適用於古建築結構變形的長期監測預警方法
2023-09-21 07:13:30
適用於古建築結構變形的長期監測預警方法
【專利摘要】本發明涉及一種適用於古建築木結構變形的長期監測預警方法，其特徵在於：採用光纖光柵應變傳感器（FBG)和改進共軛梁法（ICBM)對木樑擾度變形進行監測；利用伸縮式光纖光柵位移計對梁柱脫榫進行監測。利用光纖光柵傾角儀對柱子傾斜進行監測；採用環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構。該發明方法對所用儀器耐腐蝕性和穩定性強，對古建築擾動小，操作方便，方法簡單易行，且無需知道木結構本身物理特性，可以用於古建築木結構度變形的監測預警。
【專利說明】適用於古建築結構變形的長期監測預警方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種對古建築木結構變形的監測預警方法，是一種基於光纖光柵傳感 技術對木結構進行監測預警的技術。
【背景技術】
[0002] 中國的古建築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。對於古建築的變形監測是保護古建築木結構這個珍貴歷史文化遺產的 重要手段。基於古建築保護的原則，在實際監測中必須保證對於古建築的使用和外觀功能 擾動較小。因此儀器安裝拆卸必須對古建築的擾動小且不能破壞結構完整性。由於古建築 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。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：儀器體積和操作幹擾大、測點數量繁多且受制於地形因素，儀器 耐久性不佳以及價格過於昂貴。為此對於古建築木結構變形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，光纖光柵傳感器以其穩定性高，耐久性好以及體積佔用小，操作簡便等 優點而受到人們關注。本發明針對古建築三種普遍存在的變形現象以光纖光柵傳感技術為 基礎，採用改進共軛梁法和普通數學三角函數關係式而提出了一套簡單易行的監測方法， 儀器操作和安裝簡單且擾動小，能實現對古建築木結構的變形監測和預警。
【發明內容】
[0004] 本發明涉及一種適用於古建築木結構變形的監測預警方法，該方法能夠有效長期 即時地監測古建築木結構常見的變形，所用儀器耐腐蝕性和穩定性強，儀器安裝拆卸對古 建築擾動小，操作方法簡便，且無需知道木結構本身的特性，可以很好地適用於古建築木結 構的變形監測和預警。
[0005] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種適用於古建築木結構變形的長期 監測預警方法，其特徵在於：採用光纖光柵應變傳感器（FBG)和改進共軛梁法（ICBM)對木 梁擾度變形進行監測；利用伸縮式光纖光柵位移計對梁柱脫榫進行監測；利用光纖光柵傾 角儀對柱水平傾斜進行監測；採用環氧樹脂配合鐵架和支座的方法將上述測量傳感器粘貼 固定在待測結構； 其中中採用光纖光柵應變傳感器（FBG)和改進共軛梁法（ICBM)對木樑擾度變形進行 監測包括以下幾個步驟： 步驟S01 :通過有限元軟體建立包括梁柱在內的木框架有限元模型； 步驟S02 :對木樑進行等長度單元劃分，假設單元劃分個數為/7 ; 步驟S03 :模擬木樑在荷載作用下產生擾度變形，提取各單元邊界點的擾度值tv和各 單元上下截面的平均應變和帶入改進共軛梁法當中：
【權利要求】
