CN104990513A - 一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，在被测圆柱与石础交接处所选取的被测点设置木块，并在木块的外圆弧面设置光纤光栅应变传感器，且该光纤光栅应变传感器的另一端延伸至石础的侧面；该光纤光栅应变传感器实时将采样的应变值发送至光纤光栅应变监测模块，获取水平倾斜值，并进行预警。本发明所提出的一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法对倾斜监测精度高，方便于实际工程中倾斜角布设过高引起的不便；古建筑扰动小，操作方便，方法简便易行，所采用的光纤光栅应变传感器的精度高，稳定性好，且便于拆卸。

Description

一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感技术以及木结构柱子倾斜监测技术，特别是一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法。

背景技术

中国的古建筑经历了几千年的岁月洗礼，木结构处于长期服役中，不可避免受到地震、风力作用，使得柱子的水平倾斜变形积累量过大的现象。对于古建筑中柱子水平倾斜量进行实时监测是保护古建筑木结构这个珍贵的历史文化遗产的重要手段之一。基于古建筑保护的原则，在监测中必须保证古木建筑的使用和外观功能不受扰动的影响。因此对仪器安装拆卸必须保证古建筑无扰动，且不能破坏结构完整性，在布设仪器中保证对结构不发生损坏，布设方便快捷。对各种圆柱方便布设，且具有较高的稳定性和抗腐蚀性。另外考虑到监测的即时有效性，监测的理论方法也力求简便。目前对柱子倾斜的监测方法，各自存在着不同的局限性如：仪器的体积和操作干扰大、布设点位困难，布设难度大，仪器的价格过于昂贵，测点数量繁多且受限制与结构的方式，仪器的耐久性不佳，更换拆卸不方便。为此，对于木结构的圆柱倾斜监测寻求一种适用性和针对性较强的监测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，提供一被测圆柱以及一用于承载该被测圆柱的圆柱形石础，按照如下步骤实现：

步骤S1：在所述被测圆柱侧面底部贴设横截面为圆环形的木块，且所述木块的内圆弧面与所述被测圆柱的侧面贴合，所述木块的下表面与所述石础的上表面留设一间隙；

步骤S2：将一柱状的光纤光栅应变传感器的一端贴设于所述木块的外圆弧面，另一端贴设于所述石础的侧面，且该光纤光栅应变传感器竖直设置；

步骤S3：所述光纤光栅应变传感器将所采样的应变值发送至一光纤光栅应变监测模块，获取所述被测圆柱的水平倾斜值以及倾斜方向，并将所述水平倾斜值与一预设预警水平倾斜值比较；若水平倾斜采样值大于该预设预警水平倾斜值，则所述光纤光栅应变监测模块通过预警模块，发送预警信号，提醒维护人员。

在本发明一实施例中，所在所述步骤S1中，所述木块的设置位置通过如下步骤确定：

步骤S11：获取所述被测圆柱的横截面圆；

步骤S12：在所述横截面圆的圆周上选取一点，作为第一选取点；过所述第一选取点，并经所述横截面圆的圆心，交所述横截面圆的圆周于另外一点，作为所述第二选取点；在所述横截面圆的圆周上，除所述第一选取点以及第二选取点外，选取一点作为第三选取点，且所述第一选取点、所述第二选取点以及所述第三选取点形成一个内接直角三角形；

步骤S13：分别对应在所述第一选取点、所述第二选取点以及所述第三选取点的竖直方向上设置第一木块、第二木块以及第三木块。

在本发明一实施例中，所在所述步骤S2中，所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第一选取点的延长线与设置于所述第一木块处的第一光纤光栅应变传感器的中轴线相交于一点；所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第二选取点的延长线与设置于所述第二木块处的第二光纤光栅应变传感器的中轴线相交于一点；所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第三选取点的延长线与设置于所述第三木块处的第三光纤光栅应变传感器的中轴线相交于一点。

在本发明一实施例中，所在所述步骤S1中，所述木块内圆弧面与所述被测圆柱设置有一粘结层，且该粘结层的厚度为0.05d，所述木块横截面圆环的内径为1.05d，外径为D，所述间隙高度为D1；其中，d为所述被测圆柱的直径，D为所述石础的直径。

