臺風(fēng)作用下木構(gòu)古建筑變形監(jiān)測與特征研究★

符映紅 柳盛霖 毛江鴻 董亞波

(1.寧波市保國寺古建筑博物館，浙江 寧波 315033；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100； 3.浙江大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310058)

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臺風(fēng)作用下木構(gòu)古建筑變形監(jiān)測與特征研究★

符映紅1柳盛霖2毛江鴻2董亞波3

(1.寧波市保國寺古建筑博物館，浙江 寧波 315033；2.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100； 3.浙江大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310058)

闡述了木構(gòu)古建筑變形監(jiān)測的現(xiàn)狀，介紹了基于光纖光柵的應(yīng)變傳感器技術(shù)，并在寧波市保國寺大殿主梁應(yīng)變監(jiān)測中進行了應(yīng)用研究，通過人工重力加載試驗研究了主梁的協(xié)同工作性能，記錄和分析了臺風(fēng)作用下保國寺大殿主梁的應(yīng)變變化過程，結(jié)果表明，該監(jiān)測手段能有效工作，可為木構(gòu)古建筑的日常維護和維修加固提供重要的依據(jù)。

木結(jié)構(gòu)，古建筑，變形監(jiān)測，光纖光柵傳感器，臺風(fēng)

0 引言

木構(gòu)古建筑的保護近年來一直受到廣泛關(guān)注，但大多關(guān)注古建筑木材的特性以及結(jié)構(gòu)修復(fù)方面。采用雷達超聲波法可分析和判斷木結(jié)構(gòu)缺陷及其位置和范圍，并可對木結(jié)構(gòu)柱缺陷程度做出評價[1]。應(yīng)力波反射法通過對木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的小波分析,可識別木結(jié)構(gòu)是否存在缺陷[2]。上述技術(shù)主要集中在木結(jié)構(gòu)材料的檢測與分析，而針對木結(jié)構(gòu)整體性能監(jiān)測的研究較少。李奇等人[3]通過對頤和園佛香閣的激光掃描，完成佛香閣整體點云數(shù)據(jù)的拼接，最終得到佛香閣通天柱的傾斜方向及傾斜角度，然而，該技術(shù)難以實現(xiàn)實時監(jiān)測。

目前，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形檢測以電阻式應(yīng)變片為主，但受環(huán)境溫濕度、電磁干擾等影響顯著，難以實現(xiàn)長期監(jiān)測。振弦式傳感技術(shù)經(jīng)過封裝后具備長期穩(wěn)定工作的能力，已在土木工程結(jié)構(gòu)檢測中大量應(yīng)用[4]。然而，受限于木構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)內(nèi)部往往處于高濕狀態(tài)，濕度高也是木結(jié)構(gòu)古建筑中白蟻蛀蝕、材質(zhì)變形、腐朽的主要原因。因此，木構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)需克服高濕度的影響。光纖光柵傳感技術(shù)(FBG)最早于1989年由美國學(xué)者Morey[5]提出，隨后普遍應(yīng)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)變量測中。相比于傳統(tǒng)的應(yīng)變量測技術(shù)，F(xiàn)BG技術(shù)具備不受電磁干擾、長期穩(wěn)定、精度高、可復(fù)用等優(yōu)點[6]，已成為土木工程健康監(jiān)測領(lǐng)域熱點技術(shù)，然而，在木構(gòu)古建筑健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究并不多見。陸錚為了解上海市沉香閣木結(jié)構(gòu)節(jié)點的變形情況，將光纖光柵傳感器安裝到閣內(nèi)梁、柱的臨時支撐上來驗證臨時支撐作用的有效性[7]。任小芳等人[8]基于3×3耦合器的M-Z干涉解調(diào)技術(shù)和Labview相結(jié)合的方法，設(shè)計了古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

本文的研究對象為寧波保國寺大殿，該大殿已有一千多年歷史，期間經(jīng)歷過各種極限荷載，而如今仍處于正常工作狀態(tài)，可見其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。然而，保國寺大殿的受力構(gòu)件(木材)在高溫、臺風(fēng)等惡劣環(huán)境荷載作用下，必然出現(xiàn)橫截面下降、構(gòu)件承載力降低等情況；同時，保國寺大殿的節(jié)點均為榫卯節(jié)點，整體上為半剛接體系，關(guān)鍵節(jié)點和構(gòu)件對結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響較大。因此，為了保護保國寺大殿完好傳承，本文在保國寺大殿的木構(gòu)件上安裝了光纖光柵傳感器，并監(jiān)測和評估了臺風(fēng)對保國寺大殿的影響。

