適用于古建筑結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測預(yù)警方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于：采用光纖光柵應(yīng)變傳感器（FBG)和改進(jìn)共軛梁法（ICBM)對木梁擾度變形進(jìn)行監(jiān)測；利用伸縮式光纖光柵位移計對梁柱脫榫進(jìn)行監(jiān)測。利用光纖光柵傾角儀對柱子傾斜進(jìn)行監(jiān)測；采用環(huán)氧樹脂配合鐵架和固定支座的方法將上述測量傳感器粘貼固定在待測結(jié)構(gòu)。該發(fā)明方法對所用儀器耐腐蝕性和穩(wěn)定性強(qiáng)，對古建筑擾動小，操作方便，方法簡單易行，且無需知道木結(jié)構(gòu)本身物理特性，可以用于古建筑木結(jié)構(gòu)度變形的監(jiān)測預(yù)警。
【專利說明】適用于古建筑結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測預(yù)警方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對古建筑木結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測預(yù)警方法，是一種基于光纖光柵傳感 技術(shù)對木結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警的技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 中國的古建筑經(jīng)歷數(shù)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(xiàn)象。對于古建筑的變形監(jiān)測是保護(hù)古建筑木結(jié)構(gòu)這個珍貴歷史文化遺產(chǎn)的 重要手段?；诠沤ㄖＷo(hù)的原則，在實(shí)際監(jiān)測中必須保證對于古建筑的使用和外觀功能 擾動較小。因此儀器安裝拆卸必須對古建筑的擾動小且不能破壞結(jié)構(gòu)完整性。由于古建筑 所處環(huán)境的特殊性，監(jiān)測儀器應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性，能方便布設(shè)。另外考慮到監(jiān) 測的即時有效性，監(jiān)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(jiān)測方法，各 自存在著不同的局限性如：儀器體積和操作干擾大、測點(diǎn)數(shù)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。為此對于古建筑木結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測應(yīng)尋求一種適用性和針對 性強(qiáng)的監(jiān)測方法。
[0003] 近些年來，光纖光柵傳感器以其穩(wěn)定性高，耐久性好以及體積占用小，操作簡便等 優(yōu)點(diǎn)而受到人們關(guān)注。本發(fā)明針對古建筑三種普遍存在的變形現(xiàn)象以光纖光柵傳感技術(shù)為 基礎(chǔ)，采用改進(jìn)共軛梁法和普通數(shù)學(xué)三角函數(shù)關(guān)系式而提出了一套簡單易行的監(jiān)測方法， 儀器操作和安裝簡單且擾動小，能實(shí)現(xiàn)對古建筑木結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測和預(yù)警。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明涉及一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測預(yù)警方法，該方法能夠有效長期 即時地監(jiān)測古建筑木結(jié)構(gòu)常見的變形，所用儀器耐腐蝕性和穩(wěn)定性強(qiáng)，儀器安裝拆卸對古 建筑擾動小，操作方法簡便，且無需知道木結(jié)構(gòu)本身的特性，可以很好地適用于古建筑木結(jié) 構(gòu)的變形監(jiān)測和預(yù)警。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)變形的長期 監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于：采用光纖光柵應(yīng)變傳感器（FBG)和改進(jìn)共軛梁法（ICBM)對木 梁擾度變形進(jìn)行監(jiān)測；利用伸縮式光纖光柵位移計對梁柱脫榫進(jìn)行監(jiān)測；利用光纖光柵傾 角儀對柱水平傾斜進(jìn)行監(jiān)測；采用環(huán)氧樹脂配合鐵架和支座的方法將上述測量傳感器粘貼 固定在待測結(jié)構(gòu)； 其中中采用光纖光柵應(yīng)變傳感器（FBG)和改進(jìn)共軛梁法（ICBM)對木梁擾度變形進(jìn)行 監(jiān)測包括以下幾個步驟： 步驟S01 :通過有限元軟件建立包括梁柱在內(nèi)的木框架有限元模型； 步驟S02 :對木梁進(jìn)行等長度單元劃分，假設(shè)單元劃分個數(shù)為/7 ; 步驟S03 :模擬木梁在荷載作用下產(chǎn)生擾度變形，提取各單元邊界點(diǎn)的擾度值tv和各 單元上下截面的平均應(yīng)變和帶入改進(jìn)共軛梁法當(dāng)中：

【權(quán)利要求】
