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增项必看!《古建筑木结构检测技术标准》检测方法解读
发布时间:2023-08-25 浏览次数:16927 来源:欧美大地


中国古代建筑是中华文明非常重要的组成部分,体现了中华历史长河中人民积累的关于自然科学知识、人文知识的结晶,包括了技术、艺术、美学、宗教、礼制、价值观等广泛的文明成果。

中国古代建筑是世界上公认的三大建筑体系之一和唯一以木结构为主的建筑体系。大量表现在宫殿、官府、宗庙、园林、陵墓,以及民间宅舍、祠堂等,也包括一些高层佛塔和桥梁等。主要以木材、砖瓦为砌筑材料,以木构架结构为主要的结构方式。此结构方式,由立柱、横梁、顺檩等主要构件建造而成,各个构件之间的结点以榫卯相吻合,构成富有弹性的框架。
因此,使用历史高达几百年甚至上千年的木结构,其检测、维护、修缮的方法和过程非常重要。
2020年,中国工程建设标准化协会出台《T/CECS 714-2020 古建筑木结构检测技术标准》,其中对木构件性能检测、木构件缺陷和损伤检查与检测两部分内容中明确提出使用应力波测定和微钻阻力检测法进行检测。

古建筑木结构检测评价方法
古建筑木结构的安全性能评价程序包括:
  • 场地和地基基础(台基)检查与检测
  • 结构布置和构造检查与检测
  • 木构件性能检测
  • 木构件缺陷和损伤检查与检测
  • 结构整体和构件变形检测与监测
  • 围护结构检查与检测
其中对木构件性能及缺陷损伤检测包括:肉眼观察、锤子敲击、表面硬度检测、阻力测定、应力波测定、含水率测定、超声波测定、射线测定等等。

应力波检测法基本原理
木材的声学特性是应力波无损检测的物理基础,当木材的一端受到敲击作用(机械作用)时,木材内部就会产生应力波(机械波)的传播,通过特定的设备和装置测定应力波传播时间的变化来判断木材的性质,如腐朽、缺陷以及计算木材的动弹性模量等。木材应力波无损检测技术包括横向应力波技术和纵向应力波技术。

横向应力波技术
通过比较相同距离木材应力波传播时间的长短,来判断木材内部是否腐朽或含有空洞等缺陷。健康木材,应力波的传播路径是直线,而腐朽木材和内部含有孔洞缺陷的木材,应力波的传播路径则为曲线,传播时间相应地就会增加,垂直于木材纹理方向的传播时间明显增加,传播速度则急剧减小。因此检测木材横向(径向或弦向)应力波传播速度是探测木材内部是否腐朽或虫蛀的最佳途径。

声波在完好木材和空心木材中的传播


纵向应力波技术
主要用于测定木材的动弹性模量,从而预测木材的力学强度和力学性质。通过仪器的2个传感器沿长度方向钉入需要测定的木材试样,一般a<45°。当用锤子敲击其中的一个传感器时,就会在木材内部产生应力波,另一个传感器接收到应力波信号的时候仪器就会显示应力波传播的时间,通过测定两传感器之间的距离,由公式:
V= 106·(L/t)
即可确定应力波在木材中的传播速度。其中:V为应力波的传播速度 (m/s);L为应力波测定仪两传感器之间的距离(m);t为应力波测定仪记录的时间(μs)。
由木材的声学性质可知,当试样厚度与波长相比可以忽略不计时,木材的动弹性模量MOED与应力波传播速度V及木材的密度ρ之间存在如下关系:
MOED= 103·ρ·V2
其中:MOED为木材动弹性模量(MPa),ρ为木材的基本密度(g/cm3),V为应力波的传播速度(m/s) 。

Fakopp ArborSonic木材应力波测定仪
具有多通道的木材应力波测定仪,可以获得树木横切面内部的二维或三维图像,无损地检测木材内部健康与腐朽情况以及腐朽的程度大小。

Microsecond Timer木材微秒计


用于测量树木或木材中应力波的传播时间。

微钻阻力检测法基本原理
通过记录仪器的金属探针以匀速的方式钻入被测物, 记录路径上所遭遇的阻力变化曲线,其大小随各树种密度的不同而变化。根据检测得到的阻力曲线,定性地判断木材内部的腐朽状况,然后此方法不能定量地评价由腐朽引起的木材物理力学性质衰减程度。古建筑木结构可以通过测定不同旧木构件的残余动弹性模量,从而确定木构件的残余力学强度,再与同树种的健康材的力学强度值进行比较,得出旧木构件的强度衰减率。
因此根据标准规范需要对木构件材料性能进行检测,包括:木材材料密度、含水率、抗弯弹性模量、抗弯强度和顺纹抗压强度。其中,木材受横向静力载荷作用时所产生的最大弯曲应力为木材抗弯强度。木材受力弯曲时,在比例极限内应力与应变之比,则为抗弯弹性模量。
现场检测木材抗弯强度、抗弯弹性模量可采用应力波检测法和微钻阻力检测法组合测量:
  1. 微钻阻力检测法:应选择木构件无缺陷的部位,对承受弯曲荷载的构件选择跨中最外层下表面的受拉测,每个构件应至少钻取3个测点,取三者平均值作为试件的阻力值,3个测点不应位于同一横截面;
  2. 应力波检测法:两个探针应沿被测木构件长度方向插入其表层,记录两探针插入点间距,两探针间距宜为不宜小于300mm,探针与试件长度方向夹角应为 30°~45°;
  3. 含水率测定:探针扎入被测部位,待数显稳定后读取含水率W数值。
通过公式计算各项材料的力学性能,公式可参考《T/CECS 714-2020 古建筑木结构检测技术标准》P29、《木结构现场检测技术标准 JGJ/T488》。
除此以外,对于木构件内部缺陷检测时,将应力波检测法和微钻阻力检测法组合使用,可以将双方优势进行互补,克服应力波仪对腐朽、空洞、裂缝等缺陷区分不够精确的缺点,以及微钻阻力仪数据覆盖面窄的不足。应力波扫描可得到木构件断面材质的图像,利用阻抗仪对存在缺陷的木构件进行代表性单路径上缺陷长度的修正,可获得更为准确的缺陷面积。
根据相关公式,进行修正,公式可参考《T/CECS 714-2020 古建筑木结构检测技术标准》P33。

木材微钻阻力仪

通过探针钻入树木阻抗测量纪录,可以方便和精确地探测树木的内部结构如腐烂或空洞情况、材质状况、生长状况(年轮分析)等。
两种检测方法通过互补,可计算得出木构件材料的性能参数,用来判断结构的强度状况,并且还能更快捷、准确地判断木构件内部一定区域面积内的缺陷,避免对材料的浪费和木构件的破坏。

参考文献:
王朝志,张厚江,应力波用于木材和活力木无损检测的研究进展[J.林业机械与木工设备,2006 34(3):9-13
尚大军,段新芳,杨中平,应力波无损检测技术及其在木结构古建筑保护中的应用[J].世界林业研究.2008,(2):44-48.
孙燕良,张厚江,朱磊,间海成,微钻力阻力仪在检测木 材密度中的应用研究[J]. 湖南农业科学,2011(10): 43-44.
《T/CECS 714-2020 古建筑木结构检测技术标准》,中国工程建设标准化协会标准
《JGJ-T488-2020:木结构现场检测技术标准》,中华人民共和国行业标准



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