1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

布拉格光纖光柵技術(shù)(FBG)可獲取光纖光柵中心波長(λ)的改變，中心波長和纖芯有效折射率(n)和光柵周期(Λ)之間存在如下對應(yīng)關(guān)系[9]：

λ=2nΛ。

當光柵受到外部荷載作用時，光柵周期將發(fā)生變化，同時由于光彈效應(yīng)也會導(dǎo)致光柵折射率變化，從而引起布拉格波長改變。通過解調(diào)布拉格光柵中心波長實現(xiàn)被結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測。在不考慮溫度應(yīng)變耦合作用的情況下，中心波長與其相應(yīng)的溫度、應(yīng)變有如下線性關(guān)系：

Δλ=αεΔε+αTΔT。

其中，αε，αT分別為應(yīng)變和溫度靈敏度系數(shù)；Δλ為布拉格中心波長的漂移量；Δε，ΔT分別為應(yīng)變和溫度增量。

2 保國寺大殿應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)及調(diào)試

2.1 光纖光柵(FBG)傳感器的安裝

選擇保國寺大殿的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位進行監(jiān)測，傳感器安裝部位選擇在保國寺大殿西側(cè)主梁，該主梁由上梁(標記為梁Ⅰ)和下梁(標記為梁Ⅱ)組成。在梁Ⅰ的受拉區(qū)和受壓區(qū)埋設(shè)了2個FBG傳感器，在梁Ⅱ的受拉區(qū)和受壓區(qū)也布設(shè)2個FBG傳感器，測溫光纖光柵傳感器放置在應(yīng)變傳感器周邊，起到溫度補償作用。所有傳感器串聯(lián)后連入MOI SM125型光纖光柵解調(diào)儀記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)。其布設(shè)位置如圖1所示。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試

不同于現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)，木構(gòu)古建筑作為文物，無法進行破壞性試驗來研究結(jié)構(gòu)的工作性能，只允許開展驗證性試驗。本文在充分評估保國寺大殿木構(gòu)件承載能力的基礎(chǔ)上，采用人工施加荷載的方式，考察應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)是否能有效的工作。共配置2名試驗人員進行加載，其中，實驗員Ⅰ體重為60 kg，實驗員Ⅱ體重為80 kg，現(xiàn)場加載過程如圖2所示。

人工重力加載過程分四個階段，分別為實驗員Ⅰ加載、實驗員Ⅰ和實驗員Ⅱ同時加載、卸除實驗員Ⅱ荷載、卸載實驗員Ⅰ荷載。期間開啟實時監(jiān)測功能，記錄光纖光柵的應(yīng)變值，測試結(jié)果如圖3所示。

由圖2可知，人工重力加載時集中力直接主要作用在梁Ⅰ上，再通過支座間接傳遞至梁Ⅱ。圖3測試結(jié)果可以看出，加載和卸載過程中，梁Ⅰ的受拉區(qū)FBG傳感器能明顯識別出四個加卸載階段(最大應(yīng)變值也僅為5 με)，而其他位置的FBG傳感器可感應(yīng)到荷載變化過程，但沒有明顯的四個加卸載階段。結(jié)果說明，4個FBG傳感器均能正常感應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形特征，但由于人工重力加載的荷載值較小，傳遞至梁Ⅱ的荷載非常小，從另一個角度分析可知保國寺大殿主梁的上、下梁之間保持了較好的協(xié)同工作。

3 保國寺大殿在臺風(fēng)作用下服役狀態(tài)

寧波市地處浙東沿海地區(qū)，每年夏秋季節(jié)都會受到臺風(fēng)的影響，寧波保國寺大殿在臺風(fēng)作用下服役狀態(tài)的記錄和評估是進行保國寺大殿維護的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本文測試和評估了保國寺大殿主梁在某次超強臺風(fēng)作用下的變形特征，臺風(fēng)影響周期為8月7日～8月9日，登入寧波市的時間為8月8日12點前后，測試結(jié)果如圖4，圖5所示。

