CN110887725A - 基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，包括以下步骤：确定古建木梁典型截面j、测点i；测量t时刻、t’时刻古建木梁在静荷载作用下典型截面j的对数应变能
Figure DDA0002306192810000011
求各典型截面j的对数应变能增量绝对值Δlog Wj，并按照Δlog Wj从大至小排序，则排序在前的典型截面的破坏概率大于排序在后的典型截面的破坏概率，其中，t时刻与t’时刻的时间间隔为至少使排在第一的典型截面的Δlog Wj>0.01，
Figure DDA0002306192810000012
Figure DDA0002306192810000013
本发明具有在无需知道木梁初始的应力应变状态情况下，实现从微观角度精准分析古建木梁结构破坏易发生位置的有益效果。

Description

基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法
技术领域
本发明涉及古建安全评估技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法。
背景技术
木结构建筑是中国古代建筑的主流和传统，延续至今已有6000多年的历史。但是木材作为生物高分子材料，材料会随着时间的延长而发生一些改变，目前，能够直接针对古建进行安全现状评估的方法有目测、尺量法，三维激光扫描法和无损检测法。其中，过于粗放和简单的检测(例如目测、尺量法)，所得出的检测结论不能保证准确性；三维激光扫描法精度高但只能得到古建的外观数据；无损检测是以不破坏被检测对象使用性能为前提的材料性能评估的科学技术，包括应力波法、超声波法、振动法、近红外光谱法、静态弯曲法、X-射线检测法、声发射法、核磁共振法等；在众多无损检测方法中，基于应力应变的无损检测方法只有“基于应变模态的损伤识别”，该方法的原理为在木梁上布置测点，利用应变片测量测点应变，由于损伤引起抗弯刚度EI变小，因而应变片数值在测点处应有突变，从而确定损伤位置。但该方法需要知道木梁初始的应力应变状态，对于古建筑，该要求基本无法实现。
由于我国“古建筑木结构维护与加固技术规范”规定，应对建筑物的微观变形进行监测，因此，如何从微观角度分析古建木梁结构破坏易发生的位置就成为了亟需解决的问题。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，在无需知道木梁初始的应力应变状态情况下，实现从微观角度精准分析古建木梁结构破坏易发生位置。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，包括以下步骤：S1、确定古建木梁典型截面j；
S2、分别测量t时刻、t’时刻古建木梁在静荷载作用下各典型截面j的对数应变能
Figure BDA0002306192790000011
Figure BDA0002306192790000021
S3、求各典型截面j的对数应变能增量绝对值Δlog Wj，
Figure BDA0002306192790000022
并按照Δlog Wj从大至小排序，则排序在前的典型截面的破坏概率大于排序在后的典型截面的破坏概率，其中，t时刻与t’时刻的时间间隔为至少使排在第一的典型截面的Δlog Wj>0.01。
优选的是，步骤S1中确定古建木梁典型截面j包括：
确定第一截面，具体为：确定梁端截面、跨中截面、糟朽虫蛀部位截面、支撑截面；
确定第二截面，具体为：若相邻两个第一截面间的距离大于300mm，在该相邻两个第一截面间的n等分点处设置第二截面，以使n最小且任意两典型截面间的距离不大于300mm。
优选的是，步骤S1还包括设置各典型截面j的测点i，其中，各典型截面的测点分布相同；
步骤S2中测量t时刻古建木梁在静荷载作用下各典型截面j的对数应变能
Figure BDA0002306192790000023
具体为：测量各测点i的应变
Figure BDA0002306192790000024
并计算各测点i的弹性应变能
Figure BDA0002306192790000025
将典型截面j各测点i的弹性应变能
Figure BDA0002306192790000026
相加，得典型截面j的总弹性应变能
Figure BDA0002306192790000027
并求得各典型截面j的对数应变能
Figure BDA0002306192790000028
其中，
Figure BDA0002306192790000029
E为木材的弹性模量；
步骤S2中测量t’时刻古建木梁在静荷载作用下各典型截面j的对数应变能
Figure BDA00023061927900000210
具体为：测量各测点i的应变
Figure BDA00023061927900000211
并计算各测点i的弹性应变能
Figure BDA00023061927900000212
将典型截面j各测点i的弹性应变能
Figure BDA00023061927900000213
相加，得典型截面j的总弹性应变能
Figure BDA00023061927900000214
并求得各典型截面j的对数应变能
Figure BDA00023061927900000215
其中，
Figure BDA00023061927900000216
E为木材的弹性模量。
优选的是，步骤S1中设置各典型截面j的测点i具体为：沿截面周向间隔设置多个测点，且多个测点沿周向连线共平面且垂直于典型截面的中轴线。
优选的是，各典型截面的测点个数不小于5，且各典型截面每个侧面的测点个数不小于2，，顶面和底面测点等于1。