在本发明一实施例中，所在所述步骤S3中，按照如下步骤获取所述水平倾斜采样值：

步骤S31：分别获取所述第一光纤光栅应变传感器处的第一应变值ε₁、所述第二光纤光栅应变传感器处的第二应变值ε₂以及所述第三光纤光栅应变传感器处的第三应变值ε₃；

步骤S32：将所述第一应变值ε₁以及所述第二应变值ε₂输入如下公式中获取所述被测圆柱的倾斜度数θ：

Δ＝ε_cen×p，

其中，ε_cen表示所述被测圆柱横截面圆的圆心应变值，D为所述石础的直径，p为光纤光栅应变传感器的标距,Δ为圆心点拉伸长度；

步骤S33：通过层间水平位移模型获取所述被测圆柱的水平倾斜值s＝h/cosθ，其中，h为层间高度；

步骤S34：判断并选取所述第一应变值ε₁、所述第二应变值ε₂以及所述第三应变值ε₃中最大应变值ε_max、第一中间应变值ε_mid以及最小应变值ε_min；在由所述最大应变值ε_max与所述最小应变值ε_min所确定的第一点位连线l₁上，确定所述第一中间应变值ε_mid在所述第一点位连线l₁所在的位置，并将其标定为第二中间应变值ε′_mid；通过所述第一中间应变值ε_mid以及所述第二中间应变值ε′_mid确定第二点位连线l₂；过所述被测圆柱横截面圆圆点确定所述第二点位连线l₂的垂直线l₃，该垂直线l₃指向所述最小应变值ε_min的方向即为所述被测圆柱的倾斜方向，该垂直线l₃与所述石础横截面圆的圆周相交的点为倾斜点。

在本发明一实施例中，所在所述步骤S34中，按等比例划分的方式在所述第一点位连线l₁确定所述第二中间应变值ε′_mid的位置。

在本发明一实施例中，所述被测圆柱的倾斜处于弹性范围，且倾斜角度为小变形倾斜，所述倾斜角度θ≤3°。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，根据木结构圆柱与石础平放的特殊性，采用基于光纤光栅应变传感器和相似四边形法，克服了传统监测方法在古建筑监测领域的局限性，具有很强的针对性和实用性，且在仪器安装拆卸十分方便，有利于长期性的监测。而且，在本发明的技术方案中将被测位置设置于圆柱柱脚与石础交接处，布设点位方便，不受结构的影响，适用于角柱、边柱、中柱各种实际建筑情况下的柱子监测，且在价格上经济实用，免去了昂贵的仪器费用，在实际工程中，适用于布设在建筑所有的柱子中。

附图说明

图1为本发明中一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法的流程图。

图2为本发明中一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法中的选取点选取示意图。

图3为本发明中一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法中的木块布设位置俯视图。

图4为本发明中一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法中的木块的横截面示意图。

图5为本发明中一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法中的光纤光栅应变传感器位置示意图。

图6为本发明中一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法中的圆柱倾斜整体布设示意图。

【标号说明】：1-木块；111-木块外圆弧面；12-木块内圆弧面；2-粘结层；3-被测圆柱；4-光纤光栅应变传感器；5-石础；6-第一木块；7-第二木块；8-第三木块；9-第一光纤光栅应变传感器；10-第二光纤光栅应变传感器；11-第三光纤光栅应变传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

近来年，光纤光栅传感器的发展，以其较高的稳定性、耐久性和体积占用小，操作简便，拆卸方便等优点，而受到人们的关注。本发明针对古木建筑圆柱以光纤光栅应变传感器技术为基础，采用简单数学函数(包括三角函数)公式提出了一套监测圆柱倾斜量的简单易行的方法，能够实现对木结构圆柱的变形监测和预警。该方法能够有效长期即时地监测古木建筑圆柱出现的倾斜变形，所用的仪器具有耐高温、耐腐蚀性和稳定性强，仪器安装拆卸对结构无扰动，且操作方便简便，可以很好适用木结构圆柱的变形监测和预警。

进一步的，本发明提供一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，提供一被测圆柱3以及一用于承载该被测圆柱3的圆柱形石础5，如图1以及图3～图6所示，按照如下步骤实现：

步骤S1：在所述被测圆柱3侧面底部贴设横截面为圆环形的木块1，且所述木块1的内圆弧面12与所述被测圆柱1的侧面贴合，所述木块1的下表面与所述石础5的上表面留设一间隙；

步骤S2：将一柱状的光纤光栅应变传感器4的一端镜粘结剂贴设于所述木块1的外圆弧面111，另一端经粘结剂贴设于所述石础5的侧面，且该光纤光栅应变传感器4竖直设置；

步骤S3：所述光纤光栅应变传感器4将所采样的应变值发送至一光纤光栅应变监测模块，获取所述被测圆柱的水平倾斜值以及倾斜方向，并将所述水平倾斜值与一预设预警水平倾斜值比较；若水平倾斜采样值大于该预设预警水平倾斜值，则所述光纤光栅应变监测模块通过预警模块，发送预警信号，提醒维护人员，进行加固整治。在本实施例中，该预设预警水平倾斜值即可根据现场被测圆柱的具体参数以及设置环境进行具体设置。