由圖4，圖5可知，無論是梁Ⅰ還是梁Ⅱ，在超強臺風(fēng)的作用下均感應(yīng)到了較大的荷載變化。梁Ⅰ的受拉區(qū)FBG傳感器呈現(xiàn)出應(yīng)變持續(xù)增加(見圖4a))，特別是8月8日12點前后，出現(xiàn)明顯的應(yīng)變跳躍。圖4b)中可以發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)登陸寧波當天，保國寺大殿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，特別是8點～14點期間，應(yīng)變快速增加約20 με，而2.2節(jié)的人工重力加載時(最大荷載140 kg)僅產(chǎn)生約5 με，可見臺風(fēng)對保國寺大殿主梁影響可能達到560 kg，該荷載由大風(fēng)以及暴雨作用于屋面后傳遞至梁Ⅰ。同時，梁Ⅱ的受壓區(qū)FBG傳感器也感應(yīng)到了較為顯著的荷載值。

4 結(jié)語

本文針對木結(jié)構(gòu)整體性能監(jiān)測方面的研究較少的問題，提出采用光纖光柵傳感器進行木構(gòu)古建筑變形監(jiān)測的應(yīng)用研究，并對臺風(fēng)期間的寧波保國寺大殿進行了監(jiān)測和評估。人工重力加載試驗表明，保國寺大殿主梁的上、下梁之間保持了較好的協(xié)同工作，同時，由臺風(fēng)期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)可推算保國寺大殿主梁承受的荷載值。本文采用的光纖光柵傳感技術(shù)能在寧波保國寺大殿主梁監(jiān)測中取得有效、穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有利于大殿的日常維護，并為必要的維修加固提供了精確的數(shù)據(jù)支持。同時，為了獲得更為完善的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將以光纖光柵傳感技術(shù)為核心，構(gòu)建更完備的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

[1] 張 玨,林錦濤,張世民.雷達和超聲波法無損檢測木結(jié)構(gòu)[J].山西建筑,2012,38(14):33-34.

[2] 李瑞軍,白潤山,麻建鎖,等.應(yīng)用應(yīng)力波反射法進行木結(jié)構(gòu)無損檢測研究[J].建筑技術(shù),2015,46(8):752-754.

[3] 李 奇,周 偉,李 暢.古建筑監(jiān)測與保護三維信息管理系統(tǒng)研究——以佛香閣數(shù)據(jù)管理為例[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,47(1):141-144.

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[5] Morey W W. Fiber optic Bragg Grating Sensors[C].Proc SPIE.1989:98-107.

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[8] 任小芳,賈 棟,趙 輝,等.基于光纖Bragg光柵的古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2015,28(1):34-38.

[9] Mousumi Majumder,Tarun Kumar Gangopadhyay,Ashim Kumar Chakraborty,et al.Fiber Bragg gratings in structural health monitoring-Present status and applications[J].Sensors and Actuators A,2008,147(1):150-164.Deformation monitoring and features study for ancient wooden building under typhoon action★

Fu Yinghong1Liu Shenglin2Mao Jianghong2Dong Yabo3

(1.NingboBaoguoTempleAncientArchitectureMuseum,Ningbo315033,China; 2.NingboInstituteofTechnology,ZhejiangUniversity,Ningbo315100,China; 3.CollegeofComputerScienceandTechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

Expounds the situation of deformation monitoring for ancient wooden building. The Fiber Bragg Grating(FBG) technology is introduced. The strain monitoring on the main beam of Ningbo Baoguo Temple was carried out. The artificial gravity loading test proved the cooperative performance of the main beam. The stain of the main beam was recording during typhoon action. The results shows that the monitoring method proposed can act as an effective way to provide important information for daily maintenance and reinforcement of wooden ancient buildings.

wooden structure, ancient building, deformation monitoring, FBG, typhoon

1009-6825(2016)11-0030-03

2016-02-01

★:國家文物局文物保護領(lǐng)域創(chuàng)新聯(lián)盟項目“木構(gòu)古建筑健康狀態(tài)分析評估方法研究”；國家科技支撐計劃課題(課題編號：2013BAK01B04)；寧波市科技創(chuàng)新團隊項目(項目編號：2011B81005)；浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院人才引進基金項目(項目編號：1140357G301)

符映紅(1974- )，女，文博館員; 毛江鴻(1985- )，男，博士，副教授

TU196.1

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