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。     

古建筑木构件开裂机制、评估与加固研究进展

开裂作为古建筑木构件最常见的残损类型之一,影响木构件的长期服役性能,是古建筑稳定性与安全性评估的重要考查内容。本文从古建筑木构件开裂情况、原因、影响,评估方法及修复加固等方面,系统梳理古建筑木构件开裂残损相关研究成果。分析发现我国古建筑木构件开裂的主要原因为木材干缩与受力破坏,主要类型为纵向开裂,开裂可降低木构件力学性能,也可为其他不利因素作用于木构件提供条件。目前主要通过实际试验与数值模拟评估开裂对木构件性能的影响,利用金属材料、纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer,FRP）与高分子树脂材料对开裂木构件进行修复加固。然而,由于古建筑的特殊性与木材变异性,仍需进一步探索木构件的不同尺度开裂机制,开发适用于古建筑开裂木构件的检测、评估与加固方法,建立科学系统性的古建筑保护体系。     

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。     

苏州艺圃乳鱼亭木构件材质与结构安全性评估

通过传统勘察和现代无损检测技术,对苏州艺圃乳鱼亭木构件用材树种和材质现状进行检测评估,并建立乳鱼亭的三维有限元模型。研究结果表明：乳鱼亭木构件用材树种主要为云杉（Picea sp.）和杉木（Cunninghamia sp.）,仅少部分木构件存在开裂和腐朽问题,腐朽主要为柱底易受潮区域。按照GB 50005—2017《木结构设计标准》规定,云杉和杉木强度等级TC11-A进行设计值取值,并考虑实际使用年限、使用环境等情况进行折减,最终有限元分析结果显示,乳鱼亭竖向荷载主要由其4根角柱承担,整体结构的承载力仍能满足承载力极限状态要求。研究结果为乳鱼亭修缮加固处理提供基础数据支撑。     

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。     

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.     

中国传统木结构榫卯连接节点力学性能研究进展

榫卯是指木结构建筑中柱、梁等构件连接在一起的一种凹凸结合的连接方式。然而,木材作为一种生物材料,随着使用年限的延长,出现的干缩湿胀、开裂变形等损伤会对榫卯连接节点的连接特性造成不良影响,因此,探究木结构榫卯连接节点的力学性能对建筑结构的安全性能具有重要意义。在木结构建筑中,榫卯连接节点的构造多种多样,力学特点和传力机制也各不相同。根据榫卯连接节点在木结构建筑中使用功能将其分为公母榫、直榫、燕尾榫、管脚榫、馒头榫和搭扣榫等六大类,简要介绍了各类榫卯连接节点的结构特点和应用情况。综述了常见榫卯连接节点半刚性的连接特性和节点刚度的求解方法,总结了不同种类榫卯连接节点和模拟残损榫卯连接节点的抗震性能及木结构建筑模型中的榫卯连接节点在人工模拟地震中位移响应和加速度响应的相关研究,概述了常见榫卯连接节点在外力作用下的破坏形式及破坏特征。根据榫卯连接节点的破坏形式,重点从金属构件和纤维增强复合材料两个方面对榫卯连接节点的加固效果进行归纳。总结了有限元分析法在榫卯连接节点力学性能方面的相关研究,指出了榫卯连接节点力学性能研究存在的问题,提出了榫卯连接节点研究的相关建议及其发展方向,以期为榫卯连接节点在现代木结构建筑中的应用提供新思路。     

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.     

木结构建筑构件三维数字化设计研究

木结构建筑构件设计方法多种多样,但仍有标准化、模块化和信息化等亟待解决的问题。文中通过分析木结构建筑构件及三维数字化设计现状,指出现存木构件设计存在的问题,论述基于三维数字化技术的木构件设计优势及对木结构研究与发展的积极影响;总结木结构建筑构件三维数字化设计方法及流程,在一定规则和标准下采用三维绘图技术完善设计体系,通过对木构件进行三维建模、模块化设计和有限元分析及优化,以提高生产效率并促进行业发展。     

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。     

西藏部分古建筑腐朽与虫蛀木构件的PILODYN无损检测研究

对西藏布达拉宫和罗布林卡不同地方更换下来的杨木、沙棘和白叶柳旧木构件进行了PILODYN现场无损检测,得到了木构件腐朽与虫蛀程度的定量结果;根据GB/T 13942.2-92对每根旧木构件进行了肉眼表面腐朽分级,得到了旧木构件腐朽与虫蛀程度的定性判断结果,将二者进行对比分析和讨论,说明PILODYN无损检测设备用于古建筑木构件的腐朽与虫蛀程度检测是完全可行的,同时强调了PILODYN无损检测设备使用过程中的局限性.     

