推广 热搜: 可回收  碳纤维  太阳能电池板  复合材料 

木结构古建筑现场无损检测与评估研究进展和重点关注方向

   日期:2024-12-31     来源:北京林业大学学报、欧美大地仪器、点将科技股份、上海市历史建筑    浏览:185    评论:0    
核心提示: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。


图片
合理有效地检测评估木结构的存在状况,是古建筑保护和修缮工作的重要需求。古建筑木结构无损检测是以无损检测和评估古建筑木结构安全性,以现场应用和实际需求为导向的木材材性检测评估技术,检测内容主要包括缺陷无损检测和木材物理力学性能无损检测两个方面。

古建筑木结构

无损检测内容与评价方法

古建筑木结构缺陷包括木结构缺陷和木构件缺陷两类。木结构缺陷包括歪斜、拔榫、脱榫、下沉、坍塌、构件缺失等;木构件缺陷包括腐蚀、空洞、裂纹、变形、虫蛀、节子、材料缺失等。

缺陷根据能否直接被肉眼观察,可分为外观缺陷和隐藏缺陷两类。对木构件来讲,隐藏缺陷又可分为木构件内部缺陷和被周围物体遮挡的木构件外部缺陷两种。隐藏缺陷的检测和评估是古建筑木结构无损检测工作的重点和难点。
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

古建筑木结构无损检测的基本流程分为准备和检测两个阶段。准备阶段包括信息收集、实地观察、初步报告撰写3步,检测阶段包括几何测量、结构分析、详细检查、检查报告撰写4步。

图片
古建筑木结构无损检测基本流程
古建筑木结构详细检查的基本方法包括:外观检测、含水率检测、微钻阻力检测、应力波检测、射线检测等。

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微钻阻力检测法进行检测。

应力波检测法


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。

图片
图片
图片

图片

图片

图片

微钻阻力检测法


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。但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。

图片
图片
阻力值曲线判别木材缺陷的参考方法如下

图片

图片

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,利用阻力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,从而判断结构的强度状况。

X射线法


为了准确了解木结构内部的损伤情况,可采用X射线检测法对房屋木结构内部缺陷进行检测。

X射线法是利用X射线穿透木材的特性,根据木材内部不同结构对X射线吸收程度的差异,在成像板或探测器上形成影像。通过分析这些影像,可以清晰地观察到木材内部的纹理、节疤、腐朽、虫蛀以及内部连接件的状况等信息,能够在不破坏木材整体结构完整性的前提下,精准地检测出隐藏在木材内部的缺陷和异常情况。

X射线影像可清晰展示内部金属件和木节疤,但白蚁蛀蚀不严重时,影像不明显。

图片

内窥镜法


内窥镜法是通过在木结构表面钻取微小的观察孔,将细长的内窥镜探头插入其中。内窥镜能够传输木材内部的实时图像,检测人员可以直观地查看木材内部的状况,如是否有腐朽迹象、虫蛀通道、内部连接件的松动或损坏等。这种方法可以直接观察到局部内部细节,对于精准定位和识别一些特定的内部问题具有独特的优势,并且对木材结构的整体影响极小。
内窥镜法可用于检测木构件和木节点内部缺陷种类,测量内部缺陷几何尺寸,如测量腐朽深度、裂缝深度等。
图片
图片
图片

含水率检测


将探针扎入木材被测部位,待数显稳定后即可从读取含水率数值。

图片

虫蛀检测


虫蛀检测包含两部分内容:一是检测构件内部是否存在虫蛀孔,如果仅有虫蛀孔洞,而没有白蚁活动迹象,则虫蛀空洞实际上是缺陷的一种形式,对木构件及结构的影响主要体现在截面面积的缺损,参考缺陷检测方法。

二是寻找木构件中是否存在白蚁活体并确定其活动区域,如果存在白蚁活体活动迹象,则有可能对构件及建筑主体结构造成不可估量的危害,必须进行全面检测和治理,可通过温度、湿度、雷达等多种形式进行白蚁活体探测。

图片

对微钻阻力法、内窥镜法和X射线法进行简单对比,其各自的优缺点比较如下:

检测方法

优点

缺点

微钻阻力法

可测得缺陷在钻入路径上的位置和长度。

只能检测到钻入路径上的缺陷;

当内部缺陷较大时,为获得较准确的缺陷情况,需要测试多条钻入路径。

内窥镜法

可清晰看出内部缺陷种类; 

