基于健康监测的古民居木结构多尺度损伤预后研究

The research method by integrating the phycial model and data-driven model is employed to reveal mechanical characteristics and damage evolution laws of ancient folk house timber structures in-service and to build up the theoretical system of the damage prognosis theory. Firstly, on the basis of a long-term health monitoring system of anicient timber structure based on distributed fiber Bragg grating, some models like general creep, mechano-sorptive creep model and constitutive relation model of ancient timber are built up. Secondly, a multi-scale finite element model is developed for an ancient timber structure, and the model is updated by data from structural health monitoring. Finally, based on the data from structural health monitoring and experimental results, the future load model and ambient loads model and resistance model are built up, whereby damage evolution laws and damage prognosis are investigated. The objective of this proposal is to discuss the multi-scale dmage evolution principals and construct the damage prognosis theory for practical ancient folk house timber structures by integrating structural health monitoring theory, multi-scale theory and cumulative damage theory. This can grasp multi-scale damage evolution process and results of ancient timber structures, take an active role in mastering the safety of full life cycle, and reduce the risk of failure. As a result, it provides technical support in protecting and heriting the ancient folk house; futhermore, the anicent folk house buildings can be well protected and be developing in the inheritance.

为了揭示服役环境下古民居木结构的力学行为和损伤演化规律,建立古木结构损伤预后理论,拟采用物理模型和数据模型结合的方法开展研究。首先在分布式光纤光栅古木结构监测系统基础上,建立长期荷载与温湿度联合作用下(古)木材普通蠕变、机械吸附蠕变、变形及材料本构关系模型;其次建立木结构多尺度有限元模型,并用监测数据进行模型修正；最后基于监测数据和试验,建立木结构构件未来/环境荷载模型、抗力模型,据此开展木结构多尺度损伤演化机理和损伤预后研究。将结构健康监测与多尺度、累积损伤理论结合,探索古民居木结构实际工程的多尺度损伤演化机理，建立其损伤预后理论,其意义在于可主动把握结构多尺度损伤演化的过程及后果,对潜在损伤与安全性进行预后分析,全面掌握结构全寿命安全的主动权，降低结构失效的风险，为古民居的发展保护提供技术支撑和保障，使古民居建筑得到完好的保护并且在传承中发展。

本项目揭示服役环境下古民居木结构的力学行为和损伤演化规律，建立古木结构损伤预后理论研究，在获得国家自然科学基金资助后，该项目进展顺利，发表了数篇学术论文，圆满完成了预期目标。. 1）在分布式光纤光栅古木结构监测系统的研究上，提出了基于FBG应变测量的古建木梁、柱变形监测方法。该方法能够通过测量应变获取木梁挠度和木柱倾角，最终实现了采用单一传感器获取结构多个构件变形值的目标，而且该方法具备经济、美观、简便等特点，在木结构中具有较高的适用性。针对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，评估了“七家楼”当前的服役状态。. 2）在木结构本构关系研究上，综合考虑了开裂损伤、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，建立了考虑长期环境影响的木材弹塑性本构模型，实现了考虑长期环境因素的木材力学性能的仿真模拟，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。将此本构模型应用于“七家楼”，开展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。. 3）在古建木结构多尺度地震损伤演化方法研究上，基于多点约束法建立了木结构多尺度混合模型，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，提出了木结构多尺度一致性损伤指标，实现了木结构中各尺度之间的损伤演化，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。. 4）从长期生物腐蚀对古建木结构力学性能的影响出发，结合Gerhards积累损伤模型、腐朽深度时变模型、虫蛀深度时变模型和Weibull模型，提出了一种考虑承载力和变形值的古建木结构剩余使用寿命预测方法，并以在役建筑“七家楼”和“玉泉书斋”为依托，实现了在役古民居的剩余寿命预测，为后期古建筑修缮工作提供试验数据和技术支撑。