[发明专利]一种基于温度变形的缆索系统异常识别方法

说明书

本发明提供一种基于温度变形的缆索系统异常识别方法，属于工程安全监测技术领域。该方法针对任意跨缆索系统，建立了结构温度变化与各跨缆索的垂度变化、跨距变化、水平拉力变化之间的控制方程，通过对比结构响应的计算值与实测值，可判断缆索系统是否存在异常；另一方面，当已知系统输入温度变化和系统输出结构响应时，本发明给出了反求缆索系统结构参数的方法，可用来识别缆索系统的异常变化。本发明不仅揭示了任意跨缆索系统在温度变化下结构参数与结构响应之间的本质联系，而且从温度变形的角度提供了识别缆索系统异常的新方法，有助于指导缆索安全监测系统的设计。本发明可应用于输电线路、缆车索道、多跨悬索桥等工程结构的状态监测与评估。

技术领域

本发明涉及工程安全监测技术领域，特别是指一种基于温度变形的缆索系统异常识别方法。

背景技术

缆索系统在生活中非常常见，例如输电线路、缆车索道、多跨悬索桥、索链式护栏等。缆索系统属于柔性系统，它在各种荷载作用下的变形受到工程技术人员的关注，通常用缆索垂度和跨距表征其变形。由于环境温度的变化可使缆索系统发生较明显的变形，所以实践中通常根据温度与变形指标相关性的变化判断缆索系统的状态。例如，经过回归分析发现某悬索桥的跨中桥面高程随温度变化的斜率是-5cm/℃，而正常情况下的斜率是-3cm/℃，则可认为桥梁发生了某种异常。这种思路相当于将缆索系统视为“黑箱”，仅考虑输入(温度变化)和输出(结构变形)之间的统计关系而忽略结构系统的内部特性。这种方法只能判断结构是否存在异常，但无法定位异常并评估其影响程度。因此，有必要从物理机理层面建立缆索系统温度变形与刚度等结构参数之间的关系，从而指导针对缆索系统的性能监测和评估。

虽然有限元分析是目前研究缆索系统温度变形的常用方法，但它无法给出任意跨缆索系统温度变形的显式计算公式，因此不能通过温度变化、结构变形反求缆索系统的参数变化。为了建立基于温度变形的缆索系统异常识别方法，必须研究缆索系统温度变形的物理力学模型，并推导相关的解析公式。然而，这方面的研究鲜有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于温度变形的缆索系统异常识别方法，该方法适用于各跨缆索可用抛物线近似的任意跨缆索系统，即小垂跨比缆索系统。对于大垂跨比的缆索系统，只需将缆索形状从抛物线修改为悬链线即可，推导过程不变。

该方法首先建立任意跨缆索系统温度变化与结构响应之间的控制方程，然后当已知缆索系统的特性和结构温度变化时，求出结构响应的解析公式，通过对比结构响应的计算值与实测值判断缆索系统是否存在异常；当已知结构温度变化和结构响应时，根据缆索系统温度变化与结构响应之间的控制方程反求缆索系统的结构参数，从而识别缆索系统的异常变化。

具体包括步骤如下：

(1)建立任意跨缆索系统温度变化与结构响应之间的控制方程；

(2)当已知缆索系统的特性和结构温度变化时，求出结构响应的解析公式，通过对比结构响应的计算值与实测值判断缆索系统是否存在异常；

(3)当已知结构温度变化和结构响应时，根据缆索系统温度变化与结构响应之间的控制方程反求缆索系统的结构参数，从而识别缆索系统的异常变化。

其中，步骤(1)中任意跨缆索系统温度变化与结构响应之间的控制方程为：

其中：

是控制方程的系数矩阵，其元素只与缆索系统的固有参数有关，与温度变化无关；

是缆索系统的输入，与温度变化有关；

是缆索系统的输出，对应于缆索系统的变形；

u(u≥1)表示缆索系统的跨数，0_u×u是u×u的零矩阵，0_u×1是u×1的零向量，I_u是u×u的单位矩阵，P_u×u是对角矩阵，记为：