可测得内部缺陷或节点内部几何尺寸。

测试前需要钻孔,对构件造成损伤。

X射线成像法

可看出木构件内部金属件、节疤、较大尺寸的裂缝和内部孔洞。

检测时需要保证足够的安全距离(拍摄方向30m)。

在实际应用中,专业人员需要根据木结构的类型、检测目的和预算等因素,选择合适的检测方法或组合多种方法进行综合检测。这样不仅能够全面、准确地了解木结构的内部质量状况,还能够为木结构建筑或制品的安全性、可靠性与耐久性提供有力的保障,为历史建筑的保护和利用发挥重要作用。

古建筑木结构缺陷

隐藏缺陷检测与评估

相对于外观缺陷来说,隐藏缺陷的检测工作更麻烦,难度更大。检测人员需要使用一些无损检测技术检测木构件隐藏缺陷。
目前,古建筑木构件隐藏缺陷无损检测过程通常包括初步筛查、验证性筛查和精确检测3个步骤。
初步筛查是指对木构件隐藏缺陷的快速系统性排查,即以整个木结构为对象,初步快速判断出可能存在隐藏缺陷的木构件和缺陷可能的位置。验证性筛查是指对可能存在隐藏缺陷的木构件进行缺陷确认和大小的估算。精确检测是指精确判断出隐藏缺陷的形状和尺寸。
在木构件缺陷检查完成后,需要对被测木构件状况进行分等。在实际操作中,柱、梁、檩(桁)、枋等关键木构件一般分为A、B、C、D这四等,其中A等木构件状况良好;B等木构件有较小缺陷但不必干预加固;C等木构件有一定缺陷,修复加固后可继续使用;D等木构件不宜继续使用,建议更换。
腐朽是古建筑木构件最主要和最常见的缺陷形式。侵蚀木材的木腐菌,通常分为3种类型:褐腐菌、白腐菌和软腐菌。

木材发生腐朽需要同时具备4个前提条件:

① 20%<含水率<80%;
② 暴露在空气中(有氧气);
③ 温度4~38 ℃(最佳温度24~30 ℃);
④ 未经防腐处理。
对一般古建筑木结构来讲,后三个条件是具备的,且第二、三这两个条件很难避免,所以第一个条件含水率的控制就成为避免古建筑木构件腐朽的关键因素,也就是说,要保持古建筑木构件的干燥,需要把含水率控制在20%以下。
木材腐朽过程可分为初期腐朽、中期腐朽和后期腐朽3个阶段,其中初期腐朽是木材腐朽最开始的阶段,通常将木材质量损失率在10%以下的木材腐朽认定为初期腐朽。处于初期腐朽阶段的木材,外表与正常木材没有明显区别,但初期腐朽对木材的力学性能影响很大,初期腐朽就会造成木材力学性能的极度下降。当木材处于肉眼可辨识的中期和后期腐朽,可以认为其完全丧失了力学性能。

古建筑木结构

性能检测与评估研究进展

古建筑木构件经过几十到几百年的服役,其中未发生腐朽等缺陷的正常木材,在自然老化作用下其力学性能不可避免地发生变化。通过无损检测快速评估出古建筑正常木材保有的主要力学性能,是近些年研究的关注点之一。
研究发现,结合应力波波速和微钻阻力两种参数检测、评价古建筑木材保有力学性能,比单用一种方法的检测精度更高。
现阶段关于自然老化对古建筑木材的影响研究主要集中于自然老化对古建筑木材宏观性质、微观结构变化和化学组分这三方面的影响。
最新研究表明,自然老化对古建筑木材力学性质的影响存在着“宏观-微观-化学组分”链条,即自然老化木材力学性质的变化是由木材微观结构变化引起的,而微观结构变化又是由化学组分变动引起的。

木材的自然老化是一个复杂的化学过程,受多种环境因素的影响,同时木材具有高度变异性,不同树种化学组分相对含量具有较大差别。虽然有较多关于自然老化对木材物理力学性能参数的影响研究,但是目前尚无明晰的自然老化对古建筑木材力学性能的影响规律。

图片

自然老化对木材力学性能影响研究结果

古建筑木结构

无损检测研究展望


今后古建筑木结构无损检测研究可以重点关注三个方向:

  • 适合现场使用的木构件隐藏缺陷无损检测方法精度的提高;

  • 古建筑木材保有力学性能无损检测的便捷化;

  • 新技术的引入。


 
 
更多>同类行业资讯

推荐行业资讯
点击排行

工信部备案号:鲁ICP备2023007907号-1    版权所有  复材网信息科技(山东)有限公司     
热线:400 9692 921  电话:0534-2666809    传真:0534-2220102    邮箱:frp@cnfrp.com
 Copyright (c) 2002-2023 FRPTC.CN All Rights Reserved.   
     

鲁公网安备 37140202001606号