苏黎世联邦理工学院的研究人员选用奇石乐传感器进行冲击载荷测试

近年来，木制结构建筑再度兴起。曾经，数个世纪以来，木结构建筑被禁止在城市中建造，但随着防火技术的进步，这一限制已成为历史。而且，木质房屋在减少碳排放和温室效应方面潜力巨大，因为每立方米木材大约能储存 1 吨二氧化碳。然而，相较于 19 世纪以来在建筑领域占据主导地位的钢材和钢筋混凝土，人们对木材作为建筑材料的认知相对滞后。

尽管如此，木材用于建筑的历史却源远流长。木材被用于建造住宅和宗教建筑的历史可追溯至数百年前，亚洲在 7 至 8 世纪建造的一些木塔至今依然屹立。如今，全球木结构建筑行业蓬勃发展，欧洲成为近年来木结构建筑的核心区域，尤其是德语国家和斯堪的纳维亚地区，这些地方已经形成了完善的设计规范和成熟的价值链。在瑞士苏黎世联邦理工学院，结构工程研究所木制结构建筑主席带领的团队，针对高层木结构建筑、防火技术、木 - 混凝土复合结构以及结构强度性能展开研究，部分研究项目还与行业伙伴合作开展。

压电式力传感器助力冲击载荷测试

来自挪威的Alex Sixie Cao在攻读博士学位期间，专注于木材结构强度的研究。他介绍道：“木材结构强度研究的目的，是深入了解建筑在遭遇意外极端载荷事件时的性能表现，比如事故、爆炸、材料老化、冲击载荷等情况。”2021 年至 2023 年，在奇石乐力传感器及其他测量技术的协助下，他所在的团队完成了一系列针对胶合层压木材（GLT）的冲击载荷测试。这些测试在研究所的结构工程实验室进行，该实验室是一个中型仓库，内部配备大型摆锤冲击锤和木梁，用于三点冲击弯曲实验。. 

“起初，我们采用基于能量的研究方法，通过计算摆锤冲击木梁过程中的动能损失，来确定冲击参数。” 长度达 4.65 米、重达近 3.5 吨的摆锤，配备了奇石乐的角度传感器、高速摄像机以及两款不同的加速度计。曹先生接着说：“这些设备运行良好，但从理论层面看，我们并未获得预期的全部研究数据。因此，我们决定添加奇石乐力传感器，以此直接测量冲击力。与其他厂商的产品相比，奇石乐的传感器体积小巧、频率响应高，提供的测量方案也更加可靠。”

研究团队选用了 8 个 9051C 型压电式力传感器，其高刚度特性使其能够精准测量高动态变化的冲击力。在当前的冲击载荷测试装置中，4 个奇石乐力传感器分别安装在固定木梁的支撑系统左右两侧边缘。为减少弯曲影响，这些传感器呈矩形布局安装在一块平板下方。测量系统还包括 5167A 实验室电荷放大器（通常称为 LabAmp）以及用于数据处理的 DynoWare 软件。由于冲击持续时间仅约 12 毫秒，峰值载荷约 350kN，因此电荷放大器每通道每秒 10 万次（100kSps）的数据采集速率至关重要。曹先生解释道：“奇石乐在设备搭建过程中给予了我们极大的帮助，他们预先安装调试好了传感器，协助我们解决力测量的触发问题，并在整个实验过程中提供支持。目前，新装置（配备力传感器）的测试次数还不多，但与基于能量的测量方法相比，我们已经发现了显著差异。深入研究这两种方法的差异意义重大，只有这样，在将研究成果纳入木结构建筑规范标准前，我们才能基于坚实的科学依据做出决策。”

完整测量链，远程与现场双重支持

2021 年至 2023 年间，苏黎世联邦理工学院木材结构研究团队总计开展了 100 多次冲击载荷测试。测试涵盖了不同种类的木材，如云杉和山毛榉，以及不同类型的木质材料，如胶合层压木材（GLT）、层压单板木材（LVL），还有带指接和不带指接的木梁。测试结果显示，基于能量和基于力的两种测量方法存在明显差异，这一现象有待进一步深入研究。根据爆炸载荷实验，目前木材动态强度增长系数取值在 1.0 至 1.2 之间，然而苏黎世联邦理工学院的最新测试结果表明，采用反作用力法得到的动态强度增长系数为 2.1，采用能量法得到的结果则为 3.0。不过，现阶段将这些研究成果应用到结构设计标准中还为时尚早，仍需开展更多研究，以便更深入地理解相关原理。奇石乐的测力传感器，使得苏黎世联邦理工学院的冲击载荷测试能够与加拿大渥太华大学的爆炸载荷测试进行直接对比。苏黎世联邦理工学院以及全球其他研究中心在研究方法上的不断优化，带来了诸多积极影响：不仅有助于提升木结构建筑的效率和强度，使其性能更加优良，还有望在岩石防护栏、公路护栏等木质防护结构的概念设计中发挥重要作用。

曹先生总结道：“我们的冲击载荷测试工作进展顺利，未来肯定会继续推进，甚至可能将其作为一个独立项目深入研究。奇石乐提供的解决方案为我们的研究成果增色不少，设备装置紧凑实用，相比同类技术，对使用条件的要求也更为简便。我们对奇石乐的支持服务也非常满意，他们不仅提供现场技术支持，而且响应迅速，每次遇到问题，他们解决问题的方式都切实推动了我们测试工作的顺利开展。”