CN104215196B - 适用于古建筑木结构变形的监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于古建筑木结构变形的长期监测预警方法，其特征在于：采用光纤光栅应变传感器（FBG）和改进共轭梁法（ICBM）对木梁扰度变形进行监测；利用伸缩式光纤光栅位移计对梁柱脱榫进行监测。利用光纤光栅倾角仪对柱子倾斜进行监测；采用环氧树脂配合铁架和固定支座的方法将上述测量传感器粘贴固定在待测结构。该发明方法对所用仪器耐腐蚀性和稳定性强，对古建筑扰动小，操作方便，方法简单易行，且无需知道木结构本身物理特性，可以用于古建筑木结构度变形的监测预警。

Description

适用于古建筑木结构变形的监测预警方法

技术领域

本发明涉及一种对古建筑木结构变形的监测预警方法，是一种基于光纤光栅传感技术对木结构进行监测预警的技术。

背景技术

中国的古建筑经历数千年的岁月洗礼，在长期的服役过程中，不可避免地出席累积变形过大的现象。对于古建筑的变形监测是保护古建筑木结构这个珍贵历史文化遗产的重要手段。基于古建筑保护的原则，在实际监测中必须保证对于古建筑的使用和外观功能扰动较小。因此仪器安装拆卸必须对古建筑的扰动小且不能破坏结构完整性。由于古建筑所处环境的特殊性，监测仪器应具有良好的稳定性和耐腐蚀性，能方便布设。另外考虑到监测的即时有效性，监测的理论方法也力求简便。目前常用在桥梁和地下工程的监测方法，各自存在着不同的局限性如：仪器体积和操作干扰大、测点数量繁多且受制于地形因素，仪器耐久性不佳以及价格过于昂贵。为此对于古建筑木结构变形监测应寻求一种适用性和针对性强的监测方法。

近些年来，光纤光栅传感器以其稳定性高，耐久性好以及体积占用小，操作简便等优点而受到人们关注。本发明针对古建筑三种普遍存在的变形现象以光纤光栅传感技术为基础，采用改进共轭梁法和普通数学三角函数关系式而提出了一套简单易行的监测方法，仪器操作和安装简单且扰动小，能实现对古建筑木结构的变形监测和预警。

发明内容

本发明涉及一种适用于古建筑木结构变形的监测预警方法，该方法能够有效长期即时地监测古建筑木结构常见的变形，所用仪器耐腐蚀性和稳定性强，仪器安装拆卸对古建筑扰动小，操作方法简便，且无需知道木结构本身的特性，可以很好地适用于古建筑木结构的变形监测和预警。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种适用于古建筑木结构变形的长期监测预警方法，其特征在于：采用光纤光栅应变传感器(FBG)和改进共轭梁法(ICBM)对木梁扰度变形进行监测；利用伸缩式光纤光栅位移计对梁柱脱榫进行监测；利用光纤光栅倾角仪对柱水平倾斜进行监测；采用环氧树脂配合铁架和支座的方法将上述测量传感器粘贴固定在待测结构；其中，上述测量传感器为所述光纤光栅应变传感器、所述伸缩式光纤光栅位移计以及所述光纤光栅倾角仪；

其中中采用光纤光栅应变传感器(FBG)和改进共轭梁法(ICBM)对木梁扰度变形进行监测包括以下几个步骤：

步骤S01：通过有限元软件建立包括梁柱在内的木框架有限元模型；

步骤S02：对木梁进行等长度单元划分，假设单元划分个数为n；

步骤S03：模拟木梁在荷载作用下产生扰度变形，提取各单元边界点的扰度值v_pfi和各单元上下截面的平均应变ε_i ⁺和ε_i ^-带入改进共轭梁法当中：

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

$v_{pi}={\left(\mathrm{\Δ}l\right)}^2\[\frac{p}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(n-i+\frac{1}{2})k_i-\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}(p-i+\frac{1}{2})k_i\]$

其中：ε_i ⁺和ε_i ^-分别表示第i个单元上下截面的平均应变，k_i为第i单元的平均曲率，n为木梁单元划分数量，△l为每个单元的长度，h为木梁截面高度，v_pfi为第p个单元和第p+1个单元的分界点的扰度值。

