增項(xiàng)必看！《古建筑木結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》檢測(cè)方法解讀
發(fā)布時(shí)間：2023-08-25
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來(lái)源：歐美大地
中國(guó)古代建筑是中華文明非常重要的組成部分，體現(xiàn)了中華歷史長(zhǎng)河中人民積累的關(guān)于自然科學(xué)知識(shí)、人文知識(shí)的結(jié)晶，包括了技術(shù)、藝術(shù)、美學(xué)、宗教、禮制、價(jià)值觀等廣泛的文明成果。
中國(guó)古代建筑是世界上公認(rèn)的三大建筑體系之一和唯一以木結(jié)構(gòu)為主的建筑體系。大量表現(xiàn)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(gòu)架結(jié)構(gòu)為主要的結(jié)構(gòu)方式。此結(jié)構(gòu)方式，由立柱、橫梁、順檁等主要構(gòu)件建造而成，各個(gè)構(gòu)件之間的結(jié)點(diǎn)以榫卯相吻合，構(gòu)成富有彈性的框架。
因此，使用歷史高達(dá)幾百年甚至上千年的木結(jié)構(gòu)，其檢測(cè)、維護(hù)、修繕的方法和過(guò)程非常重要。
2020年，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)出臺(tái)《T/CECS 714-2020 古建筑木結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，其中對(duì)木構(gòu)件性能檢測(cè)、木構(gòu)件缺陷和損傷檢查與檢測(cè)兩部分內(nèi)容中明確提出使用應(yīng)力波測(cè)定和微鉆阻力檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)。
古建筑木結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)價(jià)方法
古建筑木結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)價(jià)程序包括：
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場(chǎng)地和地基基礎(chǔ)（臺(tái)基）檢查與檢測(cè)
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結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造檢查與檢測(cè)
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木構(gòu)件性能檢測(cè)
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木構(gòu)件缺陷和損傷檢查與檢測(cè)
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結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件變形檢測(cè)與監(jiān)測(cè)
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圍護(hù)結(jié)構(gòu)檢查與檢測(cè)
其中對(duì)木構(gòu)件性能及缺陷損傷檢測(cè)包括：肉眼觀察、錘子敲擊、表面硬度檢測(cè)、阻力測(cè)定、應(yīng)力波測(cè)定、含水率測(cè)定、超聲波測(cè)定、射線測(cè)定等等。
應(yīng)力波檢測(cè)法基本原理
木材的聲學(xué)特性是應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)的物理基礎(chǔ)，當(dāng)木材的一端受到敲擊作用（機(jī)械作用）時(shí),木材內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波（機(jī)械波）的傳播，通過(guò)特定的設(shè)備和裝置測(cè)定應(yīng)力波傳播時(shí)間的變化來(lái)判斷木材的性質(zhì)，如腐朽、缺陷以及計(jì)算木材的動(dòng)彈性模量等。木材應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括橫向應(yīng)力波技術(shù)和縱向應(yīng)力波技術(shù)。
橫向應(yīng)力波技術(shù)
通過(guò)比較相同距離木材應(yīng)力波傳播時(shí)間的長(zhǎng)短，來(lái)判斷木材內(nèi)部是否腐朽或含有空洞等缺陷。健康木材，應(yīng)力波的傳播路徑是直線，而腐朽木材和內(nèi)部含有孔洞缺陷的木材，應(yīng)力波的傳播路徑則為曲線，傳播時(shí)間相應(yīng)地就會(huì)增加，垂直于木材紋理方向的傳播時(shí)間明顯增加，傳播速度則急劇減小。因此檢測(cè)木材橫向（徑向或弦向）應(yīng)力波傳播速度是探測(cè)木材內(nèi)部是否腐朽或蟲(chóng)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(yīng)力波技術(shù)
主要用于測(cè)定木材的動(dòng)彈性模量，從而預(yù)測(cè)木材的力學(xué)強(qiáng)度和力學(xué)性質(zhì)。通過(guò)儀器的2個(gè)傳感器沿長(zhǎng)度方向釘入需要測(cè)定的木材試樣，一般a<45°。當(dāng)用錘子敲擊其中的一個(gè)傳感器時(shí)，就會(huì)在木材內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，另一個(gè)傳感器接收到應(yīng)力波信號(hào)的時(shí)候儀器就會(huì)顯示應(yīng)力波傳播的時(shí)間，通過(guò)測(cè)定兩傳感器之間的距離，由公式：
V= 106·(L/t)
即可確定應(yīng)力波在木材中的傳播速度。其中：V為應(yīng)力波的傳播速度 (m/s)；L為應(yīng)力波測(cè)定儀兩傳感器之間的距離(m)；t為應(yīng)力波測(cè)定儀記錄的時(shí)間(μs)。
