CN104215413B - 适用于古建筑木梁扰度变形的长期监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于古建筑木梁扰度变形的长期监测方法，其特征在于：利用有限元软件对需要监测的古木建筑建立有限元（梁柱和榫卯节点）模型并模拟木梁扰度变形，通过改进共轭梁法进行误差分析来确定木梁最佳单元划分数量；其次，对待测木梁按照最佳单元数量进行等长度划分，采用光纤光栅应变传感器和改进共轭梁法得出木梁的扰度变形值。该方法所用仪器耐腐蚀性和稳定性强，对古建筑扰动小，操作简便，且无需知道木结构本身物理特性，可以用于古建筑木梁扰度变形的长期监测。

Description

适用于古建筑木梁扰度变形的长期监测方法

技术领域

本发明涉及一种对古建筑木梁扰度变形的长期监测方法，是一种基于光纤光栅传感技术和改进共轭梁法对木结构变形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，且必须保证古建筑的完整性。同时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，能方便布设与野外地形。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。为此对于古建筑木梁扰度变形进行监测应寻求一种适用性和针对性强的监测方法。

近些年来，分布式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。同时一种间接测量方法—改进共轭梁法则以其方法简单、快速而应用在隧道监测领域。鉴于以上情况，本发明提出将分布式光纤光栅应变技术结合改进共轭梁法，运用前者对待监测物扰动小、且耐久性高、易于操作等优点，运用后者算法简单易行的优点，实现古建筑木梁的长期扰度变形监测。

发明内容

本发明涉及一种适用于古建筑木梁的长期扰度变形监测方法，其特征在于：利用有限元软件对待监测的古木建筑建立有限元(梁柱和榫卯节点)模型并模拟扰度变形，通过改进共轭梁法进行误差分析以确定木梁的最佳单元划分数量；其次，对待监测木梁按照最佳单元数量进行等长度划分，采用光纤光栅应变传感器和改进共轭梁法得到木梁的扰度变形值。该方法能够有效长期即时地监测古建筑木梁的扰度变形，所用仪器耐腐蚀性和稳定性强，监测仪器对古建筑扰动小，操作简便，无需知道木结构本身的特性，可以很好地适用于古建筑木梁的长期扰度变形监测。

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梁扰度变形的长期监测方法，其特征在于：利用有限元软件对需要监测的古木建筑建立有限元模型并模拟其扰度变形，通过改进共轭梁法对计算结果进行分析来确定木梁的最佳单元划分的数量；其次，对实际需要监测的木梁按照最佳单元数量进行划分，采用光纤光栅应变传感器(FBG)和改进共轭梁法(ICBM)得到木梁各点的扰度变形值；

所述方法中确定木梁的最佳单元划分的数量包括以下步骤：

步骤S11：对有限元模型中木梁划分等长的n个单元；

步骤S12：模拟木梁扰度变形并提取各单元边界点的扰度变形值v_pfi和各单元上下截面的平均应变ε⁺和ε^-；

步骤S13：假定所测木梁为欧拉梁，同时认为梁柱节点处沿柱轴线方向的位移为0；将有限元计算的平均应变ε⁺和ε^-代入改进共轭梁法得到各单元边界点的扰度变形值：

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

其中：和分别表示第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S14：将有限元计算得到的木梁各点扰度变形值v_pfi和改进共轭梁法计算的扰度变形值v_pi进行比较分析；如果二者相差较大，则适当增大单元划分数量n，并重复步骤S11～S13重新计算直到误差小到实际工程接受的范围内；如果误差远小于可接受的限值时，则适当缩小划分单元数量n，重复步骤S11～S13重新计算直到误差接近实际工程接受的范围，这样通过有限元反复计算，以获取最佳单元划分数量n_m。

在本发明一实施例中，通过光纤光栅应变计结合改进共轭梁法对木梁扰度变形值包括以下几个步骤：

步骤S22：对实际结构采用限元法确定最佳单元数n_m并进行等长度划分；

步骤S23：将光纤光栅应变传感器通过环氧树脂粘贴固定于木梁各单元上/下表面的中点；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；

步骤S24：提取光纤光栅应变传感器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变形值；

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

在本发明一实施例中，还包括将监测的各点扰度变形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，向管理者发出预警信息。

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，结合了光纤光栅传感技术和改进共轭梁发各自的优点，提出了一种适用于古建筑木梁扰度变形的长期监测方法。

