CN105067310A - 精简空间坐标监测载荷受损索广义位移识别方法 - Google Patents

Abstract

精简空间坐标监测载荷受损索广义位移识别方法基于空间坐标监测，通过建立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。

Description

精简空间坐标监测载荷受损索广义位移识别方法

技术领域

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。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。在支承索受损时，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同时发生变化，实际上即使索结构的健康状态不发生变化，索结构承受的载荷也可能单独发生变化，在这种复杂条件下，本方法基于空间坐标监测(本方法将被监测的空间坐标称为“被监测量”)来识别支座广义位移和受损索，属工程结构健康监测领域。

背景技术

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；剔除载荷变化、索结构健康状态变化对索结构支座广义位移识别结果的影响，从而准确地识别索结构支座广义位移，也是目前迫切需要解决的问题；本方法公开了一种解决这两个问题的有效的、廉价的方法。

发明内容

技术问题：本方法公开了一种方法，在造价更低的条件下，实现了两种功能，分别是，一、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；二、本方法还能够剔除载荷变化和索结构健康状态变化对索结构支座广义位移识别结果的影响，从而准确地识别索结构支座广义位移。

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。

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”具体指“集中载荷的大小的变化程度”，“载荷的实际变化量”是指“集中载荷的大小的实际变化量”，“发生变化的载荷”是指“大小发生变化的集中载荷”，简单地说，此时“某某载荷的某某变化”是指“某某集中载荷的大小的某某变化”。

当载荷具体化为分布载荷时，在本方法中，“载荷单位变化”实际上是指“分布载荷的分布集度的幅值的单位变化”，而分布载荷的分布特征是不变的，类似的，“载荷变化”具体指“分布载荷的分布集度的幅值的变化”，而分布载荷的分布特征是不变的，“载荷变化量”具体指“分布载荷的分布集度的幅值的变化量”，“载荷变化程度”具体指“分布载荷的分布集度的幅值的变化程度”，“载荷的实际变化量”具体指“分布载荷的分布集度的幅值的实际变化量”，“发生变化的载荷”是指“分布集度的幅值发生变化的分布载荷”，简单地说，此时“某某载荷的某某变化”是指“某某分布载荷的分布集度的幅值的某某变化”，而所有分布载荷的作用区域和分布集度的分布特征是不变的。

当载荷具体化为体积载荷时，在本方法中，“载荷单位变化”实际上是指“体积载荷的分布集度的幅值的单位变化”，类似的，“载荷变化”是指“体积载荷的分布集度的幅值的变化”，“载荷变化量”是指“体积载荷的分布集度的幅值的变化量”，“载荷变化程度”是指“体积载荷的分布集度的幅值的变化程度”，“载荷的实际变化量”是指“体积载荷的分布集度的幅值的实际变化量”，“发生变化的载荷”是指“分布集度的幅值发生变化的体积载荷”，简单地说，“某某载荷的某某变化”是指“某某体积载荷的分布集度的幅值的某某变化”，而所有体积载荷的作用区域和分布集度的分布特征是不变的。

首先确认索结构承受的可能发生变化的载荷的数量。根据索结构所承受的载荷的特点，确认其中“所有可能发生变化的载荷”，或者将所有的载荷视为“所有可能发生变化的载荷”，设共有JZW个可能发生变化的载荷，即共有JZW个次要被评估对象。

设索结构的支座广义位移分量的数量、索结构的支承索的数量和JZW个“所有可能发生变化的载荷”的数量之和为N，即共有N个被评估对象。给被评估对象连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。

设被评估的支承索和支座广义位移分量的数量之和为P，即核心被评估对象的数量为P，设被评估的支座广义位移分量的数量为Z，设被评估的支承索的数量为M₁。

“结构的全部被监测的空间坐标数据”由结构上K个指定点的、及每个指定点的L个指定方向的空间坐标来描述，结构空间坐标数据的变化就是K个指定点的所有空间坐标分量的变化。每次共有M(M＝K×L)个空间坐标测量值或计算值来表征结构空间坐标信息。

综合上述被监测量，整个索结构共有M个被监测量，M应当大于核心被评估对象的数量，M小于被评估对象的数量。

为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的所有参量”简称为“被监测量”。给M个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。本方法用用变量j表示这一编号，j＝1,2,3,…,M。

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.建立索结构的初始力学计算基准模型A_o(例如有限元基准模型)的方法，建立与A_o对应的被监测量初始数值向量C_o的方法。被监测量初始数值向量C_o的编号规则与M个被监测量的编号规则相同。建立A_o和C_o的方法如下。

在索结构竣工之时，或者在建立结构健康监测系统前，使用常规方法直接测量计算得到索结构的所有被监测量的初始数值，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物理参数和力学性能参数(例如弹性模量、泊松比)，还必须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首先是包括支承索的无损检测数据在内的能够表达索的健康状态的数据，索结构的实测计算数据还是包括索结构支座初始广义位移测量数据、索结构初始几何数据、索力数据、拉杆拉力数据、初始索结构支座广义坐标数据、索结构模态数据、结构应变数据、结构角度测量数据、结构空间坐标测量数据和载荷数据在内的实测数据。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。索结构支座初始广义位移测量数据指在建立初始力学计算基准模型A_o时，索结构支座相对于索结构设计状态下的支座所发生的广义位移。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。“所有可能发生变化的载荷”的变化量在建立初始力学计算基准模型A_o时全部为0，也就是说后面识别出的“所有可能发生变化的载荷”的变化量是相对于建立初始力学计算基准模型A_o时结构所承受的对应载荷的变化量。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、索结构支座初始广义位移测量数据以及“所有可能发生变化的载荷”的变化量数据建立被评估对象初始损伤向量d_o(如式(1)所示)，用d_o表示索结构(用初始力学计算基准模型A_o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_o的中与支承索相关的各元素数值取0。向量d_o中与载荷的变化量相关的各元素数值取0。如果没有索结构支座初始广义位移测量数据或者可以认为索结构支座初始广义位移为0时，向量d_o的中与索结构支座广义位移相关的各元素数值取0。利用索结构的设计图、竣工图和初始索结构的实测数据、索结构支座初始广义位移测量数据、支承索的无损检测数据和索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数，利用力学方法(例如有限元法)建立初始力学计算基准模型A_o。

d_o＝[d_o1d_o2···d_ok···d_oN]^T(1)

