残损古建筑木结构力学性能相关研究进展与展望北大核心

古建筑木结构具有极其宝贵的历史文化价值、艺术价值和科学研究价值,但在环境侵蚀、人为损坏以及自然灾害等影响下,其材料、构造与结构等方面都会产生不同程度的损伤,对结构的承载能力、稳定性以及安全性造成不利影响。结合古建筑木结构残损与破坏特点,总结了近年来国内外对木材性能,榫卯节点、斗拱节点以及梁、柱等典型构件残损,以及整体结构抗震性能等方面的理论、试验与数值模拟等研究现状,重点分析了残损对古建筑木结构承载能力和抗震性能的影响,在此基础上探讨了基于残损的古建筑木结构力学性能研究发展趋势并进行展望,以期为木结构古建筑的预防性保护未来研究课题提供参考。     

古建筑木结构多发残损的特征及防控分析

以古建筑木结构的现场勘察大数据为研究对象,通过构件外部开裂、竖向变形、隐蔽处腐朽、内部腐朽、虫蛀等残损信息的统计分析,开展古建筑木结构多发残损的特征和防控研究。研究发现,构件的开裂大多并不影响结构安全,但应关注大跨度梁和枋的竖向变形及其下部是否存在断裂迹象;构件的腐朽多出现在埋墙柱和檩的隐蔽处,主要因潮湿和通风不良等环境所致;构件的虫害防治应防重于治,其害虫多来源于原木料、修缮木料或其他木质材料等。通过研究分析木结构古建筑中影响结构安全的残损特征和残损区域,并根据残损成因分析提出针对性防控措施,可更好地保护木结构古建筑。     

马尾松木材内部空洞的雷达检测与定量评估

【目的】研究快速有效的古建筑木柱内部空洞残损评测方法,科学确定木柱内部空洞的存在位置及大小。【方法】以古建筑木构件常用的马尾松木材为研究对象,采取人工模拟方法在木段端部制作不同大小、不同位置和不同形状的空洞残损,利用雷达无损检测技术探测空洞残损,通过分析木材内部残损在雷达检测方法下的表现形态,实现木材内部空洞的快速识别和表征。【结果】雷达无损检测技术可以对木材内部残损进行快速判别,雷达波在木材中探测到空洞时,其交界面会产生强烈反射,对应反射波形为谷-峰-谷,同时检测图像中出现黑-白-黑的特征形态;根据雷达检测图像可以对木材内部残损面积进行大致评估,但依据雷达检测结果生成的残损面积与实际残损面积存在一定偏差;雷达检测方法对木材内部残损形状的预估难度较大,若不经过其他处理难以准确识别三角形、四边形、圆形等各种形状的空洞残损;边缘位置空洞残损雷达检测图像与中心位置空洞残损雷达检测图像明显不同,中心位置空洞残损其交界面在雷达检测图像中波动较为平缓,边缘位置空洞残损其交界面在雷达检测图像中波动较大,利用雷达检测方法能正确区分边缘或中心空洞残损。【结论】雷达无损检测技术是一种基于雷达回波探测目标物的检测方法,该技术应用于木材内部残损评估,可以实现内部空洞残损的快速检出,并可预估残损的存在位置及大小。     

古建筑木构件隐蔽式残损适宜性检测技术

鉴于我国木结构古建筑富于变化且式样较多,为了化繁为简,将古建筑木构件按形状(圆形构件、方形构件)、位置(埋墙构件、露明构件)和构造(独木构件、拼合构件),分为8种组合类型。针对这8种组合构件,通过其适宜性检测方法研究,形成无损检测技术体系,实现隐蔽式残损的快速识别和可靠表征。     

碳纤维复合材料加固带缺陷木梁的试验研究

由于木材是存在天然缺陷的生物质材料,故木构件在实际使用时存在不可避免的缺陷。已经使用的木结构大都存在开裂、腐朽等损坏现象,其力学性能有所降低,因此木结构需要进行定期修复。木构件的力学性能随缺陷位置不同而产生差异,通过在缺陷梁受拉区底部粘贴轻质高强的碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)提高缺陷木梁承载力。通过四点弯曲试验,研究缺陷梁与加固梁的受弯性能与破坏模式,分析缺陷所在不同位置对木梁破坏形态和承载力产生的不同影响。结果表明,受拉区木节对抗弯强度的影响大于受压区木节产生的影响,中性轴处的缺陷导致木梁产生脆性破坏。木梁受拉区有木节时,在底部粘贴CFRP布能很好地起到加固效果,当木梁上部受压区存在缺陷时,破坏由上部缺陷决定,在底部粘贴CFRP布的加固效果不显著。     

