楼阁式高层纯木结构塔检测与结构健康监测

楼阁式高层纯木结构塔检测与结构健康监测

1工程概况：

上海市宝山区宝山寺拟在寺内建造一座祇园，为七层传统楼阁式纯木结构塔，木塔建筑平面图及立面图见图1、2。针对传统楼阁式高层纯木结构塔结构性能复杂性和针对性设计方法理论的发展滞后现状，计划采用试验建筑的理念，即工程建造过程即是实验过程。在建筑过程中，采用分层建造、分层加载、分层检测的方式，逐层检验建筑的安全性，同时在建造过程中，实时监测主要结构构件的应力，将检测、监测结果以及相关评价结论用于设计方案的评价和优化，以确保建筑的安全性。为此制定木塔施工过程中的检测、监测方案。


2木塔施工过程中构件变形检测：

2.1 柱垂直度检测

根据现场实际情况，依据《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007），利用TCR1202全站仪采用投点法测量柱顶部相对于底部的偏移值?和柱的测量高度h，进而推算柱垂直度（?/h），测量时将测点做标记，接下来的每次测量相同位置。

2.2 梁（飞檐）挠度检测

根据现场实际情况，利用TCR1202全站仪采用三点法测量梁等水平构件两端点（A点、B点）及中间一点（E点）的相对标高SA、SB、SE，进而推算梁等水平构件的大挠度fd。测量时将测点做标记，接下来的每次测量均选在相同位置。

2.3 柱顶（飞檐底）标高

利用TCR1202全站仪测量各层柱顶（飞檐底）的相对标高，进而推算各层木塔施工时及施工后由于木材收缩等原因是否有不均匀沉降。

2.4 检测仪器设备

全站仪、经纬仪、水准仪

2.5 检测频率

施工过程中，根据施工进度采用逐层检测。首层施工完后进行柱垂直度、相对标高及梁（飞檐）的挠度检测，上一层施工完成时，检测当前层及以下各层，以此类推。如有异常及时上报施工单位、设计单位等相关单位，并加大监测频率。

整塔施工完成后，继续观测一年，每月监测一次，遇极端天气，加大监测频率。

3木塔施工过程中构件应力监测

3.1 有限元模拟

采用结构有限元软件Midas对上述模型进行数值模拟，假定木材为各向同性材料。图3为数值分析得到轴力云图，图3为弯矩图，轴力是由上至下逐渐增大，弯矩在第2层至第5层较大，弯矩在底部相对中间较小主要是底部有廊柱，形成的惯性矩较大，导致中部的弯矩作用较小。第2层至顶层的桁架轴力图

3.2 监测内容

（1）应力测点布置

在二层平面内筒柱布置1个测点，测点布置在柱中部，桁架下弦布置一个测点，布置在下弦一肢中部。在六层平面内筒柱布置1个测点，测点布置在柱中部，桁架下弦布置一个测点，布置在下弦左肢中部。


（2）柱底反力监测测点布置

选用土压力计对四根内筒柱柱底反力进行监测，把土压力盒放置在待测区域，土压力盒根据受压程度来反映反力的大小。



3.3 应力监测原理

结构在外力作用下，内部会由于外力作用产生应力或者应力分布的变化，但是目前直接测定应力值还没有较好的方法，一般采用测定结构在外力作用下产生的应变ε，而后通过虎克定律σ＝Eε的关系来求出。

应变的量测是指通过在预定的标准长度范围（称为标距）内，量测长度变化增量的平均值⊿，由求得。

当被测对象的应变发生变化时，应变片的电阻丝退会发生对对应变化，即通过测定出应变片的电阻来标定结构发生的应变。

采用张贴应变片的方法，在待测点进行打磨好后，沿着轴向进行张贴。由于木结构横纵向特性差异较大，采用1/4桥路的单向应变片。



3.4 数据采集仪

采用北京一洋的静态数据数据采集仪，测试精度为1με。采用多通道静力应变仪，可以对1/4桥，1/2桥，全桥进行测试，同时自带温度补偿系统，可以去除温度的影响。仪器可以进行无线传输，可以方便数据的传输。

3.5 监测频率



施工过程

柱底反力监测

构件应力监测

一层施工完成

上报监测数据一次


二层施工完成

上报监测数据一次

上报二层构件监测数据一次

三层施工完成

上报监测数据一次

上报二层构件监测数据一次

四层施工完成

上报监测数据一次

上报二层构件监测数据一次

五层施工完成

上报监测数据一次

上报二层构件监测数据一次

六层施工完成

上报监测数据一次

上报二、六层构件监测数据一次

七层施工完成

上报监测数据一次

上报二、六层构件监测数据一次

塔刹施工完成

上报监测数据一次

上报二、六层构件监测数据一次

如有异常及时上报施工单位、设计单位等相关单位，并加大监测频率。

4小结：

为保障宝山寺祇园传统楼阁式纯木结构塔的安全施工及后续使用安全，在建筑分层检测的过程中，分层检测构件变形及实时监测主要构件的应力和柱底反力，终将检测、监测结果以及相关评价结论用于设计方案的评价和优化。为后续相关的木结构检测、监测工作提供理论和技术支持。为此，制定检测及监测方案。



参考文献

[1] 人民共和国住房和城乡建设部.GB 50005-2003（2005年版） 木结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006

[2] 人民共和国住房和城乡建设部 GB/T 50344-2004 建筑结构检测技术标准[S].北京；中国计划出版社，2005

[3] 人民共和国住房和城乡建设部 GB50206-2002 木结构施工质量验收规范[S].北京；中国计划出版社，2003

[4] 人民共和国住房和城乡建设部 GB 50026-2007工程测量规范[S].北京；中国计划出版社，2008

[5] 人民共和国住房和城乡建设部 GJ8-2007 建筑变形测量规范[S].北京；中国建筑工业出版社，2007

[6] 人民共和国住房和城乡建设部 GB50300-2001建筑工程施工质量验收统一标准[S].宝山区