附图说明

图1为本发明试验装置图及光纤光栅应变传感器安装示意图。

图2为本发明各荷载级数下的扰度监测计算和实测值曲线示意图。

图中1为铰支座，2为木柱，3为木梁，4为反力架，5为千斤顶，6为FBG光纤光栅应变传感器；7为LVDT位移传感器。

具体实施方式

下面对本发明进行详细说明。

本实施例提供一种适用于古木建筑的长期性变形监测方法，其利用有限元软件建立需要监测的古木建筑的有限元(梁柱和榫卯节点)的模型来模拟变形，通过改进共轭梁法对计算得到的扰度进行分析来确定木梁的最佳单元划分的数量；其次，对待监测的木梁按照最佳单元数量进行等长度划分，采用光纤光栅应变传感器和改进共轭梁法得到木梁的扰度变形值。

所述方法中确定木梁的最佳单元划分数量包括以下步骤：

①将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变形值v_pfi和各单元上下截面的平均应变ε⁺和ε^-。

③在假定所测木梁满足欧拉假定的情况下，将有限元计算的平均应变ε⁺和ε^-代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

其中：和分别表示第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变形值。

④将有限元计算得到的木梁各点的扰度变形值v_pfi和改进共轭梁法计算的扰度变形值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值，则可以适当缩小单元划分数量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。

本实施例中，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将光纤光栅应变传感器安装固定于木梁各单元上/下表面的中点。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将光纤光栅应变传感器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长期监测。该方法还可以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，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方法。模型按照宋朝李诫编写的《营造法式》作法，选用殿堂二等材制作了1:3.52的模型进行试验。参见图1，模型底部采用铰接支座1支撑固定，试验的木圆柱2直径180mm，净高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4上安千斤顶5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(FBG)6进行应变采集，同时为了验证所提出方法的准确性，选取几个测点布置电阻式位移计(LVDT)7对所提方法进行对比，试验装置图及光纤光栅应变传感器安装方法如图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。

(2)将光纤光栅应变传感器6通过环氧树脂粘贴于(实际应用时可采用其他不损坏木结构的安装方式)木梁3上/下表面各单元的中点位置。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)静力加载过程中，通过光纤光栅应变传感器6读取木梁各单元的上下表面的平均应变。

(4)将光纤光栅应变传感器6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。

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

其中：和分别表示第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。图2为各荷载级数下的扰度监测计算和实测值。由图2可知，本发明的方法和采用LVDT 7测量的真实位移基本一致，误差较小。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种适用于古建筑木梁扰度变形的长期监测方法，其特征在于：利用有限元软件对需要监测的古木建筑建立有限元模型并模拟其扰度变形，通过改进共轭梁法对计算结果进行分析来确定木梁的最佳单元划分的数量；其次，对实际需要监测的木梁按照最佳单元数量进行划分，采用光纤光栅应变传感器和改进共轭梁法得到木梁各点的扰度变形值；

所述方法中确定木梁的最佳单元划分的数量包括以下步骤：

步骤S11：对有限元模型中木梁划分等长的n个单元；

步骤S12：模拟木梁扰度变形并提取各单元边界点的扰度变形值v_pfi和各单元上下截面的平均应变ε⁺和ε^-；

步骤S13：假定所测木梁为欧拉梁，同时认为梁柱节点处沿柱轴线方向的位移为0；将有限元计算的平均应变ε⁺和ε^-代入改进共轭梁法得到各单元边界点的扰度变形值：

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

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

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变形值；

步骤S14：将有限元计算得到的木梁各点扰度变形值v_pfi和改进共轭梁法计算的扰度变形值v_pi进行比较分析；如果二者相差较大，则适当增大单元划分数量n，并重复步骤S11～S13重新计算直到误差小到实际工程接受的范围内；如果误差远小于可接受的限值时，则适当缩小划分单元数量n，重复步骤S11～S13重新计算直到误差接近实际工程接受的范围，这样通过有限元反复计算，以获取最佳单元划分数量n_m。

2.根据权利要求1所述的适用于古建筑木梁扰度变形的长期监测方法，其特征在于：通过光纤光栅应变传感器结合改进共轭梁法对木梁扰度变形值的计算包括以下几个步骤：

步骤S22：对实际结构采用有限元计算确定最佳单元数n_m并进行等长度划分；

步骤S23：将光纤光栅应变传感器通过环氧树脂粘贴固定于木梁各单元上下截面的中点；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；

步骤S24：提取光纤光栅应变传感器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变形值；

k_i＝(|ε_i ⁺|+|ε_i ^-|)/h

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

3.根据权利要求2所述的适用于古建筑木梁扰度变形的长期监测方法，其特征在于：还包括将监测的各点扰度变形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，向管理者发出预警信息。