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。     

木结构古建筑加固技术的应用及进展

木结构古建筑保存至今历经风雨,已受到不同程度的破坏。而大多数木结构古建筑都是国家重要的旅游文化资源,是珍贵的文化遗产,具有不可恢复性,因此,对古建筑进行安全保护尤为重要。笔者对木结构古建筑的破坏形式、修缮原则以及加固方法进行了分析和论述,提出了现有技术的不足之处,以期为今后对木结构古建筑的有效保护提供借鉴。     

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.     

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.     

基于物元模型的古建筑木结构健康诊断与安全评价研究北大核心

古建筑木结构的健康诊断与安全评价对于古建筑维修与保护具有重要研究价值,为科学有效地评价木结构健康诊断状态,应用可拓集合理论将木结构健康状态、评价指标及其特征值作为物元,对评价标准及实测数据进行归一化后,得到模型经典域、节域、权系数及关联度,进而建立木结构健康诊断的物元模型,并合理应用到青城山黄帝殿安全评价中。研究表明:依据综合关联度评价分级,黄帝殿的震后结构健康状态为差,破坏等级为中等破坏,符合实际震后破坏状况,物元模型能够有效克服评价存在的主观性与信息屏蔽问题,为一种实用有效的古建筑木结构健康诊断评价方法。     

ZnO改性木材研究及其应用北大核心

木材在自然环境中受温湿度变化、腐朽菌、白蚁及紫外线等影响,易出现木材漆膜开裂、脱落和褪色、木材腐朽和虫蛀等现象,严重影响木制品的使用寿命。将纳米ZnO引入木材改性领域,对改善木制品和木结构建筑的使用性能具有重要意义。介绍了纳米ZnO在木材表面的制备工艺和研究现状,分析了目前研究的不足和未来的发展方向,总结了纳米ZnO对木材抑菌性、耐紫外性、疏水性、抗白蚁、尺寸稳定性和其他方面性能的影响。最后提出了纳米ZnO在木材改性领域的发展趋势。     

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。     

全国木结构古建筑木蜂危害风险区域划分

【目的】根据木蜂种类、分布、筑巢特性和危害程度,对全国木结构古建筑木蜂危害风险区域进行初步划分,为木结构古建筑预防性保护方案制定提供依据。【方法】查阅文献和馆藏木蜂标本信息,汇总不同种类木蜂的分布,分析木蜂筑巢特性及对木结构的危害程度;勘查各省木结构古建筑危害发生程度,记载木蜂对木结构古建筑的危害情况,综合比较后进行全国木结构古建筑木蜂危害风险区域划分。【结果】黑龙江地区无木蜂分布,内蒙古、青海、新疆、宁夏和陇东以外的甘肃仅有突眼木蜂分布,这些地区木结构古建筑未发现木蜂危害。西藏、河南、山西、山东、辽宁、吉林和甘肃陇东地区仅发现1种木蜂——黄胸木蜂。湖北、陕西、四川、河北、安徽和江苏发现有2种木蜂分布。实地勘察结果显示,河南、山西、四川、江苏和安徽均发现有木蜂轻度危害(危害程度1级);云南、贵州、湖南、江西、广东、广西、福建、浙江和海南木蜂危害发生比较严重(危害程度2级或2级以上),危害木构件的木蜂往往有3种以上。【结论】将无木蜂分布的黑龙江以及仅有突眼木蜂分布的内蒙古、青海、新疆、宁夏和陇东以外的甘肃划分为木蜂危害低风险区域(代号CB1);木结构古建筑危害发生程度较轻或暂未发现危害,但有1种或2种木蜂分布的地区划分为木蜂危害中风险区域(代号CB2);危害木构件的木蜂有3种以上且危害发生程度较重的云南、贵州、湖南、江西、广东、广西、福建、浙江和海南划分为木蜂危害高风险区域(代号CB3)。     

不同国家和地区胶合木标准对比与分析

胶合木力学性能可靠、尺寸稳定性好,一般作为承重构件被广泛应用于现代木结构建筑,对木结构安全有重要影响。欧洲、日本等木结构产业发达国家和地区对胶合木的原材料、组坯方式、产品性能等都有明确的规定,通过对比不同国家和地区胶合木标准中的关键项目要求,分析我国胶合木标准的优势和不足,以期为进一步完善我国胶合木相关标准提供一定的参考。