由木材的聲學(xué)性質(zhì)可知，當(dāng)試樣厚度與波長(zhǎng)相比可以忽略不計(jì)時(shí)，木材的動(dòng)彈性模量MOED與應(yīng)力波傳播速度V及木材的密度ρ之間存在如下關(guān)系：
MOED= 103·ρ·V2
其中:MOED為木材動(dòng)彈性模量(MPa)，ρ為木材的基本密度(g/cm3)，V為應(yīng)力波的傳播速度(m/s) 。
Fakopp ArborSonic木材應(yīng)力波測(cè)定儀
具有多通道的木材應(yīng)力波測(cè)定儀，可以獲得樹(shù)木橫切面內(nèi)部的二維或三維圖像，無(wú)損地檢測(cè)木材內(nèi)部健康與腐朽情況以及腐朽的程度大小。
Microsecond Timer木材微秒計(jì)
用于測(cè)量樹(shù)木或木材中應(yīng)力波的傳播時(shí)間。
微鉆阻力檢測(cè)法基本原理
通過(guò)記錄儀器的金屬探針以勻速的方式鉆入被測(cè)物, 記錄路徑上所遭遇的阻力變化曲線，其大小隨各樹(shù)種密度的不同而變化。根據(jù)檢測(cè)得到的阻力曲線，定性地判斷木材內(nèi)部的腐朽狀況，然后此方法不能定量地評(píng)價(jià)由腐朽引起的木材物理力學(xué)性質(zhì)衰減程度。古建筑木結(jié)構(gòu)可以通過(guò)測(cè)定不同舊木構(gòu)件的殘余動(dòng)彈性模量，從而確定木構(gòu)件的殘余力學(xué)強(qiáng)度，再與同樹(shù)種的健康材的力學(xué)強(qiáng)度值進(jìn)行比較，得出舊木構(gòu)件的強(qiáng)度衰減率。
因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需要對(duì)木構(gòu)件材料性能進(jìn)行檢測(cè)，包括：木材材料密度、含水率、抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度。其中，木材受橫向靜力載荷作用時(shí)所產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力為木材抗彎強(qiáng)度。木材受力彎曲時(shí)，在比例極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之比，則為抗彎彈性模量。
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量可采用應(yīng)力波檢測(cè)法和微鉆阻力檢測(cè)法組合測(cè)量：
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微鉆阻力檢測(cè)法：應(yīng)選擇木構(gòu)件無(wú)缺陷的部位，對(duì)承受彎曲荷載的構(gòu)件選擇跨中最外層下表面的受拉測(cè)，每個(gè)構(gòu)件應(yīng)至少鉆取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，取三者平均值作為試件的阻力值，3個(gè)測(cè)點(diǎn)不應(yīng)位于同一橫截面；
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應(yīng)力波檢測(cè)法：兩個(gè)探針應(yīng)沿被測(cè)木構(gòu)件長(zhǎng)度方向插入其表層，記錄兩探針插入點(diǎn)間距，兩探針間距宜為不宜小于300mm，探針與試件長(zhǎng)度方向夾角應(yīng)為 30°~45°；
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含水率測(cè)定：探針扎入被測(cè)部位，待數(shù)顯穩(wěn)定后讀取含水率W數(shù)值。
通過(guò)公式計(jì)算各項(xiàng)材料的力學(xué)性能，公式可參考《T/CECS 714-2020 古建筑木結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》P29、《木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) JGJ/T488》。
除此以外，對(duì)于木構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測(cè)時(shí)，將應(yīng)力波檢測(cè)法和微鉆阻力檢測(cè)法組合使用，可以將雙方優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，克服應(yīng)力波儀對(duì)腐朽、空洞、裂縫等缺陷區(qū)分不夠精確的缺點(diǎn)，以及微鉆阻力儀數(shù)據(jù)覆蓋面窄的不足。應(yīng)力波掃描可得到木構(gòu)件斷面材質(zhì)的圖像，利用阻抗儀對(duì)存在缺陷的木構(gòu)件進(jìn)行代表性單路徑上缺陷長(zhǎng)度的修正，可獲得更為準(zhǔn)確的缺陷面積。
根據(jù)相關(guān)公式，進(jìn)行修正，公式可參考《T/CECS 714-2020 古建筑木結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》P33。
木材微鉆阻力儀
通過(guò)探針鉆入樹(shù)木阻抗測(cè)量紀(jì)錄，可以方便和精確地探測(cè)樹(shù)木的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如腐爛或空洞情況、材質(zhì)狀況、生長(zhǎng)狀況（年輪分析）等。
兩種檢測(cè)方法通過(guò)互補(bǔ)，可計(jì)算得出木構(gòu)件材料的性能參數(shù)，用來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度狀況，并且還能更快捷、準(zhǔn)確地判斷木構(gòu)件內(nèi)部一定區(qū)域面積內(nèi)的缺陷，避免對(duì)材料的浪費(fèi)和木構(gòu)件的破壞。
參考文獻(xiàn)：
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《T/CECS 714-2020 古建筑木結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)
《JGJ-T488-2020：木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
