循环中第k个被评估对象的当前实际健康状态，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么Clik表示其当前实际损伤，Clik为O时表不无损伤，为100%时表不该支承索彻底丧失承载能力，介于O与100%之间时表不丧失相应比例的承载能力，如果该被评估对象是ー个支座的一个平移位移分量，那么Clik表示其当前实际平移位移数值，向量Cli的元素的编号规则与式(I)中向量d。的元素的编号规则相同； I.在求得当前名义损伤向量札后，按照式3建立标识向量Bi,式4给出了标识向量Bi的第k个元素的定义； /r :[β; $···#:··· AT式 3 式4 式4中元素Bik是标识向量Bi的第k个元素，Diuk是单位损伤或単位平移位移向量Diu的第k个元素，Click是被评估对象当前名义损伤向量札的第k个元素，它们都表示第k个被评估对象的相关信息，式4中k = 1，2，3，......，N ; m.如果标识向量B1的元素全为O,则回到步骤f继续本次循环；如果标识向量B1的元素不全为0，则进入下一歩、即步骤η ; η.根据式5计算得到下一次、即第i+1次循环所需的被评估对象当前初始损伤向量di+1。的每ー个元素；'+1 _J I-(I-^ok)(I-DiukBik),如果该元素对应丁·- ·根支承索 °k {dh+DlkB1k,如果该元素对应丁·- ·个支座的-·个平移位移分量ュ° 式5中(T1。,是下一次、即第i+Ι次循环所需的被评估对象当前初始损伤向量di+1。的第k个元素，d、是本次、即第i次循环的被评估对象当前初始损伤向量ポ。的第k个元素，Diuk是第i次循环的单位损伤或单位平移位移向量Diu的第k个元素，Bik是第i次循环的标识向量Bi的第k个元素，式5中k = 1,2, 3，……，N; ο.取下一次、即第i+Ι次循环所需的当前初始索结构稳态温度数据向量Ti+1。等于第i次循环的当前初始索结构稳态温度数据向量Titj ； P.在初始力学计算基准模型A。的基础上，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，再令索的健康状况为di+1。后得到的就是下一次、SP第i+Ι次循环所需的力学计算基准模型Ai+1 ;得到Ai+1后，通过力学计算得到Ai+1中所有被监测量的、当前的具体数值，这些具体数值组成下一次、即第i+Ι次循环所需的被监测量当前初始数值向量Ci+1。； q.回到步骤f，开始下一次循环。
全文摘要
温度变化时索力监测的受损索和支座平移递进式识别方法基于索力监测、通过监测支座平移位移、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，得到新的计入支座平移位移、受损索损伤程度、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单位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，据此可以在有和温度变化时，比较准确地识别受损索和支座平移位移。
文档编号G01K13/00GK102706651SQ20121017287
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者万江, 韩佳邑, 韩玉林 申请人:东南大学