CN105067345A - 精简索力监测载荷问题索广义位移识别方法 - Google Patents

Abstract

精简索力监测载荷问题索广义位移识别方法基于索力监测，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

精简索力监测载荷问题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。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。在支承索出现健康问题时，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，实际上即使支承索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，本方法基于索力监测(本方法将被监测的索力称为“被监测量”)来识别支座广义位移和问题索，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。

支承索自由状态(此时索张力也称索力为0)下的索长度(称为自由长度，本方法专指支承索两支承端点间的那段索的自由长度)会发生变化，本方法的目的之一就是要识别出自由长度发生了变化的支承索，并识别出它们的自由长度的改变量，此改变量为该索的索力调整提供了直接依据，为了方便，本方法将自由长度发生变化的支承索统称为松弛索。

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。

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，索结构索力数据包括这M₁根支承索的索力，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增加的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个索力被监测，即有M个被监测量，其中M为M₁与M₂之和；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；新增加的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；新增加的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增加的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；新增加的M₂根传感索的横截面上正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的M₂根传感索不会发生疲劳损伤；新增加的M₂根传感索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的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参量”简称为“被监测量”；给M个被监测量连续编号，本方法用用变量j表示这一编号，j＝1,2,3,…,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；测量得到新增加的M₂根传感索的索力的方法同于索结构的M₁根支承索的索力的测量方法，在后文不再一一交代；对索结构的支承索进行任何测量时，同时对新增加的M₂根传感索进行同样的测量，在后文不再一一交代；新增加的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，在后文不再一一交代；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增加的M₂根传感索；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、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、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，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，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F_o；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F_o的元素的编号规则相同；

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；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；在结构服役过程中，不断对新增加的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；

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；在实测得到被监测量当前数值向量C的同一时刻，实测得到索结构中所有M₁根支承索的索力数据，所有这些索力数据组成当前索力向量F，向量F的元素与向量F_o的元素的编号规则相同；在实测得到被监测量当前数值向量C的同一时刻，实测计算得到所有M₁根支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离，所有支承索的两个支承端点水平距离数据组成当前支承索两支承端点水平距离向量，当前支承索两支承端点水平距离向量的元素的编号规则与初始索力向量F_o的元素的编号规则相同；

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，d^a _k为0时表示第k个被评估对象无健康问题，d^a _k数值不为0时表示第k个被评估对象是有健康问题的被评估对象，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么d^a _k表示其当前健康问题的严重程度，有健康问题的支承索可能是松弛索、也可能是受损索，d^a _k数值反应了该支承索的松弛或损伤的程度；从这些有健康问题的支承索中鉴别出受损索，剩下的就是松弛索，被评估对象当前实际损伤向量d^a中与松弛索对应于的元素数值表达的是与松弛索松弛程度力学等效的当前实际等效损伤程度；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；鉴别出松弛索后，利用被评估对象当前实际损伤向量d^a表达的这些松弛索的、与其松弛程度力学等效的当前实际等效损伤程度，利用在第f步获得的当前索力向量F和当前支承索两支承端点水平距离向量，利用在第b步获得的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、初始索力向量F_o，利用在第b步获得的索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数，通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、与当前实际等效损伤程度等效的松弛程度，力学等效条件是：一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数、密度及材料的力学特性参数相同；二、松弛或损伤后，两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同；满足上述两个力学等效条件时，这样的两根支承索在索结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受损索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然；依据前述力学等效条件求得那些被判定为松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由长度的改变量，也就是确定了那些需调整索力的支承索的索长调整量；这样就实现了支承索的松弛识别和损伤识别；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，所以根据被评估对象当前实际损伤向量d^a能够识别出问题索，确定有哪些支座发生了广义位移及其数值，能够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、索结构的问题索识别，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，结构索力数据包括这M₁根支承索的索力，本方法在监测全部M₁根支承索索力的基础上，增加M₂个其他被监测量。