在本实施例中，在所述步骤S1中，如图2、图3和图6所示，所述木块的设置位置通过如下步骤确定：

步骤S11：获取所述被测圆柱的横截面圆；

步骤S12：在所述横截面圆的圆周上选取一点，作为第一选取点D1；过所述第一选取点D1，并经所述横截面圆的圆心，交所述横截面圆的圆周于另外一点，作为所述第二选取点D2；在所述横截面圆的圆周上，除所述第一选取点D1以及第二选取点D2外，选取一点作为第三选取点D3，且所述第一选取点D1、所述第二选取点D2以及所述第三选取点D3形成一个内接直角三角形；

步骤S13：分别对应在所述第一选取点D1、所述第二选取点D2以及所述第三选取点D3的竖直方向上设置第一木块6、第二木块7以及第三木块8。

进一步的，在本实施例中，如图3、图5以及图6所示，在所述步骤S2中，所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第一选取点D1的延长线与设置于所述第一木块6处的第一光纤光栅应变传感器9的中轴线相交于一点；所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第二选取点D2的延长线与设置于所述第二木块7处的第二光纤光栅应变传感器10的中轴线相交于一点；所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第三选取点D3的延长线与设置于所述第三木块8处的第三光纤光栅应变传感器11的中轴线相交于一点。

进一步的，在本实施例中，如图4～图6所示，在所述步骤S1中，所述木块内圆弧面12与所述被测圆柱3侧面之间设置有一粘结层2，且该粘结层2的厚度为0.05d，且木块内圆弧面12经该粘结层2与被测圆柱3的侧面完全贴合；所述木块横截面圆环的内径为1.05d，外径为D，即木块的外圆弧面111与石础5处于同一曲面，，所述间隙高度为D1；其中，d为所述被测圆柱的直径，D为所述石础的直径，D1取值为2～5cm，且可根据现场具体情况进行设置或选取。

进一步的，在所述步骤S3中，如图3所示，按照如下步骤获取所述水平倾斜采样值：

步骤S31：分别获取所述第一光纤光栅应变传感器处的第一应变值ε₁、所述第二光纤光栅应变传感器处的第二应变值ε₂以及所述第三光纤光栅应变传感器处的第三应变值ε₃；

步骤S32：将所述第一应变值ε₁以及所述第二应变值ε₂输入如下的公式中获取所述被测圆柱的倾斜度数θ：

Δ＝ε_cen×p，

其中，ε_cen表示所述被测圆柱横截面圆的圆心应变值，D为所述石础的直径，p为光纤光栅应变传感器的标距，Δ为圆心点的拉伸长度；在本实施例中，该倾斜度数θ的余弦值需要保留6位有效小数，以具有足够的精度要求。

步骤S33：通过水平层间位移模型获取所述被测圆柱的水平倾斜值s＝h/cosθ，其中，h为层间高度，即每一层建筑的高度，也即层间被测圆柱的高度，且该处的被测圆柱是贯通好几层的；

步骤S34：判断并选取所述第一应变值ε₁、所述第二应变值ε₂以及所述第三应变值ε₃中最大应变值ε_max、第一中间应变值ε_mid以及最小应变值ε_min；在由所述最大应变值ε_max与所述最小应变值ε_min所确定的第一点位连线l₁上，确定所述第一中间应变值ε_mid在所述第一点位连线l₁所在的位置，并将其标定为第二中间应变值ε′_mid，在本实施例中，按等比例划分的方式在所述第一点位连线l₁确定所述第二中间应变值ε′_mid的位置。；通过所述第一中间应变值ε_mid以及所述第二中间应变值ε′_mid确定第二点位连线l₂；过所述被测圆柱横截面圆圆点确定所述第二点位连线l₂的垂直线l₃，该垂直线l₃指向所述最小应变值ε_min的方向即为所述被测圆柱的倾斜方向，该垂直线l₃与所述石础横截面圆的圆周相交的点为倾斜点。

进一步的，在本实施例中，上述步骤S1～步骤S3中的对待光纤光栅应变传感器的点位选取以及应变值的获取与标定，均可采用所获取的数据表格在Matlab中自动识别或采用Excel软件完成，进而获取最大应变ε_max、最小应变ε_min以及第一中间应变ε_mid所在位置，最终得到倾斜点的位置，以及通过简单数学函数(包括三角函数)公式计算得到倾斜度数θ。

进一步的，在本实施例中，所述被测圆柱的倾斜处于弹性范围，且倾斜角度为小变形倾斜，倾斜角度θ≤3°。所述被测圆柱经过验证，其弯曲变形可以忽略不计，主要变形在于倾斜变形。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，提供一被测圆柱以及一用于承载该被测圆柱的圆柱形石础，其特征在于，按照如下步骤实现：