式(1)中d_ok(k＝1,2,3,…….,N)表示初始力学计算基准模型A_o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_ok表示其初始损伤，d_ok为0时表示无损伤，为100％时表示该索彻底丧失承载能力，介于0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广义位移分量，那么d_ok表示其初始位移数值；如果该被评估对象是一个“可能发生变化的载荷”，那么d_ok表示其初始数值，d_ok为0，也就是说后面识别出的“所有可能发生变化的载荷”的变化量是相对于建立初始力学计算基准模型A_o时结构所承受的对应载荷的变化量。上标T表示向量的转置(后同)。

在获得A_o的同时，使用常规方法直接测量计算得到的索结构的所有被监测量的初始数值，组成被监测量初始数值向量C_o(见式(2))。被监测量初始数值向量C_o表示对应于A_o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。

C_o＝[C_o1C_o2···C_oj···C_oM]^T(2)

式(2)中C_oj(j＝1,2,3,…….,M)是索结构中第j个被监测量的初始量，该分量依据编号规则对应于特定的第j个被监测量。

不论用何种方法获得初始力学计算基准模型A_o，基于A_o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_o计算所得的模拟情况下的索力计算数据、应变计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度数据、索结构空间坐标数据等，可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。模型A_o中被评估对象的健康状态用被评估对象初始损伤向量d_o表示。由于基于A_o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_o的基础上、进行力学计算得到的、A_o的每一个被监测量的计算数值组成被监测量初始数值向量C_o。d_o是A_o的参数，也可以说C_o由A_o的力学计算结果组成。

索结构中所有被监测量的当前值组成被监测量当前数值向量C(定义见式(3))。

C＝[C₁C₂···C_j···C_M]^T(3)

式(3)中C_j(j＝1,2,3,…….,M)是索结构中第j个被监测量的当前值，该分量C_j依据编号规则与C_oj对应于同一“被监测量”。在索结构服役过程中不断实测得到索结构的所有被监测量的当前实测数值，组成被监测量当前数值向量C。

2.建立索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的方法。

建立索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的具体方法如下：

在索结构的初始力学计算基准模型A_o的基础上进行若干次计算，计算次数数值上等于所有被评估对象的数量。每一次计算假设只有一个被评估对象在原有损伤或广义位移或载荷(用向量d_o的对应元素表示)的基础上再增加单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化，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有单位损伤(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一个载荷，就假设该载荷在向量d_o表示的该载荷已有变化量的基础上再增加载荷单位变化(如果该载荷是分布载荷，且该分布载荷是线分布载荷，载荷单位变化可以取1kN/m、2kN/m、3kN/m或1kNm/m、2kNm/m、3kNm/m等为单位变化；如果该载荷是分布载荷，且该分布载荷是是面分布载荷，载荷单位变化可以取1MPa、2MPa、3MPa或1kNm/m²、2kNm/m²、3kNm/m²等为单位变化；如果该载荷是集中载荷，且该集中载荷是力偶，载荷单位变化可以取1kNm、2kNm、3kNm等为单位变化；如果该载荷是集中载荷，且该集中载荷是集中力，载荷单位变化可以取1kN、2kN、3kN等为单位变化；如果该载荷是体积载荷，载荷单位变化可以取1kN/m³、2kN/m³、3kN/m³等为单位变化)，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的广义位移分量，就假设该支座在该位移方向在向量d_o表示的该支座已有广义位移的基础上再发生单位广义位移(例如如果该被评估对象是一个支座的x方向的线位移分量，就假设该支座在x方向有单位线位移，例如取1mm，如果该被评估对象是一个支座的绕x轴的角位移分量，就假设该支座绕x轴有单位角位移，例如取十万分之一弧度)，用D_uk记录这一单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化，其中k表示发生单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的被评估对象的编号。用“被评估对象单位变化向量D_u”(如式(4)所示)记录所有的单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化。每一次计算中出现单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的被评估对象不同于其它次计算中出现单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的被评估对象，每一次计算都利用力学方法(例如有限元法)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一个被监测量计算当前向量(当假设第k个被评估对象有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化时，可用式(5)表示被监测量计算当前向量)；每一次计算得到被监测量计算当前向量减去被监测量当前初始数值向量C^t _o后再除以该次计算所假设的单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化数值D_uk，所得向量就是此条件下(以有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的被评估对象的编号为标记)的被监测量单位变化向量(当第k个被评估对象有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化时，用δC_k表示被监测量单位变化向量，定义见式(6))，被监测量单位变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化的那个被评估对象的单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化而引起的该元素所对应的被监测量的单位改变量；有N个被评估对象就有N个被监测量单位变化向量，由于有M个被监测量，所以每个被监测量单位变化向量有M个元素，由这N个被监测量单位变化向量依次组成有M×N个元素的被监测量单位变化矩阵ΔC，ΔC的定义如式(6)所示。

D_u＝[D_u1D_u2···D_uk···D_uN]^T(4)