增加的M₂个其他被监测量仍然是索力，叙述如下：

在结构健康监测系统开始工作前，先在索结构上人为增加M₂(M₂不小于4)根索，称为传感索，新增加的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20倍，新增加的M₂根传感索的索力应当较小，例如其横截面正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的M₂根传感索不会发生疲劳损伤，新增加的M₂根传感索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛，新增加的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。

还可以采用多增加传感索的方式来保证健康监测的可靠性，例如使M₂不小于8，在结构健康监测过程中只挑选其中的完好的传感索的索力数据(和支承索的索力数据一起称为实际可以使用的被监测量，记录其数量为K，K不得小于4+M₁)和对应的索结构被监测量单位变化矩阵ΔC进行健康状态评估。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。新增加的M₂根传感索应当安装在结构上、人员易于到达的部位，便于人员对其进行无损检测。

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测量计算方法”测量计算得到“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；测量得到新增加的M₂根传感索的索力的方法同于索结构的M₁根支承索的索力的测量方法，在后文不再一一交代；对索结构的支承索进行任何测量时，同时对新增加的M₂根传感索进行同样的测量，在后文不再一一交代；新增加的M₂根传感索除了不发生损伤和松弛外，新增加的M₂根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。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M₁根支承索对待，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增加的M₂根索。

综合上述被监测量，整个索结构共有M(M＝M₁+M₂)根索的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。

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。

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，利用其中的支承索的弹性模量数据组成支承索初始弹性模量向量E_o；在得到被监测量初始数值向量C_o的同一时刻，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F_o；依据索结构设计数据、竣工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l_o、初始自由横截面面积向量A_o和初始自由单位长度的重量向量ω_o，支承索初始弹性模量向量E_o、支承索的初始自由长度向量l_o、初始自由横截面面积向量A_o和初始自由单位长度的重量向量ω_o的元素的编号规则与初始索力向量F_o的元素的编号规则相同。

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”。

在得到被监测量当前数值向量C的同一时刻，实测得到索结构中所有M₁根支承索的索力数据，所有这些索力数据组成当前索力向量F，向量F的元素与向量F_o的元素的编号规则相同；在得到被监测量当前数值向量C的同一时刻，实测计算得到所有M₁根支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离，所有M₁根支承索的两个支承端点水平距离数据组成当前支承索两支承端点水平距离向量l_x，当前支承索两支承端点水平距离向量l_x的元素的编号规则与初始索力向量F_o的元素的编号规则相同。

在实测得到被监测量当前数值向量C的同时，对新增加的M₂根传感索进行无损检测，例如超声波探伤、目视检查、红外成像检查，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。

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或载荷单位变化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(1)，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。

e＝abs(ΔC·d-C+C_o)(1)

式(1)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。

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(例如含索力测量系统、信号调理器等)、支承索的支承端点的空间坐标监测系统、信号(数据)采集器、计算机和通信报警设备。每一个被监测量、每一根支承索的索力、每一根支承索的支承端点的空间坐标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(2))，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。

C＝C_o+ΔC·d(2)

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(2)可以转化成式(3)和式(4)所示的多目标优化问题，式(3)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。式(3)的意思是寻找一个最小的实数γ，使得式(4)得到满足。式(4)中G(d)由式(5)定义，式(4)中加权向量W与γ的积表示式(4)中G(d)与向量g之间允许的偏差。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。

$\begin{array}{cc}\min imize& \mathrm{\γ}\\ \mathrm{\γ}\∈R,& d\∈\mathrm{\Ω}\end{array}---\left(3\right)$

G(d)-Wγ≤g(4)

G(d)＝abs(ΔC·d-C+C_o)(5)

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时表示其对应的支承索无健康问题，d^a _k数值不为0时表示其对应的支承索是有健康问题的支承索，有健康问题的支承索可能是松弛索、也可能是受损索，其数值反应了松弛或损伤的程度。

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，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。