步骤S1：在所述被测圆柱侧面底部贴设横截面为圆环形的木块，且所述木块的内圆弧面与所述被测圆柱的侧面贴合，所述木块的下表面与所述石础的上表面留设一间隙；

步骤S2：将一柱状的光纤光栅应变传感器的一端贴设于所述木块的外圆弧面，另一端贴设于所述石础的侧面，且该光纤光栅应变传感器竖直设置；

步骤S3：所述光纤光栅应变传感器将所采样的应变值发送至一光纤光栅应变监测模块，获取所述被测圆柱的水平倾斜值以及倾斜方向，并将所述水平倾斜值与一预设预警水平倾斜值比较；若水平倾斜采样值大于该预设预警水平倾斜值，则所述光纤光栅应变监测模块通过预警模块，发送预警信号，提醒维护人员。

2.根据权利要求1所述的一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述木块的设置位置通过如下步骤确定：

步骤S11：获取所述被测圆柱的横截面圆；

步骤S12：在所述横截面圆的圆周上选取一点，作为第一选取点；过所述第一选取点，并经所述横截面圆的圆心，交所述横截面圆的圆周于另外一点，作为所述第二选取点；在所述横截面圆的圆周上，除所述第一选取点以及第二选取点外，选取一点作为第三选取点，且所述第一选取点、所述第二选取点以及所述第三选取点形成一个内接直角三角形；

步骤S13：分别对应在所述第一选取点、所述第二选取点以及所述第三选取点的竖直方向上设置第一木块、第二木块以及第三木块。

3.根据权利要求2所述的一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第一选取点的延长线与设置于所述第一木块处的第一光纤光栅应变传感器的中轴线相交于一点；所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第二选取点的延长线与设置于所述第二木块处的第二光纤光栅应变传感器的中轴线相交于一点；所述被测圆柱横截面圆的圆心与所述第三选取点的延长线与设置于所述第三木块处的第三光纤光栅应变传感器的中轴线相交于一点。

4.根据权利要求1所述的一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述木块内圆弧面与所述被测圆柱设置有一粘结层，且该粘结层的厚度为0.05d，所述木块横截面圆环的内径为1.05d，外径为D，所述间隙高度为D1；其中，d为所述被测圆柱的直径，D为所述石础的直径。

5.根据权利要求2所述的一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，按照如下步骤获取所述水平倾斜采样值：

步骤S31：分别获取所述第一光纤光栅应变传感器处的第一应变值ε₁、所述第二光纤光栅应变传感器处的第二应变值ε₂以及所述第三光纤光栅应变传感器处的第三应变值ε₃；

步骤S32：将所述第一应变值ε₁以及所述第二应变值ε₂输入如下公式中获取所述被测圆柱的倾斜度数θ：

${\mathrm{\ϵ}}_{cen}=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2)}{2},$

Δ＝ε_cen×p，

$cos\mathrm{\θ}=\frac{({\left(\frac{D}{2}\right)}^2+{\left(\frac{D}{2}\right)}^2-{\mathrm{\Δ}}^2)}{2{\left(\frac{D}{2}\right)}^2},$

其中，ε_cen表示所述被测圆柱横截面圆的圆心应变值，D为所述石础的直径，p为光纤光栅应变传感器的标距,Δ为圆心点拉伸长度；

步骤S33：通过层间水平位移模型获取所述被测圆柱的水平倾斜值s＝h/cosθ，其中，h为层间高度；

步骤S34：判断并选取所述第一应变值ε₁、所述第二应变值ε₂以及所述第三应变值ε₃中最大应变值ε_max、第一中间应变值ε_mid以及最小应变值ε_min；在由所述最大应变值ε_max与所述最小应变值ε_min所确定的第一点位连线l₁上，确定所述第一中间应变值ε_mid在所述第一点位连线l₁所在的位置，并将其标定为第二中间应变值ε'_mid；通过所述第一中间应变值ε_mid以及所述第二中间应变值ε'_mid确定第二点位连线l₂；过所述被测圆柱横截面圆圆点确定所述第二点位连线l₂的垂直线l₃，该垂直线l₃指向所述最小应变值ε_min的方向即为所述被测圆柱的倾斜方向，该垂直线l₃与所述石础横截面圆的圆周相交的点为倾斜点。

6.根据权利要求5所述的一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，其特征在于，在所述步骤S34中，按等比例划分的方式在所述第一点位连线l₁确定所述第二中间应变值ε'_mid的位置。

7.根据权利要求5所述的一种适用于古建筑木结构圆柱倾斜的长期监测方法，其特征在于，所述被测圆柱的倾斜处于弹性范围，且倾斜角度为小变形倾斜，所述倾斜角度θ≤3°。