式(4)中被评估对象单位变化向量D_u的元素D_uk(k＝1,2,3,…….,N)表示第k个被评估对象的单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化数值。

$C_t^k={\left[\begin{array}{cccccccccc}{C}_{t1}^k& C_{t2}^k& \·& \·& \·& C_{tj}^k& \·& \·& \·& C_{tM}^k\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$

式(5)中元素C_tj ^k(k＝1,2,3,…….,N；j＝1,2,3,…….,M)表示由于第k个被评估对象有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化时，依据编号规则所对应的第j个被监测量的当前计算量。

${\mathrm{\δC}}_k=\frac{C_t^k-C_o^t}{D_{uk}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\Δ}C=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\ΔC}}_{1,1}& {\mathrm{\ΔC}}_{1,2}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{1,k}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{1,N}\\ {\mathrm{\ΔC}}_{2,1}& {\mathrm{\ΔC}}_{2,2}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{2,k}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{2,N}\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ {\mathrm{\ΔC}}_{j,1}& {\mathrm{\ΔC}}_{j,2}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{j,k}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{j,N}\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ {\mathrm{\ΔC}}_{M,1}& {\mathrm{\ΔC}}_{M,2}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{M,k}& \·& {\mathrm{\ΔC}}_{M,N}\end{array}\right]---\left(7\right)$

式(7)中ΔC_j,k(k＝1,2,3,…….,N；j＝1,2,3,…….,M)表示仅由于第k个被评估对象有单位广义位移、单位损伤或载荷单位变化而引起的、依据编号规则所对应的第j个被监测量的计算当前数值的单位变化(代数值)，被监测量单位变化向量δC_k实际上是矩阵ΔC中的一列。

3.被监测量当前数值向量C(计算或实测)同被监测量初始数值向量C_o、单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和被评估对象当前名义损伤向量d间的近似线性关系，如式(8)或式(9)所示。被评估对象当前名义损伤向量d的定义参见式(10)。

C＝C_o+ΔC·d(8)

C-C_o＝ΔC·d(9)

d＝[d₁d₂···d_k···d_N]^T(10)

式(10)中d_k(k＝1,2,3,…….,N)是索结构中第k个被评估对象的当前健康状态，如果该被评估对象是索系统中的一根索(或拉杆)，那么d_k表示其当前损伤，d_k为0时表示无损伤，为100％时表示该索彻底丧失承载能力，介于0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广义位移分量，那么d_k表示其当前位移数值，如果该被评估对象是一个载荷，那么d_k表示其变化量。

可用式(11)定义的线性关系误差向量e表示式(8)或式(9)所示线性关系的误差。

e＝abs(ΔC·d-C+C_o)(11)

式(11)中abs()是取绝对值函数，对括号内求得的向量的每一个元素取绝对值。

本方法的第二部分：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。

由于式(8)或式(9)所表示的线性关系存在一定误差，因此不能简单根据式(8)或式(9)和实测被监测量当前数值向量C来直接求解得到被评估对象当前名义损伤向量d。如果这样做了，得到的被评估对象当前名义损伤向量d中的元素甚至会出现较大的负值，也就是负损伤，这明显是不合理的。因此获得被评估对象当前名义损伤向量d的可接受的解(即带有合理误差，但可以比较准确地从索系统中确定受损索的位置及其损伤程度、也可以比较准确地确定载荷变化数值、也可以比较准确地确定支座广义位移数值)成为一个合理的解决方法，可用式(12)来表达这一方法。

abs(ΔC·d-C+C_o)≤g(12)

式(12)中abs()是取绝对值函数，向量g描述偏离理想线性关系(式(8)或式(9))的合理偏差，由式(13)定义。

g＝[g₁g₂···g_j···g_M]^T(13)

式(13)中g_j(j＝1,2,3,…….,M)描述了偏离式(8)或式(9)所示的理想线性关系的最大允许偏差。向量g可根据式(11)定义的误差向量e试算选定。

在被监测量当前初始数值向量C^t _o、单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC、实测被监测量当前数值向量C已知时，可以利用合适的算法(例如多目标优化算法)求解式(12)，获得被评估对象当前名义损伤向量d的可接受的解。

定义被评估对象当前实际损伤向量d^a(见式(14))，可由d^a确定被评估对象的健康状态。

$d^a={\[{\begin{array}{cccccccccc}{d}_1^a& d_2^a& \·& \·& \·& d_k^a& \·& \·& \·& d\end{array}}_N^a\]}^T---\left(14\right)$

式(14)中d^a _k(k＝1,2,3,…….,N)表示剔除了载荷变化对健康状态识别结果的影响后的、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索(或拉杆)，那么d^a _k表示其当前实际损伤，其定义见式(15)，d^a _k为0时表示无损伤，为100％时表示该索彻底丧失承载能力，介于0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广义位移分量，其定义见式(15)，那么d^a _k表示其当前实际广义位移数值；如果该被评估对象是一个载荷，其定义见式(15)，那么d^a _k表示其相对于建立初始力学计算基准模型A_o时结构所承受的对应载荷的变化量。向量d^a的元素的编号规则与式(1)中向量d_o的元素的编号规则相同。

式(15)中d_ok(k＝1,2,3,…….,N)是向量d_o的第k个元素，d_k是向量d的第k个元素。

至此本方法以一种有效的、廉价的方法实现了核心被评估对象的健康状态的准确识别。对次要被评估对象的健康状态的识别结果可能偏离准确值较多，在本方法中仅要求正确识别核心被评估对象的健康状态。

