符映紅 柳盛霖 毛江鴻 董亞波

(1.寧波市保國(guó)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310058)

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臺(tái)風(fēng)作用下木構(gòu)古建筑變形監(jiān)測(cè)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(guó)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(jì)算機(jī)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(cè)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(guó)寺大殿主梁應(yīng)變監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用研究，通過人工重力加載試驗(yàn)研究了主梁的協(xié)同工作性能，記錄和分析了臺(tái)風(fēng)作用下保國(guó)寺大殿主梁的應(yīng)變變化過程，結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)手段能有效工作，可為木構(gòu)古建筑的日常維護(hù)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(cè)，光纖光柵傳感器，臺(tái)風(fēng)

0 引言

木構(gòu)古建筑的保護(hù)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(dá)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(duì)木結(jié)構(gòu)柱缺陷程度做出評(píng)價(jià)[1]。應(yīng)力波反射法通過對(duì)木結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的小波分析,可識(shí)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(cè)與分析，而針對(duì)木結(jié)構(gòu)整體性能監(jiān)測(cè)的研究較少。李奇等人[3]通過對(duì)頤和園佛香閣的激光掃描，完成佛香閣整體點(diǎn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。振弦式傳感技術(shù)經(jīng)過封裝后具備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的能力，已在土木工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)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(cè)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(guó)學(xué)者M(jìn)orey[5]提出，隨后普遍應(yīng)用于結(jié)構(gòu)應(yīng)變量測(cè)中。相比于傳統(tǒng)的應(yīng)變量測(cè)技術(shù)，F(xiàn)BG技術(shù)具備不受電磁干擾、長(zhǎng)期穩(wěn)定、精度高、可復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)[6]，已成為土木工程健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域熱點(diǎn)技術(shù)，然而，在木構(gòu)古建筑健康監(jiān)測(cè)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(diǎn)的變形情況，將光纖光柵傳感器安裝到閣內(nèi)梁、柱的臨時(shí)支撐上來驗(yàn)證臨時(shí)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(jì)了古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本文的研究對(duì)象為寧波保國(guó)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(jì)的合理性。然而，保國(guó)寺大殿的受力構(gòu)件(木材)在高溫、臺(tái)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(shí)，保國(guó)寺大殿的節(jié)點(diǎn)均為榫卯節(jié)點(diǎn)，整體上為半剛接體系，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響較大。因此，為了保護(hù)保國(guó)寺大殿完好傳承，本文在保國(guó)寺大殿的木構(gòu)件上安裝了光纖光柵傳感器，并監(jiān)測(cè)和評(píng)估了臺(tái)風(fēng)對(duì)保國(guó)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(zhǎng)(λ)的改變，中心波長(zhǎng)和纖芯有效折射率(n)和光柵周期(Λ)之間存在如下對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]：

λ=2nΛ。

當(dāng)光柵受到外部荷載作用時(shí)，光柵周期將發(fā)生變化，同時(shí)由于光彈效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致光柵折射率變化，從而引起布拉格波長(zhǎng)改變。通過解調(diào)布拉格光柵中心波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)被結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測(cè)。在不考慮溫度應(yīng)變耦合作用的情況下，中心波長(zhǎng)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(zhǎng)的漂移量；Δε，ΔT分別為應(yīng)變和溫度增量。

2 保國(guó)寺大殿應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及調(diào)試

2.1 光纖光柵(FBG)傳感器的安裝

選擇保國(guó)寺大殿的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器安裝部位選擇在保國(guó)寺大殿西側(cè)主梁，該主梁由上梁(標(biāo)記為梁Ⅰ)和下梁(標(biāo)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(gè)FBG傳感器，在梁Ⅱ的受拉區(qū)和受壓區(qū)也布設(shè)2個(gè)FBG傳感器，測(cè)溫光纖光柵傳感器放置在應(yīng)變傳感器周邊，起到溫度補(bǔ)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(cè)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(jìn)行破壞性試驗(yàn)來研究結(jié)構(gòu)的工作性能，只允許開展驗(yàn)證性試驗(yàn)。本文在充分評(píng)估保國(guó)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(cè)系統(tǒng)是否能有效的工作。共配置2名試驗(yàn)人員進(jìn)行加載，其中，實(shí)驗(yàn)員Ⅰ體重為60 kg，實(shí)驗(yàn)員Ⅱ體重為80 kg，現(xiàn)場(chǎng)加載過程如圖2所示。

人工重力加載過程分四個(gè)階段，分別為實(shí)驗(yàn)員Ⅰ加載、實(shí)驗(yàn)員Ⅰ和實(shí)驗(yàn)員Ⅱ同時(shí)加載、卸除實(shí)驗(yàn)員Ⅱ荷載、卸載實(shí)驗(yàn)員Ⅰ荷載。期間開啟實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，記錄光纖光柵的應(yīng)變值，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖2可知，人工重力加載時(shí)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(cè)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(shí)別出四個(gè)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(gè)加卸載階段。結(jié)果說明，4個(gè)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(gè)角度分析可知保國(guó)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(guó)寺大殿在臺(tái)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(huì)受到臺(tái)風(fēng)的影響，寧波保國(guó)寺大殿在臺(tái)風(fēng)作用下服役狀態(tài)的記錄和評(píng)估是進(jìn)行保國(guó)寺大殿維護(hù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本文測(cè)試和評(píng)估了保國(guó)寺大殿主梁在某次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下的變形特征，臺(tái)風(fēng)影響周期為8月7日～8月9日，登入寧波市的時(shí)間為8月8日12點(diǎn)前后，測(cè)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(qiáng)臺(tái)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(diǎn)前后，出現(xiàn)明顯的應(yīng)變跳躍。圖4b)中可以發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)登陸寧波當(dāng)天，保國(guó)寺大殿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響，特別是8點(diǎn)～14點(diǎn)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(shí)(最大荷載140 kg)僅產(chǎn)生約5 με，可見臺(tái)風(fēng)對(duì)保國(guó)寺大殿主梁影響可能達(dá)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(shí)，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(duì)木結(jié)構(gòu)整體性能監(jiān)測(cè)方面的研究較少的問題，提出采用光纖光柵傳感器進(jìn)行木構(gòu)古建筑變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究，并對(duì)臺(tái)風(fēng)期間的寧波保國(guó)寺大殿進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和評(píng)估。人工重力加載試驗(yàn)表明，保國(guó)寺大殿主梁的上、下梁之間保持了較好的協(xié)同工作，同時(shí)，由臺(tái)風(fēng)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可推算保國(guó)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(guó)寺大殿主梁監(jiān)測(cè)中取得有效、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，有利于大殿的日常維護(hù)，并為必要的維修加固提供了精確的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，為了獲得更為完善的監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)。

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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(guó)家文物局文物保護(hù)領(lǐng)域創(chuàng)新聯(lián)盟項(xiàng)目“木構(gòu)古建筑健康狀態(tài)分析評(píng)估方法研究”；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(課題編號(hào)：2013BAK01B04)；寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2011B81005)；浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院人才引進(jìn)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：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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