将被评估对象当前实际损伤向量d^a中与支承索相关的M₁个元素取出，组成支承索当前实际损伤向量d^ca，支承索当前实际损伤向量d^ca的元素的编号规则与初始索力向量F_o的元素的编号规则相同。支承索当前实际损伤向量d^ca的第h个元素表示索结构中第h根支承索的当前实际损伤量，h＝1,2,3,…….,M₁；支承索当前实际损伤向量d^ca中数值不为0的元素对应于有健康问题的支承索，从这些有健康问题的支承索中鉴别出受损索，剩下的就是松弛索。鉴别的方法多种多样，可以通过去除有健康问题的支承索的保护层，对支承索进行目视鉴别，或者借助光学成像设备进行目视鉴别，也可以通过无损检测方法对支承索是否受损进行鉴别，超声波探伤就是一种目前广泛使用的无损检测方法。鉴别后那些没有发现损伤的、有健康问题的支承索就是发生了松弛的索，就是需调整索力的索，就是松弛索，这些需调整索力的索在支承索当前实际损伤向量d^ca中所对应的元素数值(例如其中一个元素可用d^ca _h表示)表示与这些支承索的松弛程度力学等效的损伤程度，由此就确定了松弛索，具体松弛量的计算方法在下面说明。依据支承索当前实际损伤向量d^ca，从有健康问题的支承索中鉴别出松弛索后，剩下的就是受损索，这些受损索在支承索当前实际损伤向量d^ca中对应的元素的数值就表示其损伤程度，对应元素的数值为100％时表示该支承索彻底丧失承载能力，介于0与100％之间时表示该支承索丧失相应比例的承载能力，至此便识别出了受损索及其损伤程度。

利用支承索当前实际损伤向量d^ca、利用在第三步获得的当前索力向量F和当前支承索两支承端点水平距离向量l_x，利用在第二步获得的支承索初始弹性模量向量E_o、支承索的初始自由长度向量l_o、初始自由横截面面积向量A_o和初始自由单位长度的重量向量ω_o，利用在第二步获得的索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数，通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、与当前实际等效损伤程度等效的松弛程度，具体地可以依据式(6)或式(7)可以求得这些索的松弛程度(即索长调整量)。这样就实现了支承索的松弛识别。至此便全部识别了受损索和松弛索。

${\mathrm{\Δl}}_h=\frac{d_h^{ca}}{1-d_h^{ca}}\frac{F_h}{E_{oh}{A}_{oh}+F_h}{l}_{oh}---6)$

${\mathrm{\Δl}}_h=\frac{d_h^{ca}}{1-d_h^{ca}}\frac{F_h}{\[\frac{E_{oh}}{1+\frac{{\left({\mathrm{\ω}}_{oh}{l}_{xh}\right)}^2{A}_{oh}{E}_{oh}}{12{\left(F_h\right)}^3}}\]A_{oh}+F_h}{l}_{oh}---\left(7\right)$

式(6)和式(7)中E_oh是向量E_o的第h个元素，是在建立索结构的初始力学计算基准模型A_o的同一时刻，第h根支承索的弹性模量，A_oh是在建立索结构的初始力学计算基准模型A_o的同一时刻，第h根支承索的横截面面积，ω_oh是在建立索结构的初始力学计算基准模型A_o的同一时刻，第h根支承索的单位长度的重量，F_h是在实测得到被监测量当前数值向量C的同一时刻，第h根支承索的当前索力，d^ca _h是第h根支承索的当前实际损伤程度，l_xh是在实测得到被监测量当前数值向量C的同一时刻，第h根支承索的两个支承端点的水平距离，l_xh是当前支承索两支承端点水平距离向量l_x的一个元素，当前支承索两支承端点水平距离向量l_x的元素的编号规则与初始自由长度向量l_o的元素的编号规则相同，E_h可以根据查或实测第h根支承索的材料特性数据得到，A_h和ω_h可以根据A_oh、ω_oh、F_h和T_o通过常规物理和力学计算得到。式(7)中[]内的项是该支承索的Ernst等效弹性模量，由式(6)或式(7)可以就可以确定支承索当前松弛程度向量Δl。式(7)是对式(6)的修正。