本方法的第三部分：健康监测系统的软件和硬件部分。

硬件部分包括监测系统(包括被监测量监测系统)、信号采集器和计算机等。要求实时监测每一个被监测量。

软件应当能够完成本方法中所需要的、可以用计算机实现的监测、记录、控制、存储、计算、通知、报警等功能。

本方法具体包括：

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座广义位移分量、支承索和载荷为被评估对象，设被评估的支座广义位移分量的数量、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；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；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和支座广义位移分量，设被评估的支承索和支座广义位移分量的数量之和为P，即核心被评估对象的数量为P，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；设索系统中共有M₁根支承索；确定指定的将被监测空间坐标的被测量点，给所有指定点编号；确定过每一测量点的将被监测的空间坐标分量，给所有被测量空间坐标分量编号；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空间坐标数据”由上述所有被测量空间坐标分量组成；为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的空间坐标数据”简称为“被监测量”；所有被监测量的数量之和记为M，M应当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.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、索结构支座初始广义位移测量数据、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、初始索结构支座广义坐标数据、初始索结构角度数据和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C_o，被监测量初始数值向量C_o的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；利用索结构支座初始广义位移测量数据、支承索初始健康状态数据和索结构载荷测量数据建立被评估对象初始损伤向量d_o，向量d_o表示用初始力学计算基准模型A_o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_o的元素个数等于N，d_o的元素与被评估对象是一一对应关系，向量d_o的元素的编号规则与被评估对象的编号规则相同；如果d_o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d_o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d_o的某一个元素对应的被评估对象是某一个支座的某一个广义位移分量，那么d_o的该元素的数值代表这个支座的该广义位移分量的初始数值；如果d_o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d_o的该元素数值为0，代表这个载荷的变化的初始数值为0；如果没有索结构支座初始广义位移测量数据或者可以认为索结构支座初始广义位移为0时，向量d_o中与索结构支座广义位移相关的各元素数值取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d_o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指索结构设计状态下的支座广义坐标数据，索结构支座初始广义位移测量数据指在建立初始力学计算基准模型A_o时，索结构支座相对于索结构设计状态下的支座所发生的广义位移；在测量计算得到初始索结构的实测数据的同时，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.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、索结构支座初始广义位移测量数据、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A_o，基于A_o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_o的被评估对象健康状态用被评估对象初始损伤向量d_o表示；对应于A_o的所有被监测量的初始数值用被监测量初始数值向量C_o表示；T_o和d_o是A_o的参数，由A_o的力学计算结果得到的所有被监测量的初始数值与C_o表示的所有被监测量的初始数值相同，因此也可以说C_o由A_o的力学计算结果组成；

d.从这里进入由第d步到第k步的循环；

e.在初始力学计算基准模型A_o的基础上按照步骤e1至e3进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和被评估对象单位变化向量D_u；

e1.在索结构的初始力学计算基准模型A_o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则，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广义位移或载荷的基础上再增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化，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在向量d_o表示的该支承索已有损伤的基础上再增加单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的广义位移分量，就假设该支座在该位移方向再增加单位广义位移，如果该被评估对象是一个载荷，就假设该载荷在向量d_o表示的该载荷已有变化量的基础上再增加载荷单位变化，用D_uk记录这一增加的单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化，其中k表示增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象的编号，D_uk是被评估对象单位变化向量D_u的一个元素，被评估对象单位变化向量D_u的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同；每一次计算中增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象不同于其它次计算中增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象，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一个被监测量计算当前向量，被监测量计算当前向量的元素编号规则与被监测量初始数值向量C_o的元素编号规则相同；

e2.每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量初始数值向量C_o得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以该次计算所假设的单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化数值，得到一个被监测量单位变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量单位变化向量；

e3.由这N个被监测量单位变化向量按照N个被评估对象的编号规则，依次组成有N列的索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC；索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的每一列对应于一个被监测量单位变化向量；索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的每一行对应于同一个被监测量在不同被评估对象增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化时的不同的单位变化程度；索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的列的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同，索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的行的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；

f.实测得到索结构的所有被监测量的当前实测数值，组成被监测量当前数值向量C；被监测量当前数值向量C和被监测量初始数值向量C_o的定义方式相同，两个向量的相同编号的元素表示同一被监测量在不同时刻的具体数值；

g.定义被评估对象当前名义损伤向量d，被评估对象当前名义损伤向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前名义损伤向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前名义损伤向量d的元素数值代表对应被评估对象的名义损伤程度或名义广义位移或名义载荷变化量；向量d的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同；

h.依据被监测量当前数值向量C同被监测量初始数值向量C_o、索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和待求的被评估对象当前名义损伤向量d间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出被评估对象当前名义损伤向量d；

C＝C_o+ΔC·d式1

i.定义被评估对象当前实际损伤向量d^a，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素数值代表对应被评估对象的实际损伤程度或实际广义位移或实际载荷变化量；向量d^a的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同；

j.利用式2表达的被评估对象当前实际损伤向量d^a的第k个元素d^a _k同被评估对象初始损伤向量d_o的第k个元素d_ok和被评估对象当前名义损伤向量d的第k个元素d_k间的关系，计算得到被评估对象当前实际损伤向量d^a的所有元素；