1. 一種適用於古建築木結構變形的長期監測預警方法，其特徵在於：採用光纖光柵應 變傳感器（FBG)和改進共軛梁法（ICBM)對木樑擾度變形進行監測；利用伸縮式光纖光柵位 移計對梁柱脫榫進行監測；利用光纖光柵傾角儀對柱水平傾斜進行監測；採用環氧樹脂配 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構； 其中採用光纖光柵應變傳感器（FBG)和改進共軛梁法（ICBM)對木樑擾度變形進行監 測包括以下幾個步驟： 步驟SOI :通過有限元軟體建立包括梁柱在內的木框架有限元模型； 步驟S02 :對木樑進行等長度單元劃分，假設單元劃分個數為/7 ; 步驟S03 :模擬木樑在荷載作用下產生擾度變形，提取各單元邊界點的擾度值tv和各 單元上下截面的平均應變f +和帶入改進共軛梁法當中：
其中和分別表示第i個單元上下截面的平均應變，之為第i單元的平均曲 率，為木樑單元劃分數量，Z 7為每個單元的長度，A為木樑截面高度，％,為第/7個單元和 第/7+7個單元的分界點的擾度值； 步驟S04 :將有限元計算得到的木樑各點的擾度值tv和改進共軛梁法計算的擾度值 &進行比較分析；如果相差較大，則增大單元劃分數量1並重複步驟S01-S03重新計算直 到誤差小到實際工程接受的範圍內；如果誤差遠小於可接受的限制，則適當縮小元劃分單 數量/7,重複步驟S01-S03重新計算直到誤差接近實際工程接受的範圍，以節約監測的傳感 器布置成本；這樣，通過有限元反覆計算，獲得精度滿足要求並且傳感器成本最優的最佳單 元劃分數量4; 步驟S05 :對待監測結構按照有限元法確定的最佳單元數^進行等長度劃分； 步驟S06 :將每根光纖光柵應變傳感器固定於木樑各單元的上/下表面進行應變數據 監測；將提取的應變數據並帶入改進共軛梁法中求得各單元邊界點的擾度值& :
其中：和分別表示第i個單元上下截面的平均應變，冬為第i單元的平均曲 率，為木樑單元劃分數量，Z 7為每個單元的長度，A為木樑截面高度，％,為第/7個單元和 第/7+7個單元的分界點的擾度值； 步驟S07 :通過監測系統將監測的各點擾度值繪製成梁擾度曲線，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，監測系統向管理者發出預 警息。
2. 根據權利要求1所述的一種適用於古建築木結構變形的長期監測預警方法，其特徵 在於：利用伸縮式光纖光柵位移計對梁柱脫榫進行監測包括以下步驟： 步驟S21 :將伸縮式光纖光柵位移計一端通過支座固定於柱內側表面，另一端通過支 座固定於梁表面；每個柱節點處上下各布置一個； 步驟S22 :讀取光纖光柵位移計變形拉伸數據即可得到梁柱脫榫量；當脫榫量接近預 警值時則出發預警，監測系統向管理者發出預警信息。
3. 根據權利要求1所述的一種適用於古建築木結構變形的長期監測預警方法，其特徵 在於：利用光纖光柵傾角儀對柱子傾斜進行監測包括以下步驟： 步驟S31 :將光纖光柵傾角儀安裝於梁柱節點同高度處的柱表面； 步驟S32:讀取光纖光柵傾角儀測量的傾斜度數〃，假設所測點至柱底高度為A，則柱 水平傾斜量/ cos 〃；當水平傾斜量s接近預警值時則出發預警，監測系統向管理者發 出預警信息。
4. 根據權利要求1所述的一種適用於古建築木結構變形的長期監測預警方法，其特徵 在於：所述步驟S31中的安裝方法採用鐵架子承託。
5. 根據權利要求1所述的一種適用於古建築木結構變形的長期監測預警系統其特徵 在於：採用環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構包括以 下步驟： 步驟S51 :用環氧樹脂將每根光纖光柵應變傳兩端點粘貼固定於梁上/下表面； 步驟S52 :用環氧樹脂將伸縮式光纖光柵位移計的支座粘貼於梁柱節點處的上下表 面； 步驟S53 :用不鏽鋼鐵架承託固定好光纖光柵傾角儀，然後用環氧樹脂將不鏽鋼鐵架 粘貼固定於柱子正表面。
【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 優先權日:2014年9月30日
【發明者】姜紹飛, 吳銘昊, 沈聖, 林冬勇 申請人:福州大學