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考虑长期环境和地震作用的古建木结构监测与损伤演化研究

吴铭昊  
【摘要】:古建木结构是我国重要的文物和珍贵的历史文化遗产,在世界上享有极高的盛誉。近年来随着长期环境腐蚀、地震灾害和人为作用等影响,越来越多的古建木结构都存在不同程度的变形和损伤,严重者甚至濒临垮塌。因此建立结构健康监测系统,揭示结构服役过程中的损伤机理,结合监测数据对结构的损伤程度进行合理评价能够帮助管理者全面地了解结构的安全状态,更好地实现在役古建木结构的维护修缮工作。现有的监测技术存在诸如无法实时监测、数据集成繁琐和批量化监测成本高等问题;同时大多古建木结构研究侧重于力学性能分析,对于环境侵蚀和地震作用下的结构损伤机理和评估还存在着考虑因素和损伤评价不全面等问题。为此,本文首先基于FBG传感技术提出了古建木结构变形监测技术,实现了古建木结构响应值的实时监测;其次,研究了长期环境侵蚀和瞬时地震作用下古建木结构损伤演化分析方法,揭示了结构从完好到失效过程中的损伤发展、演化和失效机理;最后,结合监测数据和损伤演化分析方法对某在役古建木结构开展了状态监测和损伤演化研究。本文的主要研究工作和取得的成果如下:(1)开展了基于FBG光纤传感技术的古建木结构变形监测方法研究,为后期健康监测系统布设和损伤演化研究提供了数据支持。在考虑古建木结构梁柱连接特点的基础上,基于多项式函数拟合和空间三角函数关系推导了古建木梁挠度、木柱倾角与结构应变的对应关系,提出了一种采用单一传感器技术获取结构多种构件变形值的方法,实现了监测系统的分布式串联布设,简化了系统构成和批量化监测成本。基于理论和仿真分析验证了监测方法在古建木结构中的适用性。实验室木梁静载试验和木柱倾覆试验的结果表明所提方法具有良好的精度和可行性。(2)开展了考虑长期环境影响的木材本构模型和古建木结构损伤演化模拟研究。对某古建木结构修缮替换下来的木材进行材性测试,结合新木材材性试验研究了新旧木材的材性参数和材性退化规律;在此基础上综合考虑了温湿度应力、普通蠕变、机械吸附蠕变效应和塑性变形等因素,推导了考虑长期环境影响的的木材弹塑性本构方程,通过编写UMAT子程序将推导的本构模型编写到有限元软件中,实现了考虑长期环境因素的木材仿真模拟;将仿真模拟的结果同材性测试以及木梁抗弯试验结果进行对比,发现所提的木材本构模型和仿真模拟方法是准确有效的,为考虑长期温湿循环作用的结构整体损伤演化分析提供了仿真工具。(3)开展了考虑地震作用的古建木结构多尺度地震损伤演化方法研究。首先基于多点约束法建立了古建木结构多尺度混合模型,能够在提高计算效率的基础上有效把握结构整体结构力学能和局部破坏细节。然后以广义力-广义位移曲线为基础构造了结构广义损伤指标,结合抗震性能水准设计理论提出了古建木结构多尺度一致性损伤指标,实现了古建木结构中各尺度之间的损伤演化。榫卯节点拟静力测试数据表明所提的损伤指标能够对结构各个尺度的损伤进行有效评估。最后以3层古建木框架模型为分析对象,对古建木结构在罕遇地震用下的结构的损伤演化过程和损伤演化机理进行了研究。结果表明所提的多尺度损伤演化分析方法能够很好地揭示地震作用下古建木结构各个尺度之间的损伤机理和损伤演化过程,评估结构的损伤程度。(4)以闽北一栋在役的历史文化民居“七家楼”作为依托,研发了“七家楼”古木民居状态监测系统并对其进行了损伤演化研究。基于原位静载测试数据和系统监测数据验证了布设系统和前述变形监测方法的有效性,评估了“七家楼”当前的服役状态。将系统采集的温湿度数据拟合出温湿荷载函数,结合前述所提损伤演化分析方法,对“七家楼”进行了考虑长期环境作用下的结构损伤演化研究,得到了结构今后50年内的结构应力和变形发展趋势。根据系统监控数据和现场勘查结果验证了损伤演化结果的准确性,得到了“七家楼”在长期环境作用下的结构损伤演变过程和发展趋势。依据现场原位静载试验和模型修正方法,确定了“七家楼”的物理模型参数,建立了“七家楼”主体框架的多尺度有限元模型并进行了罕遇地震作用下的损伤演化分析,揭示了以“七家楼”为代表的闽北古木民居在地震作用下的损伤机理和演化过程,评估其材料到结构各尺度的损伤程度。


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