式2

式2中k＝1,2,3,…….,N，d^a _k表示第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d^a _k表示其当前实际损伤，d^a _k为0时表示无损伤，为100％时表示该支承索彻底丧失承载能力，介于0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广义位移分量，那么d^a _k表示其当前实际广义位移数值；如果该被评估对象是一个载荷，那么d^a _k表示该载荷的实际变化量；所以根据被评估对象当前实际损伤向量d^a能够确定有哪些支承索受损及其损伤程度，确定有哪些支座发生了广义位移及其数值，确定有哪些载荷发生了变化及其变化的数值；至此本方法实现了剔除支座广义位移和载荷变化的影响的、索结构的受损索识别，实现了剔除载荷变化和支承索健康状态变化影响的、支座广义位移的识别，实现了剔除支座广义位移和支承索健康状态变化影响的、载荷变化量的识别；至此本方法以一种有效的、廉价的方法实现了核心被评估对象的健康状态的准确识别；对次要被评估对象的健康状态的识别结果偏离准确值较多，因此不予采信，在本方法中仅要求正确识别核心被评估对象的健康状态；

k.回到第d步，开始由第d步到第k步的下一次循环。

有益效果：结构健康监测系统首先通过使用传感器对结构响应进行长期在线监测，获得监测数据后对其进行在线(或离线)分析得到结构健康状态数据，由于结构的复杂性，结构健康监测系统需要使用大量的传感器等设备进行结构健康监测，因此其造价通常相当高，因此造价问题是制约结构健康监测技术应用的一个主要问题。另一方面，核心被评估对象(例如斜拉索)的健康状态的正确识别是结构健康状态的正确识别的不可或缺的组成部分，甚至是其全部，而次要被评估对象(例如结构承受的载荷)的变化(例如通过斜拉桥的汽车的数量和质量的变化)的正确识别对索结构的健康状态的正确识别的影响是微乎其微的，甚至是不需要的。但是次要被评估对象的数量与核心被评估对象的数量通常是相当的，次要被评估对象的数量还常常大于核心被评估对象的数量，这样被评估对象的数量常常是核心被评估对象的数量的多倍。在次要被评估对象(载荷)发生变化时，为了准确识别核心被评估对象，常规方法要求被监测量(使用传感器等设备测量获得)的数量必须大于等于被评估对象的数量，当发生变化的次要被评估对象的数量比较大时(实际上经常如此)，结构健康监测系统所需要的传感器等设备的数量是非常庞大的，因此结构健康监测系统的造价就会变得非常高，甚至高得不可接受。发明人研究发现，在次要被评估对象(例如结构承受的正常载荷，结构的正常载荷是指结构正在承受的载荷不超过按照结构设计书或结构竣工书所限定的结构许用载荷)变化较小时(对于载荷而言就是结构仅仅承受正常载荷，结构承受的载荷是否是正常载荷，能够通过肉眼等方法观察确定，如果发现结构承受的载荷不是正常载荷，那么人为去除、移除非正常载荷后，结构就只承受正常载荷了)，它们所引起的结构响应的变化幅度(本说明书称其为“次要响应”)远小于核心被评估对象的变化(例如支承索受损)所引起的结构响应的变化幅度(本说明书称其为“核心响应”)，次要响应与核心响应之和是结构响应的总变化(本说明书称其为“总体响应”)，显然核心响应在总体响应中占据主导地位，基于此，发明人研究发现在确定被监测量数量时即使选取稍大于核心被评估对象数量、但远小于被评估对象数量的数值(本方法就是这样做的)，也就是说即使采用数量相对少很多的传感器等设备，仍然可以准确获得核心被评估对象的健康状态数据，满足结构健康状态监测的核心需求，因此本方法所建议的结构健康监测系统的造价显而易见地比常规方法所要求的结构健康监测系统的造价低很多，也就是说本方法能够以造价低得多的条件实现对索结构的核心被评估对象的健康状态的评估，这种益处是对结构健康监测技术能否被采用是举足轻重的。

具体实施方式

本方法的实施例的下面说明实质上仅仅是示例性的，并且目的绝不在于限制本方法的应用或使用。

第一步：首先确认索结构承受的可能发生变化的载荷的数量。根据索结构所承受的载荷的特点，确认其中“所有可能发生变化的载荷”，或者将所有的载荷视为“所有可能发生变化的载荷”，设共有JZW个可能发生变化的载荷，即共有JZW个次要被评估对象。

设索结构的支座广义位移分量的数量、索结构的支承索的数量和JZW个“所有可能发生变化的载荷”的数量之和为N，即共有N个被评估对象。给被评估对象连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。

设被评估的支承索和支座广义位移分量的数量之和为P，即核心被评估对象的数量为P，设被评估的支座广义位移分量的数量为Z，设被评估的支承索的数量为M₁。

“结构的全部被监测的空间坐标数据”由结构上K个指定点的、及每个指定点的L个指定方向的空间坐标来描述，结构空间坐标数据的变化就是K个指定点的所有空间坐标分量的变化。每次共有M(M＝K×L)个空间坐标测量值或计算值来表征结构空间坐标信息。

综合上述被监测量，整个索结构共有M个被监测量，M不得小于核心被评估对象的数量加4，M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参量”简称为“被监测量”。给M个被监测量连续编号，该编号在后续步骤中将用于生成向量和矩阵。本方法用用变量j表示这一编号，j＝1,2,3,…,M。

第二步：建立初始力学计算基准模型A_o。

在索结构竣工之时，或者在建立健康监测系统前，使用常规方法直接测量计算得到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_o。

在得到被监测量初始数值向量C_o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物理参数和力学性能参数(例如弹性模量、泊松比)。