步骤S04：将有限元计算得到的木梁各点的扰度值v_pfi和改进共轭梁法计算的扰度值v_pi进行比较分析；如果误差大于实际工程接受的范围，则增大单元划分数量n，并重复步骤S01-S03重新计算直到误差落在实际工程接受的范围内；如果误差远小于实际工程接受的范围，则适当缩小元划分单数量n，重复步骤S01-S03重新计算直到误差落在实际工程接受的范围，以节约监测的传感器布置成本；这样，通过有限元反复计算，获得精度满足要求并且传感器成本最优的最佳单元划分数量n_m；

步骤S05：对待监测结构按照有限元法确定的最佳单元划分数量n_m进行等长度划分；

步骤S06：将每根光纤光栅应变传感器固定于木梁各单元的上/下表面进行应变数据监测；将提取的应变数据并带入改进共轭梁法中求得各单元边界点的扰度值v_pi：

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

$v_{pi}={\left(\mathrm{\Δ}l\right)}^2\[\frac{p}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(n-i+\frac{1}{2})k_i-\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}(p-i+\frac{1}{2})k_i\]$

其中：ε_i ⁺和ε_i ^-分别表示第i个单元上下截面的平均应变，k_i为第i单元的平均曲率，n为木梁单元划分数量，△l为每个单元的长度，h为木梁截面高度，v_pfi为第p个单元和第p+1个单元的分界点的扰度值。

步骤S07：通过监测系统将监测的各点扰度值绘制成梁扰度曲线，提取其中扰度最大值与预警值进行比较，当扰度最大值接近预警值时则触发预警，监测系统向管理者发出预警信息。

在本发明一实施例中，利用伸缩式光纤光栅位移计对梁柱脱榫进行监测包括以下步骤：

步骤S21：将伸缩式光纤光栅位移计一端通过支座固定于柱内侧表面，另一端通过支座固定于梁表面；每个柱节点处上下各布置一个；

步骤S22：读取光纤光栅位移计变形拉伸数据即可得到梁柱脱榫量；当脱榫量接近预警值时则触发预警，监测系统向管理者发出预警信息。

在本发明一实施例中，利用光纤光栅倾角仪对柱子倾斜进行监测包括以下步骤：

步骤S31：将光纤光栅倾角仪安装于梁柱节点同高度处的柱表面；

步骤S32：读取光纤光栅倾角仪测量的倾斜度数θ，假设所测点至柱底高度为h,则柱水平倾斜量s＝h/cosθ；当水平倾斜量s接近预警值时则触发预警，监测系统向管理者发出预警信息。

在本发明一实施例中，所述步骤S31中的安装方法采用铁架子承托。

在本发明一实施例中，采用环氧树脂配合铁架和支座的方法将上述测量传感器粘贴固定在待测结构包括以下步骤：

步骤S51：用环氧树脂将每根光纤光栅应变传感器两端点粘贴固定于梁上/下表面；

步骤S52：用环氧树脂将伸缩式光纤光栅位移计的支座粘贴于梁柱节点处的上下表面；

步骤S53：用不锈钢铁架承托固定好光纤光栅倾角仪，然后用环氧树脂将不锈钢铁架粘贴固定于柱子正表面。

本发明的优点与效果是：

1.本发明的技术根据古建筑自身的特殊性，基于光纤光栅传感技术和改进共轭梁，提出了一种适用于古建筑木梁扰度变形的长期监测方法；

2.本发明的技术根据古建筑自身的特殊性，基于光纤光栅传感技术，提出了一种适用于古建筑木结构榫卯节点脱榫量的长期监测方法。

3.本发明的技术根据古建筑自身的特殊性，基于光纤光栅传感技术和数学三角函数关系式，提出了一种适用于古建筑榫卯节点脱榫量的长期监测方法。

4.本发明的技术克服了传统监测方法在古建筑监测领域的局限性，具有很强的针对性和实用性，适用于长期性监测。

附图说明

图1为本发明对木梁扰度变形进行监测预警的光纤光栅应变传感器布置图。

图2为本发明对梁柱脱榫距离进行监测预警的光纤光栅传感器布置图。

图3为本发明对柱子倾斜进行监测预警的光纤光栅传感器布置图。

图4为本发明用于具体操作说明的静力试验木框架加载装置图。

图5为本发明用于具体操作说明的静力试验木梁扰度曲线图。

图6为本发明用于具体操作说明的拟静力试验加载装置图。

图7为本发明用于具体操作说明部分的拟静力试验中监测脱榫距离的电阻式位移计布置图。

图8为本发明用于具体操作说明部分的拟静力试验中监测柱子倾斜的电子倾角仪布置图。

图中1为木柱，2为榫头，3为木梁，4为伸缩式光纤光栅位移计，5为伸缩杆，6为固定支座；7为环氧树脂，8为光纤光栅倾角仪，9为铁架子，10为固定支座，11为反力架，12为作动器，13为光纤光栅应变传感器，14为验证用电阻式位移计，a为侧视、b为正视，15为作动器，16为电阻式伸缩位移计，17验证倾斜监测位移计，18为电子倾角仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明进行详细说明。