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.精简索力监测载荷问题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，索结构索力数据包括这M₁根支承索的索力，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增加的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个索力被监测，即有M个被监测量，其中M为M₁与M₂之和；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；新增加的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；新增加的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增加的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；新增加的M₂根传感索的横截面上正应力应当小于其疲劳极限，这些要求可以保证新增加的M₂根传感索不会发生疲劳损伤；新增加的M₂根传感索的两端应当充分锚固，保证不会出现松弛；新增加的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参量”简称为“被监测量”；给M个被监测量连续编号，本方法用用变量j表示这一编号，j＝1,2,3,…,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；测量得到新增加的M₂根传感索的索力的方法同于索结构的M₁根支承索的索力的测量方法，在后文不再一一交代；对索结构的支承索进行任何测量时，同时对新增加的M₂根传感索进行同样的测量，在后文不再一一交代；新增加的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，在后文不再一一交代；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增加的M₂根传感索；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、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、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，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，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F_o；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F_o的元素的编号规则相同；

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；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；在结构服役过程中，不断对新增加的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；

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；在实测得到被监测量当前数值向量C的同一时刻，实测得到索结构中所有M₁根支承索的索力数据，所有这些索力数据组成当前索力向量F，向量F的元素与向量F_o的元素的编号规则相同；在实测得到被监测量当前数值向量C的同一时刻，实测计算得到所有M₁根支承索的两个支承端点的空间坐标，两个支承端点的空间坐标在水平方向分量的差就是两个支承端点水平距离，所有支承索的两个支承端点水平距离数据组成当前支承索两支承端点水平距离向量，当前支承索两支承端点水平距离向量的元素的编号规则与初始索力向量F_o的元素的编号规则相同；

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，d^a _k为0时表示第k个被评估对象无健康问题，d^a _k数值不为0时表示第k个被评估对象是有健康问题的被评估对象，如果该被评估对象是索系统中的一根支承索，那么d^a _k表示其当前健康问题的严重程度，有健康问题的支承索可能是松弛索、也可能是受损索，d^a _k数值反应了该支承索的松弛或损伤的程度；从这些有健康问题的支承索中鉴别出受损索，剩下的就是松弛索，被评估对象当前实际损伤向量d^a中与松弛索对应于的元素数值表达的是与松弛索松弛程度力学等效的当前实际等效损伤程度；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；鉴别出松弛索后，利用被评估对象当前实际损伤向量d^a表达的这些松弛索的、与其松弛程度力学等效的当前实际等效损伤程度，利用在第f步获得的当前索力向量F和当前支承索两支承端点水平距离向量，利用在第b步获得的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、初始索力向量F_o，利用在第b步获得的索结构所使用的各种材料的物理和力学性能参数，通过将松弛索同受损索进行力学等效来计算松弛索的、与当前实际等效损伤程度等效的松弛程度，力学等效条件是：一、两等效的索的无松弛和无损伤时的初始自由长度、几何特性参数、密度及材料的力学特性参数相同；二、松弛或损伤后，两等效的松弛索和损伤索的索力和变形后的总长相同；满足上述两个力学等效条件时，这样的两根支承索在索结构中的力学功能就是完全相同的，即如果用等效的松弛索代替受损索后，索结构不会发生任何变化，反之亦然；依据前述力学等效条件求得那些被判定为松弛索的松弛程度，松弛程度就是支承索自由长度的改变量，也就是确定了那些需调整索力的支承索的索长调整量；这样就实现了支承索的松弛识别和损伤识别；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，所以根据被评估对象当前实际损伤向量d^a能够识别出问题索，确定有哪些支座发生了广义位移及其数值，能够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、索结构的问题索识别，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。