在得到被监测量初始数值向量C_o的同时，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、索结构初始几何数据、索力数据、拉杆拉力数据、初始索结构支座广义坐标数据、初始索结构支座广义坐标数据、索结构支座初始广义位移测量数据、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、索结构模态数据、结构应变数据、结构角度测量数据、结构空间坐标测量数据等实测数据。初始索结构支座广义坐标数据指索结构设计状态下的支座广义坐标数据，索结构支座初始广义位移测量数据指在建立初始力学计算基准模型A_o时，索结构支座相对于索结构设计状态下的支座所发生的广义位移。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。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、索结构支座初始广义位移测量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d_o(如式(1)所示)，用d_o表示索结构(用初始力学计算基准模型A_o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_o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广义位移测量数据或者可以认为索结构支座初始广义位移为0时，向量d_o的中与索结构支座广义位移相关的各元素数值取0；如果d_o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d_o的该元素数值为0，代表这个载荷的变化的初始数值为0。利用索结构的设计图、竣工图和初始索结构的实测数据、支承索的无损检测数据和索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数，利用力学方法(例如有限元法)建立初始力学计算基准模型A_o。

不论用何种方法获得初始力学计算基准模型A_o，基于A_o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_o计算所得的模拟情况下的索力计算数据、应变计算数据、索结构形状计算数据和位移计算数据、索结构角度数据、索结构空间坐标数据等，可靠地接近所模拟情况真实发生时的实测数据。模型A_o中支承索的健康状态用被评估对象初始损伤向量d_o表示。由于基于A_o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_o的基础上、进行力学计算得到的、A_o的每一个被监测量的计算数值组成被监测量初始数值向量C_o。对应于A_o的被评估对象健康状态用被评估对象初始损伤向量d_o表示；对应于A_o的所有被监测量的初始数值用被监测量初始数值向量C_o表示。d_o是A_o的参数，C_o由A_o的力学计算结果组成。

第三步：在索结构服役过程中，实测得到索结构的所有被监测量的当前实测数值，组成“被监测量当前数值向量C”。

第四步：在初始力学计算基准模型A_o的基础上进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和被评估对象单位变化向量D_u。具体方法为：在索结构的初始力学计算基准模型A_o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，有N个被评估对象就有N次计算，每一次计算假设只有一个被评估对象在原有损伤或原有广义位移分量或载荷的基础上再增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化，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在向量d_o表示的该支承索已有损伤的基础上再增加单位损伤(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一个支座的一个方向的广义位移分量，就假设该支座在该位移方向在向量d_o表示的该支座已有广义位移的基础上再发生单位广义位移(例如如果该被评估对象是一个支座的x方向的线位移分量，就假设该支座在x方向有单位线位移，例如取1mm，如果该被评估对象是一个支座的绕x轴的角位移分量，就假设该支座绕x轴有单位角位移，例如取十万分之一弧度)，如果该被评估对象是一个载荷，就假设该载荷在向量d_o表示的该载荷已有变化量的基础上再增加载荷单位变化(如果该载荷是分布载荷，且该分布载荷是线分布载荷，载荷单位变化可以取1kN/m、2kN/m、3kN/m或1kNm/m、2kNm/m、3kNm/m等为单位变化；如果该载荷是分布载荷，且该分布载荷是是面分布载荷，载荷单位变化可以取1MPa、2MPa、3MPa或1kNm/m²、2kNm/m²、3kNm/m²等为单位变化；如果该载荷是集中载荷，且该集中载荷是力偶，载荷单位变化可以取1kNm、2kNm、3kNm等为单位变化；如果该载荷是集中载荷，且该集中载荷是集中力，载荷单位变化可以取1kN、2kN、3kN等为单位变化；如果该载荷是体积载荷，载荷单位变化可以取1kN/m³、2kN/m³、3kN/m³等为单位变化)，用D_uk记录这一单位损伤或载荷单位变化，其中k表示发生单位损伤或单位广义位移或发生载荷单位变化的被评估对象的编号；每一次计算中出现单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象不同于其它次计算中出现单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象，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一个被监测量计算当前向量C，被监测量计算当前向量的元素编号规则与被监测量初始数值向量C_o的元素编号规则相同；每一次计算得到的被监测量计算当前向量C减去被监测量初始数值向量C_o后再除以该次计算所假设的单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化数值，得到一个被监测量单位变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量单位变化向量；由这N个被监测量单位变化向量依次组成有N列的单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC；单位损伤被监测量数值变化矩阵的每一列对应于一个被监测量单位变化向量，索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的每一行对应于同一个被监测量在不同被评估对象发生单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化时的不同的单位变化幅度；索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的列的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同，索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的行的编号规则与M个被监测量的编号规则相同。

第五步：建立线性关系误差向量e和向量g。利用前面的数据(被监测量初始数值向量C_o、单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC)，在第四步进行每一次计算的同时，即在每一次计算假设被评估对象中只有一个被评估对象的增加单位损伤或单位广义位移载荷单位变化D_uk，每一次计算中增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象不同于其它次计算中增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象，每一次计算都利用力学方法(例如采用有限元法)计算索结构中所有被监测量的当前数值，每一次计算组成一个被监测量计算当前向量C的同时，每一次计算组成一个损伤向量d，本步出现的损伤向量d只在本步使用，损伤向量d的所有元素中只有一个元素的数值取D_uk，其它元素的数值取0，损伤向量d的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同；将C、C^t _o、ΔC、D_u、d带入式(12)，得到一个线性关系误差向量e，每一次计算得到一个线性关系误差向量e；有N个被评估对象就有N次计算，就有N个线性关系误差向量e，将这N个线性关系误差向量e相加后得到一个向量，将此向量的每一个元素除以N后得到的新向量就是最终的线性关系误差向量e。向量g等于最终的误差向量e。

第六步：安装索结构健康监测系统的硬件部分。硬件部分至少包括：被监测量监测系统(例如含空间坐标测量系统、信号调理器等)、信号(数据)采集器、计算机和通信报警设备。每一个被监测量都必须被监测系统监测到，监测系统将监测到的信号传输到信号(数据)采集器；信号经信号采集器传递到计算机；计算机则负责运行索结构的被评估对象的健康监测软件，包括记录信号采集器传递来的信号；当监测到被评估对象健康状态有变化时，计算机控制通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。

