適用于古建筑木梁擾度變形的長期監測方法
【專利摘要】本發明涉及一種適用于古建筑木梁擾度變形的長期監測方法，其特征在于：利用有限元軟件對需要監測的古木建筑建立有限元(梁柱和榫卯節點）模型并模擬木梁擾度變形，通過改進共軛梁法進行誤差分析來確定木梁最佳單元劃分數量；其次，對待測木梁按照最佳單元數量進行等長度劃分，采用光纖光柵應變傳感器和改進共軛梁法得出木梁的擾度變形值。該方法所用儀器耐腐蝕性和穩定性強，對古建筑擾動小，操作簡便，且無需知道木結構本身物理特性，可以用于古建筑木梁擾度變形的長期監測。
【專利說明】適用于古建筑木梁擾度變形的長期監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種對古建筑木梁擾度變形的長期監測方法，是一種基于光纖光柵傳 感技術和改進共軛梁法對木結構變形進行監測預警的技術。
【背景技術】
[0002] 中國的古建筑經歷數千年的歲月洗禮，在長期的服役過程中，不可避免地出席累 積變形過大的現象。對于古建筑的變形監測是保護古建筑木結構這個珍貴歷史文化遺產的 重要手段。基于古建筑保護的原則，在實際監測中必須保證對于古建筑的使用和外觀功能 擾動較小，且必須保證古建筑的完整性。同時由于古建筑所處環境的特殊性，監測儀器應具 有良好的穩定性和耐腐蝕性，能方便布設與野外地形。另外考慮到監測的即時有效性，監測 的理論方法也力求簡便。目前常用在橋梁和地下工程的監測方法，各自存在著不同的局限 性如：儀器體積和操作千擾大、測點數量繁多且受制于地形因素，儀器耐久性不佳以及價格 過于昂貴。為此對于古建筑木梁擾度變形進行監測應尋求一種適用性和針對性強的監測方 法。
[0003] 近些年來，分布式光纖光柵傳感器以其穩定性高，耐久性好以及體積占用小，操作 簡便等優點而受到人們關注。同時一種間接測量方法一改進共軛梁法則以其方法簡單、快 速而應用在隧道監測領域。鑒于以上情況，本發明提出將分布式光纖光柵應變技術結合改 進共輒梁法，運用前者對待監測物擾動小、且耐久性高、易于操作等優點，運用后者算法簡 單易行的優點，實現古建筑木梁的長期擾度變形監測。
【發明內容】
[0004] 本發明涉及一種適用于古建筑木梁的長期擾度變形監測方法，其特征在于：利用 有限元軟件對待監測的古木建筑建立有限元(梁柱和榫卯節點）模型并模擬擾度變形，通過 改進共輒梁法進行誤差分析以確定木梁的最佳單元劃分數量；其次，對待監測木梁按照最 佳單元數量進行等長度劃分，采用光纖光柵應變傳感器和改進共軛梁法得到木梁的擾度變 形值。該方法能夠有效長期即時地監測古建筑木梁的擾度變形，所用儀器耐腐蝕性和穩定 性強，監測儀器對古建筑擾動小，操作簡便，無需知道木結構本身的特性，可以很好地適用 于古建筑木梁的長期擾度變形監測。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種適用于古建筑木梁擾度變形的長 期監測方法，其特征在于：利用有限元軟件對需要監測的古木建筑建立有限元模型并模擬 其擾度變形，通過改進共軛梁法對計算結果進行分析來確定木梁的最佳單元劃分的數量； 其次，對實際需要監測的木梁按照最佳單元數量進行劃分，采用光纖光柵應變傳感器（FBG) 和改進共軛梁法（ICBM)得到木梁各點的擾度變形值； 所述方法中確定木梁的最佳單元劃分的數量包括以下步驟： 步驟S11 :對有限元模型中木梁劃分等長的/7個單元； 步驟S12 :模擬木梁擾度變形并提取各單元邊界點的擾度值^^和各單元上下截面的平 均應變f +和f、 步驟S13 :假定所測木梁為歐拉梁，同時認為梁柱節點處沿柱軸線方向的位移為Ο ;將 有限元計算的平均應變^和代入改進共軛梁法得到各單元邊界點的擾度變形值：
【權利要求】
1. 一種適用于古建筑木梁擾度變形的長期監測方法，其特征在于：利用有限元軟件對 需要監測的古木建筑建立有限元模型并模擬其擾度變形，通過改進共軛梁法對計算結果進 行分析來確定木梁的最佳單元劃分的數量；其次，對實際需要監測的木梁按照最佳單元數 量進行劃分，采用光纖光柵應變傳感器（FBG)和改進共軛梁法（ICBM)得到木梁各點的擾度 變形值； 所述方法中確定木梁的最佳單元劃分的數量包括以下步驟： 步驟S11 :對有限元模型中木梁劃分等長的個單元； 步驟S12 :模擬木梁擾度變形并提取各單元邊界點的擾度值和各單元上下截面的平 均應變f +和^ _ ; 步驟S13 :假定所測木梁為歐拉梁，同時認為梁柱節點處沿柱軸線方向的位移為0 ;將 有限元計算的平均應變和代入改進共軛梁法得到各單元邊界點的擾度變形值： < = (1 d + 丨^· |)/Αι \=(泣)2 *+;片 Λ:·:...知j -m ..fc4 ..:..2 其中和分別表示第i個單元上下截面的平均應變，先為第i單元的平均曲 率，為木梁單元劃分數量，Z1 7為每個單元的長度，A為木梁截面高度，％,,為第/7個單元和 第/7"個單元的分界點的擾度值； 步驟S14 :將有限元計算得到的木梁各點擾度值和改進共軛梁法計算的擾度值k 進行比較分析；如果二者相差較大，則適當增大單元劃分數量/?，并重復步驟S11~S13重新 計算直到誤差小到實際工程接受的范圍內；如果誤差遠小于可接受的限值時，則適當縮小 劃分單元數量/7,重復步驟S1TS13重新計算直到誤差接近實際工程接受的范圍，這樣通過 有限元反復計算，以獲取最佳單元劃分數量仏。
2. 根據權利要求1所述的適用于古建筑木梁擾度變形的長期監測方法，其特征在于： 通過光纖光柵應變計結合改進共軛梁法對木梁擾度變形值包括以下幾個步驟 ： 步驟S22 :對實際結構采用限元法確定最佳單元數化并進行等長度劃分； 步驟S23 :將光纖光柵應變傳感器通過環氧樹脂粘貼固定于木梁各單元上/下表面的 中點；選取一同樣材料的木塊通過同樣方法補償計并放置于測量現場； 步驟S24 :提取光纖光柵應變傳感器的應變數據并帶入改進共軛梁法中求得各單元邊 界點的擾度值； ^ = (\^\+\εΤ\)ΙΗ
3. 根據權利要求2所述的適用于古建筑木梁擾度變形的長期監測方法，其特征在于： 還包括將監測的各點擾度值繪制成梁擾度曲線，提取其中擾度最大值與預警值進行比較， 當擾度最大值接近預警值時則觸發預警，向管理者發出預警信息。
【文檔編號】G01M5/00GK104215413SQ201410517327
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】姜紹飛, 吳銘昊, 沈圣, 林冬勇 申請人:福州大學