台风作用下木构古建筑变形监测与特征研究★

符映红 柳盛霖 毛江鸿 董亚波

(1.宁波市保国寺古建筑博物馆，浙江 宁波 315033；2.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100； 3.浙江大学计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310058)



台风作用下木构古建筑变形监测与特征研究★

符映红1柳盛霖2毛江鸿2董亚波3

(1.宁波市保国寺古建筑博物馆，浙江 宁波 315033；2.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100； 3.浙江大学计算机科学与技术学院，浙江 杭州 310058)

阐述了木构古建筑变形监测的现状，介绍了基于光纤光栅的应变传感器技术，并在宁波市保国寺大殿主梁应变监测中进行了应用研究，通过人工重力加载试验研究了主梁的协同工作性能，记录和分析了台风作用下保国寺大殿主梁的应变变化过程，结果表明，该监测手段能有效工作，可为木构古建筑的日常维护和维修加固提供重要的依据。

木结构，古建筑，变形监测，光纤光栅传感器，台风

0 引言

木构古建筑的保护近年来一直受到广泛关注，但大多关注古建筑木材的特性以及结构修复方面。采用雷达超声波法可分析和判断木结构缺陷及其位置和范围，并可对木结构柱缺陷程度做出评价[1]。应力波反射法通过对木结构系统动态响应的小波分析,可识别木结构是否存在缺陷[2]。上述技术主要集中在木结构材料的检测与分析，而针对木结构整体性能监测的研究较少。李奇等人[3]通过对颐和园佛香阁的激光扫描，完成佛香阁整体点云数据的拼接，最终得到佛香阁通天柱的倾斜方向及倾斜角度，然而，该技术难以实现实时监测。

目前，传统的结构变形检测以电阻式应变片为主，但受环境温湿度、电磁干扰等影响显著，难以实现长期监测。振弦式传感技术经过封装后具备长期稳定工作的能力，已在土木工程结构检测中大量应用[4]。然而，受限于木构古建筑的结构形式，结构内部往往处于高湿状态，湿度高也是木结构古建筑中白蚁蛀蚀、材质变形、腐朽的主要原因。因此，木构古建筑的结构健康监测系统需克服高湿度的影响。光纤光栅传感技术(FBG)最早于1989年由美国学者Morey[5]提出，随后普遍应用于结构应变量测中。相比于传统的应变量测技术，FBG技术具备不受电磁干扰、长期稳定、精度高、可复用等优点[6]，已成为土木工程健康监测领域热点技术，然而，在木构古建筑健康监测中的应用研究并不多见。陆铮为了解上海市沉香阁木结构节点的变形情况，将光纤光栅传感器安装到阁内梁、柱的临时支撑上来验证临时支撑作用的有效性[7]。任小芳等人[8]基于3×3耦合器的M-Z干涉解调技术和Labview相结合的方法，设计了古建筑结构健康监测系统。

本文的研究对象为宁波保国寺大殿，该大殿已有一千多年历史，期间经历过各种极限荷载，而如今仍处于正常工作状态，可见其结构设计的合理性。然而，保国寺大殿的受力构件(木材)在高温、台风等恶劣环境荷载作用下，必然出现横截面下降、构件承载力降低等情况；同时，保国寺大殿的节点均为榫卯节点，整体上为半刚接体系，关键节点和构件对结构整体受力性能的影响较大。因此，为了保护保国寺大殿完好传承，本文在保国寺大殿的木构件上安装了光纤光栅传感器，并监测和评估了台风对保国寺大殿的影响。

1 光纤光栅传感技术原理

布拉格光纤光栅技术(FBG)可获取光纤光栅中心波长(λ)的改变，中心波长和纤芯有效折射率(n)和光栅周期(Λ)之间存在如下对应关系[9]：

λ=2nΛ。

当光栅受到外部荷载作用时，光栅周期将发生变化，同时由于光弹效应也会导致光栅折射率变化，从而引起布拉格波长改变。通过解调布拉格光栅中心波长实现被结构应变检测。在不考虑温度应变耦合作用的情况下，中心波长与其相应的温度、应变有如下线性关系：

Δλ=αεΔε+αTΔT。

其中，αε，αT分别为应变和温度灵敏度系数；Δλ为布拉格中心波长的漂移量；Δε，ΔT分别为应变和温度增量。

2 保国寺大殿应变监测系统及调试

2.1 光纤光栅(FBG)传感器的安装

选择保国寺大殿的关键结构部位进行监测，传感器安装部位选择在保国寺大殿西侧主梁，该主梁由上梁(标记为梁Ⅰ)和下梁(标记为梁Ⅱ)组成。在梁Ⅰ的受拉区和受压区埋设了2个FBG传感器，在梁Ⅱ的受拉区和受压区也布设2个FBG传感器，测温光纤光栅传感器放置在应变传感器周边，起到温度补偿作用。所有传感器串联后连入MOI SM125型光纤光栅解调仪记录应变数据。其布设位置如图1所示。