第七步：将被监测量初始数值向量C_o、单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC、被评估对象单位变化向量D_u参数以数据文件的方式保存在运行健康监测系统软件的计算机硬盘上。

第八步：编制并在计算机上安装运行本方法系统软件，该软件将完成本方法任务所需要的监测、记录、控制、存储、计算、通知、报警等功能(即本具体实施方法中所有可以用计算机完成的工作)

第九步：依据被监测量当前数值向量C同被监测量初始数值向量C_o、单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC、被评估对象单位变化向量D_u和被评估对象当前名义损伤向量d(由所有索当前名义损伤量组成)间存在的近似线性关系(式(8))，按照多目标优化算法计算被评估对象当前名义损伤向量d的非劣解，也就是带有合理误差、但可以比较准确地反映被评估对象的健康状态的变化的解。

可以采用的多目标优化算法有很多种，例如：基于遗传算法的多目标优化、基于人工神经网络的多目标优化、基于粒子群的多目标优化算法、基于蚁群算法的多目标优化、约束法(ConstrainMethod)、加权法(WeightedSumMethod)、目标规划法(GoalAttainmentMethod)等等。由于各种多目标优化算法都是常规算法，可以方便地实现，本实施步骤仅以目标规划法为例给出求解当前损伤向量d的过程，其它算法的具体实现过程可根据其具体算法的要求以类似的方式实现。

按照目标规划法，式(8)可以转化成式(16)和式(17)所示的多目标优化问题，式(16)中γ是一个实数，R是实数域，空间区域Ω限制了向量d的每一个元素的取值范围(本实施例要求向量d的每一个元素不小于0，不大于1)。式(16)的意思是寻找一个最小的实数γ，使得式(17)得到满足。式(17)中G(d)由式(18)定义，式(17)中加权向量W与γ的积表示式(17)中G(d)与向量g之间允许的偏差，g的定义参见式(13)，其值已在第五步计算得到。实际计算时向量W可以与向量g相同。目标规划法的具体编程实现已经有通用程序可以直接采用。使用目标规划法就可以求得被评估对象当前名义损伤向量d。

minimizeγ

(16)

γ∈R,d∈Ω

G(d)-Wγ≤g(17)

G(d)＝abs(ΔC·d-C+C_o)(18)

被评估对象当前名义损伤向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前名义损伤向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前名义损伤向量d的元素数值代表对应被评估对象的名义广义位移、名义损伤程度或名义载荷变化程度；向量d的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同。

第十步：定义被评估对象当前实际损伤向量d^a，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素数值代表对应被评估对象的实际损伤程度或实际广义位移或实际载荷变化程度；向量d^a的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同。利用式(15)表达的被评估对象当前实际损伤向量d^a的第k个元素d^a _k同被评估对象初始损伤向量d_o的第k个元素d_ok和被评估对象当前名义损伤向量d的第k个元素d_k间的关系，计算得到被评估对象当前实际损伤向量d^a的所有元素。

d^a _k表示第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d^a _k表示其当前实际损伤，d^a _k为0时表示无损伤，为100％时表示该支承索彻底丧失承载能力，介于0与100％之间时表示丧失相应比例的承载能力。

d^a _k表示第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一个支座的一个广义位移分量，那么d^a _k表示其当前实际广义位移数值。

d^a _k表示第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一个载荷，其定义见式(15)，那么d^a _k表示其相对于建立初始力学计算基准模型A_o时结构所承受的对应载荷的变化量；所以根据被评估对象当前实际损伤向量d^a能够确定有哪些支承索受损及其损伤程度，同时能够确定有哪些载荷发生了变化及其数值。

至此本方法以一种有效的、廉价的方法实现了核心被评估对象的健康状态的准确识别。对次要被评估对象的健康状态的识别结果可能偏离准确值较多，在本方法中仅要求正确识别核心被评估对象的健康状态。

第十一步：健康监测系统中的计算机定期自动或由人员操作健康监测系统生成索系统健康情况报表。

第十二步：在指定条件下，健康监测系统中的计算机自动操作通信报警设备向监控人员、业主和(或)指定的人员报警。

第十三步：回到第三步，开始由第三步到第十三步的循环。

Claims (1)

1.精简空间坐标监测载荷受损索广义位移识别方法，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座广义位移分量、支承索和载荷为被评估对象，设被评估的支座广义位移分量的数量、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；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；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和支座广义位移分量，设被评估的支承索和支座广义位移分量的数量之和为P，即核心被评估对象的数量为P，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；设索系统中共有M₁根支承索；确定指定的将被监测空间坐标的被测量点，给所有指定点编号；确定过每一测量点的将被监测的空间坐标分量，给所有被测量空间坐标分量编号；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空间坐标数据”由上述所有被测量空间坐标分量组成；为方便起见，在本方法中将“索结构的被监测的空间坐标数据”简称为“被监测量”；所有被监测量的数量之和记为M，M应当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.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、索结构支座初始广义位移测量数据、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、初始索结构支座广义坐标数据、初始索结构角度数据和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C_o，被监测量初始数值向量C_o的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；利用索结构支座初始广义位移测量数据、支承索初始健康状态数据和索结构载荷测量数据建立被评估对象初始损伤向量d_o，向量d_o表示用初始力学计算基准模型A_o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_o的元素个数等于N，d_o的元素与被评估对象是一一对应关系，向量d_o的元素的编号规则与被评估对象的编号规则相同；如果d_o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d_o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d_o的某一个元素对应的被评估对象是某一个支座的某一个广义位移分量，那么d_o的该元素的数值代表这个支座的该广义位移分量的初始数值；如果d_o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d_o的该元素数值为0，代表这个载荷的变化的初始数值为0；如果没有索结构支座初始广义位移测量数据或者可以认为索结构支座初始广义位移为0时，向量d_o中与索结构支座广义位移相关的各元素数值取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d_o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指索结构设计状态下的支座广义坐标数据，索结构支座初始广义位移测量数据指在建立初始力学计算基准模型A_o时，索结构支座相对于索结构设计状态下的支座所发生的广义位移；在测量计算得到初始索结构的实测数据的同时，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.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、索结构支座初始广义位移测量数据、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A_o，基于A_o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_o的被评估对象健康状态用被评估对象初始损伤向量d_o表示；对应于A_o的所有被监测量的初始数值用被监测量初始数值向量C_o表示；T_o和d_o是A_o的参数，由A_o的力学计算结果得到的所有被监测量的初始数值与C_o表示的所有被监测量的初始数值相同，因此也可以说C_o由A_o的力学计算结果组成；