优选的是，当每个截面的测点个数等于2个时，该截面上测点远离中和轴位置设置；
当每个截面的测点个数不小于3个时，每个截面的各测点等间隔设置。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、本申请克服了“基于应变模态的损伤识别”需要知道损伤前应变数值的缺点，在无需知道木梁初始的应力应变状态情况下，根据观测数据的变化规律，实现从微观角度精准分析古建木梁结构破坏易发生位置。
第二、典型截面设置过程中，先确定第一截面(梁端截面、跨中截面、糟朽虫蛀部位截面)，然后依据第一截面确定第二截面，以较少截面设置确保检测全面性。
第三、由于木梁截面在变形过程中基本满足平截面假定，因而靠近中和轴位置的测点数据变化很小，而远离中和轴的测点数据变化较大，故而测点设置过程中，如果测点个数有限，远离中和轴位置的布点，提高检测准确性。
第四、结合力学原理，如易破坏位置为力学中的典型截面(弯曲应力最大或剪应力最大)，则说明木梁中没有起控制作用的损伤。如易破坏位置不是力学中的典型截面，则可判定该截面有损伤，并起控制作用。该专利提出的技术不仅能判定损伤位置，还能通过计算确定损伤是否起控制作用。并在木梁损伤不起控制作用的情况下判定由于受力引起的易破坏位置。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的其中一种技术方案所述待测古建的结构示意图；
图2为本发明的其中一种技术方案所述待测古建木梁典型截面设置的结构示意图；
图3为本发明的其中一种技术方案所述梁1典型截面的测点分布示意图；
图4为本发明的其中一种技术方案所述待测古建及对应木梁典型截面设置的结构示意图；
图5为本发明的其中一种技术方案所述梁2典型截面的测点分布示意图；
图6为本发明的其中一种技术方案所述荷载-对数应变能差值曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
<实施例1>
基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，包括以下步骤：
S1：
S1.1、三维激光扫描获得的如图1所示的为某古建筑南北剖面图，确定待测古建木梁为梁1，梁1的尺寸构造长宽高分别为：3.1687m*0.3359m*0.36m；
S1.2、根据待测古建木梁确定待测古建木梁典型截面j，如图2所示具体为：
确定第一截面：确定梁端截面(1-1、4-4)、跨中截面(3-3)、糟朽虫蛀部位截面(2-2)；
确定第二截面：若相邻两个第一截面间的距离大于300mm，在该相邻两个第一截面间的n等分点处设置第二截面，以使n最小且任意两典型截面间的距离不大于300mm，具体为：a-a、b-b、c-c、d-d、e-e、f-f、g-g、h-h、i-i；
S1.3、各典型截面的测点个数不小于5，且各典型截面每个侧面的测点个数不小于2，顶面和底面测点等于1，其中，各典型截面的每个侧面为除去顶面和底面(若有的话)的其余侧面，顶面和底面上的测点等于1是在顶面和底面可设置测点的情况下，如图3所示，梁1顶面并未设置测点；
对于梁1而言，如图3所示，具体为沿各典型截面j周向间隔设置5个测点i，多个测点沿周向连线共平面且垂直于典型截面的中轴线；
S2、测量t时刻古建木梁在静荷载作用下各测点i的应变
Figure BDA0002306192790000041
并计算各测点i的弹性应变能
Figure BDA0002306192790000042
将典型截面j各测点i的弹性应变能
Figure BDA0002306192790000043
相加，得典型截面j的总弹性应变能
Figure BDA0002306192790000044
并求得典型截面j的对数应变能
Figure BDA0002306192790000045
其中，
Figure BDA0002306192790000046
E为木材的弹性模量；
S3、按照步骤S2测量t’时刻古建木梁在静荷载作用下典型截面j的对数应变能
Figure BDA0002306192790000047
S4、求各典型截面j的对数应变能增量绝对值Δlog Wj，并按照Δlog Wj从大至小排序，则排序在前的典型截面的破坏概率大于排序在后的典型截面的破坏概率，其中，t时刻与t’时刻的时间间隔为至少使排在第一的典型截面的Δlog Wj>0.01，
Figure BDA0002306192790000048
Figure BDA0002306192790000049
<实施例2>
基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，包括以下步骤：
S1：
S1.1、如图4所示，某古建筑剖面图，确定待测古建木梁(梁2，图4中标典型截面的梁)，如图4所示，其尺寸构造长宽高分别为：8102mm*240mm*426mm；
S1.2、根据待测古建木梁确定待测古建木梁典型截面j，具体为：
确定第一截面：确定梁端截面(1-1,5-5)、跨中截面(3-3)、支撑截面(2-2,4-4为支撑瓜柱截面)；
确定第二截面：如图4所示，位于1-1、2-2截面间，2-2、3-3截面间、3-3、4-4截面间、4-4、5-5截面间的其余截面，其满足若相邻两个第一截面间的距离大于300mm，在该相邻两个第一截面间的n等分点处设置第二截面，以使n最小且任意两典型截面间的距离不大于300mm；
S1.3、沿各典型截面j周向间隔设置7个测点i，且多个测点沿周向连线共平面且垂直于典型截面的中轴线，具体如图5所示；
S2、测量t时刻古建木梁在静荷载作用下各测点i的应变
Figure BDA0002306192790000051
