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歐美大地 建筑無損
建筑無損
增項必看!《古建筑木結構檢測技術標準》檢測方法解讀
發布時間:2023-08-25 瀏覽次數:21438 來源:歐美大地


中國古代建筑是中華文明非常重要的組成部分,體現了中華歷史長河中人民積累的關于自然科學知識、人文知識的結晶,包括了技術、藝術、美學、宗教、禮制、價值觀等廣泛的文明成果。

中國古代建筑是世界上公認的三大建筑體系之一和唯一以木結構為主的建筑體系。大量表現在宮殿、官府、宗廟、園林、陵墓,以及民間宅舍、祠堂等,也包括一些高層佛塔和橋梁等。主要以木材、磚瓦為砌筑材料,以木構架結構為主要的結構方式。此結構方式,由立柱、橫梁、順檁等主要構件建造而成,各個構件之間的結點以榫卯相吻合,構成富有彈性的框架。
因此,使用歷史高達幾百年甚至上千年的木結構,其檢測、維護、修繕的方法和過程非常重要。
2020年,中國工程建設標準化協會出臺《T/CECS 714-2020 古建筑木結構檢測技術標準》,其中對木構件性能檢測、木構件缺陷和損傷檢查與檢測兩部分內容中明確提出使用應力波測定和微鉆阻力檢測法進行檢測。

古建筑木結構檢測評價方法
古建筑木結構的安全性能評價程序包括:
  • 場地和地基基礎(臺基)檢查與檢測
  • 結構布置和構造檢查與檢測
  • 木構件性能檢測
  • 木構件缺陷和損傷檢查與檢測
  • 結構整體和構件變形檢測與監測
  • 圍護結構檢查與檢測
其中對木構件性能及缺陷損傷檢測包括:肉眼觀察、錘子敲擊、表面硬度檢測、阻力測定、應力波測定、含水率測定、超聲波測定、射線測定等等。

應力波檢測法基本原理
木材的聲學特性是應力波無損檢測的物理基礎,當木材的一端受到敲擊作用(機械作用)時,木材內部就會產生應力波(機械波)的傳播,通過特定的設備和裝置測定應力波傳播時間的變化來判斷木材的性質,如腐朽、缺陷以及計算木材的動彈性模量等。木材應力波無損檢測技術包括橫向應力波技術和縱向應力波技術。

橫向應力波技術
通過比較相同距離木材應力波傳播時間的長短,來判斷木材內部是否腐朽或含有空洞等缺陷。健康木材,應力波的傳播路徑是直線,而腐朽木材和內部含有孔洞缺陷的木材,應力波的傳播路徑則為曲線,傳播時間相應地就會增加,垂直于木材紋理方向的傳播時間明顯增加,傳播速度則急劇減小。因此檢測木材橫向(徑向或弦向)應力波傳播速度是探測木材內部是否腐朽或蟲蛀的最佳途徑。

聲波在完好木材和空心木材中的傳播


縱向應力波技術
主要用于測定木材的動彈性模量,從而預測木材的力學強度和力學性質。通過儀器的2個傳感器沿長度方向釘入需要測定的木材試樣,一般a<45°。當用錘子敲擊其中的一個傳感器時,就會在木材內部產生應力波,另一個傳感器接收到應力波信號的時候儀器就會顯示應力波傳播的時間,通過測定兩傳感器之間的距離,由公式:
V= 106·(L/t)
即可確定應力波在木材中的傳播速度。其中:V為應力波的傳播速度 (m/s);L為應力波測定儀兩傳感器之間的距離(m);t為應力波測定儀記錄的時間(μs)。
由木材的聲學性質可知,當試樣厚度與波長相比可以忽略不計時,木材的動彈性模量MOED與應力波傳播速度V及木材的密度ρ之間存在如下關系:
MOED= 103·ρ·V2
其中:MOED為木材動彈性模量(MPa),ρ為木材的基本密度(g/cm3),V為應力波的傳播速度(m/s) 。