基于木蜂筑巢习性的古建筑木构件木蜂危害等级划分

【目的】基于木蜂筑巢习性，划分古建筑木构件木蜂危害等级，为古建筑保护工程勘察提供参考依据和评定标准。【方法】收集受木蜂危害的轻木构件，采用内窥镜、CT扫描和巢穴解剖方式，了解巢穴构造，计算隧道容积和巢穴体积，估算木材损失程度，结合古建筑木构件危害勘察，划分木蜂危害等级。【结果】经鉴定，收集到的木蜂为黄胸木蜂。内窥镜可以观测到主隧道，隧道有2～3条分枝，次隧道与主隧道夹角成一定角度，影响内窥镜进一步深入观测。CT扫描能够准确了解巢穴内部危害。巢穴解剖发现，黄胸木蜂巢穴皆为分枝型，大部分为双向平行2条分枝或一侧2条分枝另一侧1条分枝；巢室内径平均1.55 cm,每条分枝长度平均14.4 cm,隧道容积平均约133.67 cm³,巢穴体积平均1 436.58 cm³。【结论】古建筑木蜂危害一般发生在建筑外部的檐椽、望板、斗栱等非承重和非独立作用构件上，基于木蜂筑巢习性估算木材损失程度，古建筑木构件木蜂危害可划分为1～4级：当木构件有且仅有1个木蜂孔洞时，为1级危害；当木构件有2～3个木蜂孔洞时，为2级危害；当木构件有4～5个木蜂孔洞时，为3级危害；...     

古建筑木构件无损检测技术国内外研究现状

介绍了应力波检测、超声波检测和微钻阻力检测3种常用木材无损检测技术在古建筑木构件检测评估中的研究和发展现状.     

环保防腐剂处理木材的耐腐性能研究

以马尾松为研究对象,分别采用铜唑和季铵铜(ACQ)两种环保型防腐剂处理木材,研究不同防腐剂对木材耐腐性能的影响。结果表明:两种防腐剂处理的木材耐腐等级为强耐腐,防腐效果显著;铜唑防腐剂浓度和成本较低,可推广应用于古建筑及传统民居木构件防护工程。     

交变荷载下木构件增强端部钉节点抗剪性能

为克服木构件端部易开裂、力学性能差等不足,采用粉状碳纤维对木材端面进行增强处理,研究了木构件增强后端部钉节点在交变荷载下的受剪性能。结果表明:在单调荷载下,碳纤维增强后的水曲柳和落叶松木材端部钉节点抗剪力得到大幅改善,分别提高102.54%和78.23%;交变荷载能加速木构件端部钉节点损伤进程,交变荷载频率及荷载变化幅度是影响钉节点抗剪性能的主要因素;不同树种及不同端面钉节点剪切位移增量差异明显,剪切位移增量可用作评价交变荷载下钉节点抗剪性能优劣的参数;增强端面钉节点剪切破坏模式主要表现为钉孔边缘碳纤维涂层出现局部变形及钉剪切变形。增强后的水曲柳及落叶松木构件端面具有更优异的抗疲劳及蠕变性能,可应用于木结构工程。     

古建木构件化学组分近红外光谱分析

在材种鉴定的基础上,通过近红外光谱(NIRS)定性分析了建成约600 a的木造古建筑木构件的化学组分,结合木构件化学组分定量分析,与现代木材相比较,探讨了近红外光谱技术评价木构件老化的可行性。结果表明:近红外二阶导数特征性谱带反映了木材纤维素以及半纤维素和木质素的基团信息,而其差谱反映出木构件与对照样化学组分变化。这些光谱特征与传统的化学组分定量分析的结果非常一致:纤维素和半纤维素相对含量减少而木质素相对含量增加,与各种组分谱带差谱的增减相对应。此外,在5 882,5 587和5 464 cm-1等谱带处反映的纤维素结晶和半结晶区的光谱信息,差谱观察到木构件与现代材落叶松之间化学组分的不变或减少,其结果与X射线衍射(XRD)方法获得的木材结晶度分析结果相一致。通过NIRS定性分析木构件化学组分及结晶度变化,接近于现场检测方法,使用便携式NIRS,在古建筑木构件端头裸露部位获取光谱信息,能够实现现场对木材化学组分的无损定性评价。本实验结果也表明,除了常规的红外光谱(FT-IR)、XRD分析技术,NIRS技术对于木构件老化状况的评价是一种有潜力的无损检测方法。     

古建筑木构件缺陷检测方法发展现状

木材缺陷是在木材应用中存在的一个不能忽视的问题,它影响了木构件的外观及其力学性能,最终决定该木结构是否能够继续使用。如何及时、有效的检测出古建筑木构件中的缺陷,探索到合理的检测方法,一直都是科研者共同的研究方向。根据检测机理的不同分别介绍一系列无（微）损检测方法,如传统检测法、应力波检测法、皮罗钉检测法、超声波检测法、微钻阻力检测法、应力波断层成像检测法,以及它们在古建筑缺陷检测中的应用,同时对这些方法的研究现状和发展趋势进行了总结。     

西藏三大重点文物木结构防腐防虫技术(二)

木材干燥和防腐是古建筑维护中的重要措施,对西藏三大重点文物防腐工程中,各类木构件干燥防腐工艺、干燥防腐质量要求和质量控制措施等进行了总结,为古建筑木结构的维修和保护提供参考.     