本发明提供一种适用于古建筑木结构变形的长期监测预警方法，其特征在于：采用光纤光栅应变传感器(FBG)和改进共轭梁法(ICBM)对木梁扰度变形进行监测；利用伸缩式光纤光栅位移计对梁柱脱榫进行监测；利用光纤光栅倾角仪对柱水平倾斜进行监测；采用环氧树脂配合铁架和支座的方法将上述测量传感器粘贴固定在待测结构。其中，上述测量传感器为所述光纤光栅应变传感器、所述伸缩式光纤光栅位移计以及所述光纤光栅倾角仪。

所述方法中，适用于古建筑木梁扰度变形的监测方法包括以下步骤：

①讲有限元模型中的木梁划分成等长的n个单元。

②分析实际结构中木梁所受荷载并模拟其变形，通过有限元计算获取各单元边界点的扰度值v_pfi和各单元上下截面的平均应变ε⁺和ε^-。

③假定所测木梁为欧拉梁，同时认为梁柱节点处沿柱纵向的位移为0。将有限元计算的平均应变ε⁺和ε^-带入改进共轭梁法得到各单元边界点的扰度值v_pi：

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

$v_{pi}={\left(\mathrm{\Δ}l\right)}^2\[\frac{p}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(n-i+\frac{1}{2})k_i-\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}(p-i+\frac{1}{2})k_i\]$

其中：ε_i ⁺和ε_i ^-分别表示第i个单元上下截面的平均应变，k_i为第i单元的平均曲率，n为木梁单元划分数量，△l为每个单元的长度，h为木梁截面高度，v_pfi为第p个单元和第p+1个单元的分界点的扰度值。

④将有限元计算得到的木梁各点的扰度值v_pfi和改进共轭梁法计算的扰度值v_pi进行比较分析。如果相差较大，则适当增大单元划分数量n，并重复①②③步骤重新计算直到误差小到实际工程可以接受的范围内。如果误差远小于可接受的限制，则可以适当缩小元划分单数量n，重复①②③步骤重新计算直到误差接近实际工程可以接受的范围，以节约监测的传感器布置成本。这样，通过有限元反复计算，可以获得精度满足要求并且传感器成本最优的最佳单元划分数量n_m。

其中，所述方法中通过改进共轭梁法结合光纤光栅应变计进行木梁长期监测包括以下几个步骤：

①对实际结构按照有限元法确定的最佳单元数n_m进行等长度划分。

②将每根光纤光栅应变传感器的两侧端点通过环氧树脂粘固定于木梁各单元上/下表面，并使光线光栅应变传感器的中点和木梁各单元中点对齐。选取一同样材料的木块通过同样方法补偿计并放置于测量现场。

③将光纤光栅应变计传来的应变数据带入改进共轭梁法中求得木梁上各单元边界点的扰度。

至此，根据以上步骤，即能实现利用分布式光纤光栅应变传感器结合改进共轭梁法对木梁扰度变形进行监测预警。

其中，所述方法中利用伸缩式光纤光栅位移计对梁柱脱榫进行监测包括以下步骤：

①如图2所示，将伸缩式光纤光栅位移计4的伸缩杆5和节点内侧中心对齐，在固定支座6底部涂上环氧树脂7并将其粘贴固定于梁柱节点的内侧，每个柱节点处上下各布置一个。

②读取伸缩式光纤光栅位移计4的拉伸值即得到梁柱脱榫量。当脱榫量接近预警值时则触发预警，监测系统向管理者发出预警信息。

所述方法中利用光纤光栅倾角仪对柱子倾斜进行监测包括以下步骤：

①如图3所示，将光纤光栅倾角仪8通过环氧树脂7承托固定于铁架子9上，在铁架背面涂上环氧树脂7黏贴安装于梁柱节点同高度处的柱表面。

②读取光纤光栅倾角仪8测量的倾斜度数θ，假设所测点至柱底高度为h,则柱水平倾斜量s＝h/cosθ。当水平倾斜量s接近预警值时则触发预警，监测系统向管理者发出预警信息。