Fakopp ArborSonic木材應力波測定儀
具有多通道的木材應力波測定儀,可以獲得樹木橫切面內部的二維或三維圖像,無損地檢測木材內部健康與腐朽情況以及腐朽的程度大小。

Microsecond Timer木材微秒計


用于測量樹木或木材中應力波的傳播時間。

微鉆阻力檢測法基本原理
通過記錄儀器的金屬探針以勻速的方式鉆入被測物, 記錄路徑上所遭遇的阻力變化曲線,其大小隨各樹種密度的不同而變化。根據檢測得到的阻力曲線,定性地判斷木材內部的腐朽狀況,然后此方法不能定量地評價由腐朽引起的木材物理力學性質衰減程度。古建筑木結構可以通過測定不同舊木構件的殘余動彈性模量,從而確定木構件的殘余力學強度,再與同樹種的健康材的力學強度值進行比較,得出舊木構件的強度衰減率。
因此根據標準規范需要對木構件材料性能進行檢測,包括:木材材料密度、含水率、抗彎彈性模量、抗彎強度和順紋抗壓強度。其中,木材受橫向靜力載荷作用時所產生的最大彎曲應力為木材抗彎強度。木材受力彎曲時,在比例極限內應力與應變之比,則為抗彎彈性模量。
現場檢測木材抗彎強度、抗彎彈性模量可采用應力波檢測法和微鉆阻力檢測法組合測量:
  1. 微鉆阻力檢測法:應選擇木構件無缺陷的部位,對承受彎曲荷載的構件選擇跨中最外層下表面的受拉測,每個構件應至少鉆取3個測點,取三者平均值作為試件的阻力值,3個測點不應位于同一橫截面;
  2. 應力波檢測法:兩個探針應沿被測木構件長度方向插入其表層,記錄兩探針插入點間距,兩探針間距宜為不宜小于300mm,探針與試件長度方向夾角應為 30°~45°;
  3. 含水率測定:探針扎入被測部位,待數顯穩定后讀取含水率W數值。
通過公式計算各項材料的力學性能,公式可參考《T/CECS 714-2020 古建筑木結構檢測技術標準》P29、《木結構現場檢測技術標準 JGJ/T488》。
除此以外,對于木構件內部缺陷檢測時,將應力波檢測法和微鉆阻力檢測法組合使用,可以將雙方優勢進行互補,克服應力波儀對腐朽、空洞、裂縫等缺陷區分不夠精確的缺點,以及微鉆阻力儀數據覆蓋面窄的不足。應力波掃描可得到木構件斷面材質的圖像,利用阻抗儀對存在缺陷的木構件進行代表性單路徑上缺陷長度的修正,可獲得更為準確的缺陷面積。
根據相關公式,進行修正,公式可參考《T/CECS 714-2020 古建筑木結構檢測技術標準》P33。

木材微鉆阻力儀

通過探針鉆入樹木阻抗測量紀錄,可以方便和精確地探測樹木的內部結構如腐爛或空洞情況、材質狀況、生長狀況(年輪分析)等。
兩種檢測方法通過互補,可計算得出木構件材料的性能參數,用來判斷結構的強度狀況,并且還能更快捷、準確地判斷木構件內部一定區域面積內的缺陷,避免對材料的浪費和木構件的破壞。

參考文獻:
王朝志,張厚江,應力波用于木材和活力木無損檢測的研究進展[J.林業機械與木工設備,2006 34(3):9-13
尚大軍,段新芳,楊中平,應力波無損檢測技術及其在木結構古建筑保護中的應用[J].世界林業研究.2008,(2):44-48.
孫燕良,張厚江,朱磊,間海成,微鉆力阻力儀在檢測木 材密度中的應用研究[J]. 湖南農業科學,2011(10): 43-44.
《T/CECS 714-2020 古建筑木結構檢測技術標準》,中國工程建設標準化協會標準
《JGJ-T488-2020:木結構現場檢測技術標準》,中華人民共和國行業標準



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