古建筑木梁健康状况监测方法研究.pdf

摘要 摘要 近年来，结构健康监测技术在文物建筑保护中的应用越来越受到国内外相关专业 人士的关注和重视，健康状况监测将是木结构古建筑预防性保护的重要一环。由于木 材特殊的材料属性和古建筑保护的修缮原则，目前还没有形成成熟的古建筑木结构健 康状况监测的方法和技术，缺少基于木构件尺寸、残损现状、载荷情况等参数精确确 定木构件危险点和传感器布置位置的计算方法，也缺少根据监测数据判断木构件安全 程度的方法。本文以古建筑木结构中最重要的承重构件之一――木梁为对象，研究专 门针对古建筑木梁健康状况监测的方案，探讨带缺陷木梁承载安全性的变化规律，为 将来建立古建筑木结构整体的健康状况监测系统奠定部分基础。 首先，本文确定了木梁健康状况应监测应变（应力）、含水率、温度、湿度等参 数，基于监测参数和监测要求进行了传感器选型。然后，在设定木梁安全性判定标准 的基础上，以古建筑抬梁式木结构中承载载荷和工作应力最大的七架梁为对象，利用 Abaqus 有限元软件模拟计算了梁上存在裂纹、内部腐朽和空洞、断裂等不同缺陷时 木梁安全性的变化规律，确定了带缺陷木梁的最大工作应力位置，通过试验验证了数 值模拟结果的正确性和可靠性，为应变（应力）传感器的布设位置和监测数据的解读 提供了依据。最后，基于LabVIEW 软件和选定的传感器等硬件搭建了古建筑木梁健 康状况监测系统，通过对带缺陷木梁的模拟监测应用，验证了该系统的实用性。 本文建立了木梁安全性的判定方法，并利用Abaqus 有限元软件研究不同缺陷类 型、不同缺陷大小以及不同缺陷位置对木梁安全性的影响；根据木梁尺寸、残损状况、 载荷等，数值模拟木梁应力分布情况，精确确定应变（应力）传感器的布设位置，并 确定了木梁应变测量值与其最大应变值之间的定量关系。研究结果表明：数值模拟可 以精确计算出木梁最大拉应力位置及其数值，是定量研究缺陷对木梁安全性影响和确 定木梁安全性监测应变（应力）传感器安装位置的良好方法；基于搭建的古建筑木梁 健康状况监测系统对木梁进行安全性监测和评估是可行的。 关键词：古建筑木梁，健康状况，缺陷，安全性，数值模拟，监测 I 目录 目录 1 绪论 1 1.1 古建筑木梁概述 1 1.1.1 古建筑木结构 1 1.1.2 古建筑木梁的种类、功能、常见树种2 1.1.3 古建筑木梁的常见缺陷2 1.1.4 七架梁3 1.2 结构健康监测技术的应用与研究现状4 1.2.1 结构健康监测技术概述4 1.2.2 结构健康监测技术的应用与研究4 1.3 古建筑木结构健康状况监测方法的国内外研究现状5 1.4 本研究的目的与主要内容7 1.4.1 本研究的目的7 1.4.2 本研究的主要内容 8 2 监测参数与传感器选择9 2.1 监测参数确定9 2.2 传感器选型9 2.2.1 应变传感器 10 2.2.2 含水率传感器 10 2.2.3 温湿度传感器 12 2.3 传感器布设 13 2.4 本章小结 14 3 古建筑木梁缺陷安全性影响数值模拟研究 15 3.1 安全性定义 15 3.2 七架梁缺陷几何模型建立 17 3.2.1 无缺陷七架梁几何模型 17 3.2.2 带裂纹缺陷的七架梁几何模型 18 3.