2.2 监测系统的调试

不同于现代土木工程结构，木构古建筑作为文物，无法进行破坏性试验来研究结构的工作性能，只允许开展验证性试验。本文在充分评估保国寺大殿木构件承载能力的基础上，采用人工施加荷载的方式，考察应变监测系统是否能有效的工作。共配置2名试验人员进行加载，其中，实验员Ⅰ体重为60 kg，实验员Ⅱ体重为80 kg，现场加载过程如图2所示。

人工重力加载过程分四个阶段，分别为实验员Ⅰ加载、实验员Ⅰ和实验员Ⅱ同时加载、卸除实验员Ⅱ荷载、卸载实验员Ⅰ荷载。期间开启实时监测功能，记录光纤光栅的应变值，测试结果如图3所示。

由图2可知，人工重力加载时集中力直接主要作用在梁Ⅰ上，再通过支座间接传递至梁Ⅱ。图3测试结果可以看出，加载和卸载过程中，梁Ⅰ的受拉区FBG传感器能明显识别出四个加卸载阶段(最大应变值也仅为5 με)，而其他位置的FBG传感器可感应到荷载变化过程，但没有明显的四个加卸载阶段。结果说明，4个FBG传感器均能正常感应结构的变形特征，但由于人工重力加载的荷载值较小，传递至梁Ⅱ的荷载非常小，从另一个角度分析可知保国寺大殿主梁的上、下梁之间保持了较好的协同工作。

3 保国寺大殿在台风作用下服役状态

宁波市地处浙东沿海地区，每年夏秋季节都会受到台风的影响，宁波保国寺大殿在台风作用下服役状态的记录和评估是进行保国寺大殿维护的关键数据。本文测试和评估了保国寺大殿主梁在某次超强台风作用下的变形特征，台风影响周期为8月7日～8月9日，登入宁波市的时间为8月8日12点前后，测试结果如图4，图5所示。

由图4，图5可知，无论是梁Ⅰ还是梁Ⅱ，在超强台风的作用下均感应到了较大的荷载变化。梁Ⅰ的受拉区FBG传感器呈现出应变持续增加(见图4a))，特别是8月8日12点前后，出现明显的应变跳跃。图4b)中可以发现台风登陆宁波当天，保国寺大殿结构产生了显著影响，特别是8点～14点期间，应变快速增加约20 με，而2.2节的人工重力加载时(最大荷载140 kg)仅产生约5 με，可见台风对保国寺大殿主梁影响可能达到560 kg，该荷载由大风以及暴雨作用于屋面后传递至梁Ⅰ。同时，梁Ⅱ的受压区FBG传感器也感应到了较为显著的荷载值。

4 结语

本文针对木结构整体性能监测方面的研究较少的问题，提出采用光纤光栅传感器进行木构古建筑变形监测的应用研究，并对台风期间的宁波保国寺大殿进行了监测和评估。人工重力加载试验表明，保国寺大殿主梁的上、下梁之间保持了较好的协同工作，同时，由台风期间的监测数据可推算保国寺大殿主梁承受的荷载值。本文采用的光纤光栅传感技术能在宁波保国寺大殿主梁监测中取得有效、稳定的监测数据，有利于大殿的日常维护，并为必要的维修加固提供了精确的数据支持。同时，为了获得更为完善的监测数据，将以光纤光栅传感技术为核心，构建更完备的结构健康监测系统。

[1] 张 珏,林锦涛,张世民.雷达和超声波法无损检测木结构[J].山西建筑,2012,38(14):33-34.

[2] 李瑞军,白润山,麻建锁,等.应用应力波反射法进行木结构无损检测研究[J].建筑技术,2015,46(8):752-754.

[3] 李 奇,周 伟,李 畅.古建筑监测与保护三维信息管理系统研究——以佛香阁数据管理为例[J].华中师范大学学报(自然科学版),2013,47(1):141-144.

[4] 陈常松,颜东煌,陈政清,等.混凝土振弦式应变计测试技术研究[J].中国公路学报,2004,17(1):29-33.

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

[6] 李宏男，任 亮.结构健康监测光纤光栅传感技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2008.

[7] 陆 铮.光纤光栅用于木结构健康监测技术[J].住宅科技,2005(11):25-28.

[8] 任小芳,贾 栋,赵 辉,等.基于光纤Bragg光栅的古建筑结构健康监测技术研究[J].传感技术学报,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

★:国家文物局文物保护领域创新联盟项目“木构古建筑健康状态分析评估方法研究”；国家科技支撑计划课题(课题编号：2013BAK01B04)；宁波市科技创新团队项目(项目编号：2011B81005)；浙江大学宁波理工学院人才引进基金项目(项目编号：1140357G301)

符映红(1974- )，女，文博馆员; 毛江鸿(1985- )，男，博士，副教授

TU196.1

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