d.从这里进入由第d步到第k步的循环；

e.在初始力学计算基准模型A_o的基础上按照步骤e1至e3进行若干次力学计算，通过计算获得索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和被评估对象单位变化向量D_u；

e1.在索结构的初始力学计算基准模型A_o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则，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广义位移或载荷的基础上再增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化，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在向量d_o表示的该支承索已有损伤的基础上再增加单位损伤，如果该被评估对象是一个支座的一个方向的广义位移分量，就假设该支座在该位移方向再增加单位广义位移，如果该被评估对象是一个载荷，就假设该载荷在向量d_o表示的该载荷已有变化量的基础上再增加载荷单位变化，用D_uk记录这一增加的单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化，其中k表示增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象的编号，D_uk是被评估对象单位变化向量D_u的一个元素，被评估对象单位变化向量D_u的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同；每一次计算中增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象不同于其它次计算中增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化的被评估对象，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一个被监测量计算当前向量，被监测量计算当前向量的元素编号规则与被监测量初始数值向量C_o的元素编号规则相同；

e2.每一次计算得到的被监测量计算当前向量减去被监测量初始数值向量C_o得到一个向量，再将该向量的每一个元素都除以该次计算所假设的单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化数值，得到一个被监测量单位变化向量，有N个被评估对象就有N个被监测量单位变化向量；

e3.由这N个被监测量单位变化向量按照N个被评估对象的编号规则，依次组成有N列的索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC；索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的每一列对应于一个被监测量单位变化向量；索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的每一行对应于同一个被监测量在不同被评估对象增加单位损伤或单位广义位移或载荷单位变化时的不同的单位变化程度；索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的列的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同，索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC的行的编号规则与M个被监测量的编号规则相同；

f.实测得到索结构的所有被监测量的当前实测数值，组成被监测量当前数值向量C；被监测量当前数值向量C和被监测量初始数值向量C_o的定义方式相同，两个向量的相同编号的元素表示同一被监测量在不同时刻的具体数值；

g.定义被评估对象当前名义损伤向量d，被评估对象当前名义损伤向量d的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前名义损伤向量d的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前名义损伤向量d的元素数值代表对应被评估对象的名义损伤程度或名义广义位移或名义载荷变化量；向量d的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同；

h.依据被监测量当前数值向量C同被监测量初始数值向量C_o、索结构单位损伤被监测量数值变化矩阵ΔC和待求的被评估对象当前名义损伤向量d间存在的近似线性关系，该近似线性关系可表达为式1，式1中除d外的其它量均为已知，求解式1就可以算出被评估对象当前名义损伤向量d；

C＝C_o+ΔC·d式1

i.定义被评估对象当前实际损伤向量d^a，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素个数等于被评估对象的数量，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素和被评估对象之间是一一对应关系，被评估对象当前实际损伤向量d^a的元素数值代表对应被评估对象的实际损伤程度或实际广义位移或实际载荷变化量；向量d^a的元素的编号规则与向量d_o的元素的编号规则相同；

j.利用式2表达的被评估对象当前实际损伤向量d^a的第k个元素d^a _k同被评估对象初始损伤向量d_o的第k个元素d_ok和被评估对象当前名义损伤向量d的第k个元素d_k间的关系，计算得到被评估对象当前实际损伤向量d^a的所有元素；

式2

式2中k＝1,2,3,…….,N，d^a _k表示第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d^a _k表示其当前实际损伤，d^a _k为0时表示无损伤，为100％时表示该支承索彻底丧失承载能力，介于0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广义位移分量，那么d^a _k表示其当前实际广义位移数值；如果该被评估对象是一个载荷，那么d^a _k表示该载荷的实际变化量；所以根据被评估对象当前实际损伤向量d^a能够确定有哪些支承索受损及其损伤程度，确定有哪些支座发生了广义位移及其数值，确定有哪些载荷发生了变化及其变化的数值；至此本方法实现了剔除支座广义位移和载荷变化的影响的、索结构的受损索识别，实现了剔除载荷变化和支承索健康状态变化影响的、支座广义位移的识别，实现了剔除支座广义位移和支承索健康状态变化影响的、载荷变化量的识别；至此本方法以一种有效的、廉价的方法实现了核心被评估对象的健康状态的准确识别；对次要被评估对象的健康状态的识别结果偏离准确值较多，因此不予采信，在本方法中仅要求正确识别核心被评估对象的健康状态；

k.回到第d步，开始由第d步到第k步的下一次循环。