西藏三大重点文物木结构防腐防虫技术(一)

西藏三大重点文物保护维修工程是我国规模较大的古建文物修缮工程.其中的防腐防虫工程是基本环节,包括三大文物建筑的木结构虫蛀腐朽勘测、腐朽虫蛀木构件的修缮和更换、木材树种选择和性能测试、木材干燥和木材防虫防腐处理等内容.对西藏三大重点文物木结构防腐防虫技术的总结,将为我国古建筑木结构的维修和保护技术发展与应用提供参考.     

木材阻力仪检测技术的应用

介绍木材阻力仪检测技术与原理、检测结果判断及国外研究人员应用木材阻力仪在判断木材内部腐朽状况、判断立木或人造板材密度和不同树种的阻力曲线与X射线密度曲线的比较等方面的现状;以及介绍我国研究人员利用木材阻力仪对古建筑木构件进行勘测和分析等情况.     

杉木胶合木湿应力研究

为揭示环境湿度变化引起的木材含水率非均匀性分布对胶合木构件内部湿应力的影响规律,从材料层面测试了变湿度条件下290个国产杉木木材的平衡含水率,以及横纹径向和横纹弦向干缩性、湿胀性、水分扩散系数、抗拉强度和弹性模量等物理力学性能参数,并从理论层面利用有限元模拟分析周期性变湿度条件下层板厚度对杉木胶合木湿应力的影响。研究结果表明:利用Nelson方程能够较好地拟合变湿度中杉木的平衡含水率;杉木横纹径向干缩和湿胀性均小于横纹弦向,横纹径向水分扩散系数、抗拉强度和弹性模量均高于横纹弦向,这决定于横纹径向排列的木射线以及管胞径面壁上大量纹孔导致的实质物质减少的微观构造;减小层板厚度有助于降低胶合木湿应力,当层板厚度由40 mm降至20 mm时,构件内部最大湿应力降低19.32%,但其最大值仍高于木材横纹抗拉强度,湿应力的降低程度不足以避免构件的横纹开裂;木结构工程设计和应用中必须考虑其他有效的方法减小湿应力以避免木材横纹开裂。     

木构件内部裂缝损伤与2D应力波图像相关性研究

2D应力波技术是一种木材内部缺陷的现场无损诊断技术,常用于传统木结构中梁、柱等木构件的材质勘查。但是在实际操作过程中发现,2D应力波的检测区域常与损伤的实际区域不一致,影响了木构件材质的准确评估。笔者采用2D应力波技术,以木构件内部裂缝损伤为研究对象,研究了应力波传感头与裂缝损伤的相对位置、裂缝损伤自身状态等因素对2D应力波图像特征的影响。研究结果表明,2D应力波图像与木材内部损伤和传感器相对位置均有密切关系,且损伤程度显著影响2D应力波检测的准确性。     

基于TFN-AHP赋权的木结构建筑可靠性评估研究

为科学客观地确定木结构建筑的可靠性,构建一种基于三角模糊数层次分析法(TFN-AHP)的模糊综合评估方法。依据环境因素对木结构建筑的构成要素造成的影响选取木材开裂、受潮、虫蛀、强度、腐朽、构件变形、连接件松动及锈蚀共8个参数构成评估指标体系;运用TFN-AHP为各项指标分级赋予权重,并依据GB 50005—2017《木结构设计标准》等划分可靠性评估等级;将指标分类处理以确定各指标隶属向量,依据模糊综合评估原理得出木结构建筑可靠性等级;并结合牡丹江市某木结构建筑进行工程实例分析,为木结构建筑的维修加固工作提供科学指导。     

无（微）损检测技术在木结构古建筑中的应用及发展

介绍了古建筑木构件勘查中常用的无（微）损检测技术,阐述了各种仪器工作原理、检测方法及其优缺点,其中包括皮罗钉、阻力仪、应力波和超声波检测设备。基于以上技术,结合古建筑木构件特点,提出仪器结合使用、构件分类检测、设备便携化以及以树种鉴定为基础的木结构古建筑无损评估体系。

Abstract：

Commonly used nondestructive inspection technologies involved in the survey of the wood structures of ancient buildings are introduced and the inspection methods,working principle,advantages and disadvantages of various instruments,including of pilodyn,re     

应力波技术在古建筑木构件腐朽探测中的应用

采用应力波测定仪对西藏古建筑上的腐朽与虫蛀木构件进行无损检测和目测腐朽观察,并将两种结果进行比较.结果表明:应力波无损检测技术可以准确的判定木构件的内部腐朽与虫蛀;表层腐朽分级与无损检测结果基本一致;在古建筑维护中,可在目测基础上,再采用应力波技术检测确认,为准确更换木构件提供定量评价依据.     

马尾松胶合木顺纹植筋抗拔性能研究

笔者选择国产马尾松胶合木为研究对象,并以双组份环氧树脂为胶黏剂,开展胶合植筋连接性能研究。采用拉-拉荷载模式,研究了植筋杆直径和植入深度对胶合木植筋抗拔强度和破坏模式的影响。研究结果表明:长径比是影响植筋连接破坏载荷的重要因子。破坏载荷随长径比的增大而增大,木材与胶黏剂粘接界面名义剪切强度随长径比λ的增大而减小。试验中主要产生木材开裂、植筋杆拔出和植筋杆屈服3种破坏模式。