并计算各测点i的弹性应变能
Figure BDA0002306192790000052
将典型截面j各测点i的弹性应变能
Figure BDA0002306192790000053
相加，得典型截面j的总弹性应变能
Figure BDA0002306192790000054
并求得典型截面j的对数应变能
Figure BDA0002306192790000055
其中，
Figure BDA0002306192790000056
E为木材的弹性模量；
S3、按照步骤S2测量t’时刻古建木梁在静荷载作用下典型截面j的对数应变能
Figure BDA0002306192790000057
S4、求各典型截面j的对数应变能增量绝对值Δlog Wj，并按照Δlog Wj从大至小排序，则排序在前的典型截面的破坏概率大于排序在后的典型截面的破坏概率，其中，t时刻与t’时刻的时间间隔为至少使排在第一的典型截面的Δlog Wj>0.01，
Figure BDA0002306192790000058
Figure BDA0002306192790000059
验证试验
以“张晋,张强,柏益伟,李维滨,蔡建国.燕尾榫节点梁柱式木框架抗火性能试验研究[J].建筑结构学报,2019,40(10):188-196.”中记载数据进行验证实验。
根据记载可知，燕尾榫节点木框架试件的顺纹抗压弹性模量为11411MPa，根据其梁端截面、跨中截面的荷载-应变曲线，得出如下表所示数据：
Figure BDA00023061927900000510
依据上述表获得如图6所示对数应变能差值，当荷载小于80kN，梁端截面的对数应变能差值大于跨中截面，因此确定梁端截面为破坏位置。而当梁上荷载大于>80kN时，榫头底部受压屈服，即梁端截面在荷载为80kN左右时破坏，在工程应用中，不会出现截面屈服的情况，因此本发明式(1)的结果是可靠的。
综上，当荷载小于80kN时，梁端截面始终是易破坏位置，这说明，定性分析的结果是稳定的，与荷载大小无关。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定古建木梁典型截面j；
S2、分别测量t时刻、t’时刻古建木梁在静荷载作用下各典型截面j的对数应变能logWt j、
Figure FDA0002306192780000011
S3、求各典型截面j的对数应变能增量绝对值Δlog Wj，
Figure FDA0002306192780000012
并按照Δlog Wj从大至小排序，则排序在前的典型截面的破坏概率大于排序在后的典型截面的破坏概率，其中，t时刻与t’时刻的时间间隔为至少使排在第一的典型截面的Δlog Wj>0.01。
2.如权利要求1所述的基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，其特征在于，步骤S1中确定古建木梁典型截面j包括：
确定第一截面，具体为：确定梁端截面、跨中截面、糟朽虫蛀部位截面、支撑截面；
确定第二截面，具体为：若相邻两个第一截面间的距离大于300mm，在该相邻两个第一截面间的n等分点处设置第二截面，以使n最小且任意两典型截面间的距离不大于300mm。
3.如权利要求2所述的基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，其特征在于，步骤S1还包括设置各典型截面j的测点i，其中，各典型截面的测点分布相同；
步骤S2中测量t时刻古建木梁在静荷载作用下各典型截面j的对数应变能log Wt j具体为：测量各测点i的应变
Figure FDA0002306192780000013
并计算各测点i的弹性应变能Wt ji，将典型截面j各测点i的弹性应变能Wt ji相加，得典型截面j的总弹性应变能Wt j，并求得各典型截面j的对数应变能logWt j，其中，
Figure FDA0002306192780000014
E为木材的弹性模量；
步骤S2中测量t’时刻古建木梁在静荷载作用下各典型截面j的对数应变能
Figure FDA0002306192780000015
具体为：测量各测点i的应变
Figure FDA0002306192780000016
并计算各测点i的弹性应变能
Figure FDA0002306192780000017
将典型截面j各测点i的弹性应变能
Figure FDA0002306192780000018
相加，得典型截面j的总弹性应变能
Figure FDA0002306192780000019
并求得各典型截面j的对数应变能
Figure FDA00023061927800000110
其中，
Figure FDA00023061927800000111
E为木材的弹性模量。
4.如权利要求1所述的基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，其特征在于，步骤S1中设置各典型截面j的测点i具体为：沿截面周向间隔设置多个测点，且多个测点沿周向连线共平面且垂直于典型截面的中轴线。
5.如权利要求4所述的基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，其特征在于，各典型截面的测点个数不小于5，且各典型截面每个侧面的测点个数不小于2，顶面和底面测点等于1。
6.如权利要求5所述的基于应变能的古建木梁破坏位置判别方法，其特征在于，当每个截面的测点个数等于2个时，该截面上测点远离中和轴位置设置；
当每个截面的测点个数不小于3个时，每个截面的各测点等间隔设置。
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