具体的，采用一木框架模型进行单调静力试验来说明适用于古建筑木梁扰度变形的监测预警方法。如图4所示，构件底部采用固定支座10进行支撑，试验的木圆柱2直径180mm，总高1800mm。矩形木梁3全长2000mm，梁柱连接采用传统燕尾榫的节点形式。通过在反力架11上安千斤顶12施加荷载的方式实现各级荷载作用下的扰度变形监测，试验当中在木梁3上下表面布设光纤光栅应变传感器13进行应变采集，同时为了验证所提出方法的准确性，选取几个测点布置验证用电阻式位移计14对所提方法进行对比，试验装置图及光纤光栅安装方法如图1所示。

(1)首先通过有限元试算之后将木梁3划分成8等分,即8个单元。

(2)用环氧树脂将光纤光栅应变传感器13的两侧端点粘贴固定于于木梁3上/下表面各单元的边界点，使得应变传感器的中点和各单元的中点对齐。选取一同样材料的木块通过同样方法补偿计并放置于测量现场。选取若干个测点布置验证用电阻式位移计14对所提方法进行对比。

(3)静力加载过程中，通过光纤光栅应变传感器13读取木梁3各单元的上下表面的平均应变。将光纤光栅应变传感器13读取应变数据并带入改进共轭梁法中求得各单元边界点的扰度变形值。

图5为各荷载级数下的扰度监测计算和实测值。由图5可知，本发明的方法和采用LVDT测量的真实位移基本一致，误差较小。

具体的，请参见图6至图8，通过一木框架拟静力试验来说明利用伸缩式光纤光栅位移计对古建筑木结构脱榫距离进行监测预警，利用光纤光栅倾角仪结合数学三角函数关系式对古建筑木结构柱子倾斜进行监测预警。一榀透榫框架柱直径2180mm，柱净高1800mm，梁3全长2000mm，构件采用铰支座10进行支撑。此用监测原理和安装方法类似的电阻式伸缩位移计16代替光纤光栅倾角仪8进行说明监测方法的可行性，用监测原理和安装方法类似的电子倾角仪18代替光纤光栅倾角仪来进行说明监测方法的可行性。同时沿左右柱高各布置3个位移计18以测量实际水平倾斜量和电子倾角仪18测出的倾斜量进行对比。

(1)如图7所示，首先将电阻式伸缩位移计16用环氧树脂7粘贴固定在木框架节点内侧的上下表面，将电子倾角仪用环氧树脂7平稳固定在铁架子9上，并在铁架子9另一侧涂上环氧树脂7粘贴固定于节点高度处的柱子正表面。试验时，读取用于监测脱榫距离的柱内侧电阻式伸缩位移计16读数并记录于表1。将电子倾角仪18读数记录于表2。同时，与倾角仪进行对比的位移计18的读数s’也一并记录于表2

(2)选取表三种中拉伸数值(此表中为负值)作为古建筑木结构梁柱节点脱榫距离。

(3)表四中倾角仪的读数为θ，倾角仪安装点至柱底高度为h,则柱水平倾斜量s＝h/cosθ，此处将s记录于表2中。

表1拟静力加载下脱榫距离监测位移计测量位移

注：正值表示受压，负值表示受拉

从表1可以看出，取受拉处位移计测量值(表1中负值)为脱卯距离。另外其数值随着加载幅值的增加，即榫卯节点处榫头的脱卯距离也逐渐增加，左右两端的脱卯距离基本相近，试验结束时最大脱榫量达到23mm。

表2拟静力试验各加载幅值下柱子倾斜的节点水平位移测量

从表2中可以看出通过倾角仪测量的柱子水平位移与位移计测出的水平位移基本接近，最大误差只有5％，说明柱子自身变形相对于其整体变形可以忽略不计，柱子倾斜基本接近刚体转动，可以通过测量倾斜量结合三角函数关系式计算得出柱子倾斜量。

Claims (5)

1.一种适用于古建筑木结构变形的长期监测预警方法，其特征在于：采用光纤光栅应变传感器(FBG)和改进共轭梁法(ICBM)对木梁扰度变形进行监测；利用伸缩式光纤光栅位移计对梁柱脱榫进行监测；利用光纤光栅倾角仪对柱水平倾斜进行监测；采用环氧树脂配合铁架和支座的方法将上述测量传感器粘贴固定在待测结构；其中，上述测量传感器为所述光纤光栅应变传感器、所述伸缩式光纤光栅位移计以及所述光纤光栅倾角仪；