1. 一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于：采用光纖光柵應(yīng) 變傳感器（FBG)和改進(jìn)共軛梁法（ICBM)對木梁擾度變形進(jìn)行監(jiān)測；利用伸縮式光纖光柵位 移計對梁柱脫榫進(jìn)行監(jiān)測；利用光纖光柵傾角儀對柱水平傾斜進(jìn)行監(jiān)測；采用環(huán)氧樹脂配 合鐵架和支座的方法將上述測量傳感器粘貼固定在待測結(jié)構(gòu)； 其中采用光纖光柵應(yīng)變傳感器（FBG)和改進(jìn)共軛梁法（ICBM)對木梁擾度變形進(jìn)行監(jiān) 測包括以下幾個步驟： 步驟SOI :通過有限元軟件建立包括梁柱在內(nèi)的木框架有限元模型； 步驟S02 :對木梁進(jìn)行等長度單元劃分，假設(shè)單元劃分個數(shù)為/7 ; 步驟S03 :模擬木梁在荷載作用下產(chǎn)生擾度變形，提取各單元邊界點(diǎn)的擾度值tv和各 單元上下截面的平均應(yīng)變f +和帶入改進(jìn)共軛梁法當(dāng)中：
其中和分別表示第i個單元上下截面的平均應(yīng)變，之為第i單元的平均曲 率，為木梁單元劃分?jǐn)?shù)量，Z 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+7個單元的分界點(diǎn)的擾度值； 步驟S04 :將有限元計算得到的木梁各點(diǎn)的擾度值tv和改進(jìn)共軛梁法計算的擾度值 &進(jìn)行比較分析；如果相差較大，則增大單元劃分?jǐn)?shù)量1并重復(fù)步驟S01-S03重新計算直 到誤差小到實(shí)際工程接受的范圍內(nèi)；如果誤差遠(yuǎn)小于可接受的限制，則適當(dāng)縮小元劃分單 數(shù)量/7,重復(fù)步驟S01-S03重新計算直到誤差接近實(shí)際工程接受的范圍，以節(jié)約監(jiān)測的傳感 器布置成本；這樣，通過有限元反復(fù)計算，獲得精度滿足要求并且傳感器成本最優(yōu)的最佳單 元劃分?jǐn)?shù)量4; 步驟S05 :對待監(jiān)測結(jié)構(gòu)按照有限元法確定的最佳單元數(shù)^進(jìn)行等長度劃分； 步驟S06 :將每根光纖光柵應(yīng)變傳感器固定于木梁各單元的上/下表面進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù) 監(jiān)測；將提取的應(yīng)變數(shù)據(jù)并帶入改進(jìn)共軛梁法中求得各單元邊界點(diǎn)的擾度值& :
其中：和分別表示第i個單元上下截面的平均應(yīng)變，冬為第i單元的平均曲 率，為木梁單元劃分?jǐn)?shù)量，Z 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+7個單元的分界點(diǎn)的擾度值； 步驟S07 :通過監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測的各點(diǎn)擾度值繪制成梁擾度曲線，提取其中擾度最大 值與預(yù)警值進(jìn)行比較，當(dāng)擾度最大值接近預(yù)警值時則觸發(fā)預(yù)警，監(jiān)測系統(tǒng)向管理者發(fā)出預(yù) 警息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測預(yù)警方法，其特征 在于：利用伸縮式光纖光柵位移計對梁柱脫榫進(jìn)行監(jiān)測包括以下步驟： 步驟S21 :將伸縮式光纖光柵位移計一端通過支座固定于柱內(nèi)側(cè)表面，另一端通過支 座固定于梁表面；每個柱節(jié)點(diǎn)處上下各布置一個； 步驟S22 :讀取光纖光柵位移計變形拉伸數(shù)據(jù)即可得到梁柱脫榫量；當(dāng)脫榫量接近預(yù) 警值時則出發(fā)預(yù)警，監(jiān)測系統(tǒng)向管理者發(fā)出預(yù)警信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測預(yù)警方法，其特征 在于：利用光纖光柵傾角儀對柱子傾斜進(jìn)行監(jiān)測包括以下步驟： 步驟S31 :將光纖光柵傾角儀安裝于梁柱節(jié)點(diǎn)同高度處的柱表面； 步驟S32:讀取光纖光柵傾角儀測量的傾斜度數(shù)〃，假設(shè)所測點(diǎn)至柱底高度為A，則柱 水平傾斜量/ cos 〃；當(dāng)水平傾斜量s接近預(yù)警值時則出發(fā)預(yù)警，監(jiān)測系統(tǒng)向管理者發(fā) 出預(yù)警信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測預(yù)警方法，其特征 在于：所述步驟S31中的安裝方法采用鐵架子承托。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)變形的長期監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)其特征 在于：采用環(huán)氧樹脂配合鐵架和支座的方法將上述測量傳感器粘貼固定在待測結(jié)構(gòu)包括以 下步驟： 步驟S51 :用環(huán)氧樹脂將每根光纖光柵應(yīng)變傳兩端點(diǎn)粘貼固定于梁上/下表面； 步驟S52 :用環(huán)氧樹脂將伸縮式光纖光柵位移計的支座粘貼于梁柱節(jié)點(diǎn)處的上下表 面； 步驟S53 :用不銹鋼鐵架承托固定好光纖光柵傾角儀，然后用環(huán)氧樹脂將不銹鋼鐵架 粘貼固定于柱子正表面。
【文檔編號】G01B11/16GK104215196SQ201410517562
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】姜紹飛, 吳銘昊, 沈圣, 林冬勇 申請人:福州大學(xué)