其中采用光纤光栅应变传感器(FBG)和改进共轭梁法(ICBM)对木梁扰度变形进行监测包括以下几个步骤：

步骤S01：通过有限元软件建立包括梁柱在内的木框架有限元模型；

步骤S02：对木梁进行等长度单元划分，假设单元划分个数为n；

步骤S03：模拟木梁在荷载作用下产生扰度变形，提取各单元边界点的扰度值v_pfi和各单元上下截面的平均应变ε⁺和ε^-带入改进共轭梁法当中：

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

其中：ε_i ⁺和ε_i ^-分别表示第i个单元上下截面的平均应变，k_i为第i单元的平均曲率，n为木梁单元划分数量，△l为每个单元的长度，h为木梁截面高度，v_pfi为第p个单元和第p+1个单元的分界点的扰度值;

步骤S04：将有限元计算得到的木梁各点的扰度值v_pfi和改进共轭梁法计算的扰度值v_pi进行比较分析；如果误差大于实际工程接受的范围，则增大单元划分数量n，并重复步骤S01-S03重新计算直到误差落在实际工程接受的范围内；如果误差远小于实际工程接受的范围，则适当缩小元划分单数量n，重复步骤S01-S03重新计算直到误差落在实际工程接受的范围，以节约监测的传感器布置成本；这样，通过有限元反复计算，获得精度满足要求并且传感器成本最优的最佳单元划分数量n_m；

步骤S05：对待监测结构按照有限元法确定的最佳单元划分数量n_m进行等长度划分；

步骤S06：将每根光纤光栅应变传感器固定于木梁各单元的上/下表面进行应变数据监测；将提取的应变数据并带入改进共轭梁法中求得各单元边界点的扰度值v_pi：

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

其中：ε_i ⁺和ε_i ^-分别表示第i个单元上下截面的平均应变，k_i为第i单元的平均曲率，n为木梁单元划分数量，△l为每个单元的长度，h为木梁截面高度，v_pfi为第p个单元和第p+1个单元的分界点的扰度值;

步骤S07：通过监测系统将监测的各点扰度值绘制成梁扰度曲线，提取其中扰度最大值与预警值进行比较，当扰度最大值接近预警值时则触发预警，监测系统向管理者发出预警信息。

2.根据权利要求1所述的一种适用于古建筑木结构变形的长期监测预警方法，其特征在于：利用伸缩式光纤光栅位移计对梁柱脱榫进行监测包括以下步骤：

步骤S21：将伸缩式光纤光栅位移计一端通过支座固定于柱内侧表面，另一端通过支座固定于梁表面；每个柱节点处上下各布置一个；

步骤S22：读取光纤光栅位移计变形拉伸数据即可得到梁柱脱榫量；当脱榫量接近预警值时则触发预警，监测系统向管理者发出预警信息。

3.根据权利要求1所述的一种适用于古建筑木结构变形的长期监测预警方法，其特征在于：利用光纤光栅倾角仪对柱子倾斜进行监测包括以下步骤：

步骤S31：将光纤光栅倾角仪安装于梁柱节点同高度处的柱表面；

步骤S32：读取光纤光栅倾角仪测量的倾斜度数θ，假设所测点至柱底高度为h,则柱水平倾斜量s＝h/cosθ；当水平倾斜量s接近预警值时则触发预警，监测系统向管理者发出预警信息。

4.根据权利要求3所述的一种适用于古建筑木结构变形的长期监测预警方法，其特征在于：所述步骤S31中的安装方法采用铁架子承托。

5.根据权利要求1所述的一种适用于古建筑木结构变形的长期监测预警方法，其特征在于：采用环氧树脂配合铁架和支座的方法将上述测量传感器粘贴固定在待测结构包括以下步骤：

步骤S51：用环氧树脂将每根光纤光栅应变传感器两端点粘贴固定于梁上/下表面；

步骤S52：用环氧树脂将伸缩式光纤光栅位移计的支座粘贴于梁柱节点处的上下表面；

步骤S53：用不锈钢铁架承托固定好光纤光栅倾角仪，然后用环氧树脂将不锈钢铁架粘贴固定于柱子正表面。