应力波技术检测古建筑木构件残余弹性模量的初步研究

采用无损检测技术对古建筑木结构安全进行定量评价,对古建筑木结构维修和保护具有重要的现实意义。采用应力波测定仪FAKOPP对塔尔寺大金瓦殿的脊檩、檩、梁、承椽檩、房椽等五种木构件的动弹性模量进行了测定,结果表明:应力波无损检测可以有效的测定残余木构件的力学强度,不同种类木构件弹性模量保持率与其承重作用大小相关。     

面向古建筑木构件内部缺陷勘测的应力波临界速度确定

利用Fakopp应力波检测仪对北京市古建筑中较常使用材落叶松、琼楠、杉木进行检测,结合统计学中置信区间估算方法,处理应力波仪检测出的应力波在健康材料中的传播速度,总结出一套古建筑木构件现场缺陷检测的应力波传播临界速度的计算方法,期望利用此方法建立一个应力波速度检测依据,使在今后现场检测当中能快速、准确判断出古建筑木构件中是否存在缺陷及缺陷的位置,以便进一步的检测.     

古建筑木结构无损检测内容与研究进展

中国拥有大量的木结构古建筑。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。木结构、木构件隐藏缺陷的检测以及评估是古建筑木结构无损检测工作的重点和难点。本文首先介绍古建筑木结构的组成,总结其无损检测内容和目前常见无损检测方法;然后归纳总结古建筑木构件隐藏缺陷无损检测、古建筑木构件分等、腐朽对古建筑木材力学性能影响等应用和研究进展;最后归纳说明古建筑木材力学性能无损检测和自然老化对古建筑木材性质影响的研究状况。以期对从事木结构文物保护技术应用和科研工作的相关人员,有所启发和帮助。     

古建筑圆柱形木构件内部缺陷筛查方法研究

为了快速、有效地筛查出古建筑木构件内部的缺陷,并估算其大小（尺寸）,使用Fakopp应力波检测仪和微钻阻力仪,在尽可能小的损伤情况下,快速筛查古建筑圆柱形木构件内部缺陷及其大小（尺寸）。并选取北京市古建筑常用木材落叶松（圆盘）进行验证试验。结果表明,利用Fakopp应力波检测仪和微钻阻力仪可以现场筛查古建筑木构件的内部缺陷及其大小（尺寸）。      

基于应力波和微钻阻力的古建筑木构件材料力学性能检测

以落叶松古建筑木构件材料为试验对象,定量试验对比了应力波技术与微钻阻力技术对材料力学性能的检测效果;并综合两种技术,探索了较单个技术检测精度更高的检测方法.试验结果表明,应力波检测方法在推算木构件材料抗弯弹性模量、抗弯强度方面的准确度要略高于微钻阻力检测方法,而在推算抗压强度方面,则微钻阻力检测方法的准确度略高;结合了...     

明十三陵裕陵修缮工程中的木构件无损检测

北京明十三陵裕陵地面上的建筑损害严重,残留建筑的木结构承重构件(梁、柱)需要逐一排查、鉴定,以最大 程度地留用原有的木构件。本文对这些木构件进行了检测、评估。根据实际情况,方城明楼等建筑的木结构被拆 下落地后检测,三座门、神木等木结构构件在原结构上(未拆卸)检测。首先对木构件进行树种鉴定,然后利用外观 分等,再用应力波和微钻阻力检测等无损检测方法对梁、柱承重类木构件(共62 根)缺陷(内、外)进行检测。结果 表明:几乎所有承重木构件都存在不同程度的腐朽、裂纹等缺陷,其中大部分承重木构件(41 根)存在大范围缺陷, 已不可再用;少部分承重木构件(21 根)存在可修补的缺陷,修补后可再用。本次检测成果,为工程设计、施工方提 供了具体、可靠的木构件缺陷状况资料,为裕陵修缮工作提供了可靠的技术支持      

金中都水关遗址木结构无损检测与评估

  目的  金中都水关遗址有约870年的历史，是金中都现存最大的遗址。其中木结构作为遗址的基础和主体，在整个水关结构中起到了重要的作用。探明水关遗址木结构的详细组成，无损检测和评估木构件的缺陷状况，旨在为金中都水关遗址修缮、保护提供依据，为同类型的地下木结构的无损检测和评估提供借鉴。  方法  首先对木结构现场进行勘测、校对，获得擗石桩、基础木桩、衬石枋3类木构件的典型尺寸、位置、数目及相互关联等信息，还原水关木结构模型；其次，根据3类木构件各自特征，以其中的236根木构件为对象，进行现场检测和实验室分析，包括敲击、尺寸测量、含水率测量、微钻阻力检测和树种鉴定等；最后，汇总现场检测和实验室分析所获得的信息，对被测木构件状况给予分等，并归纳木构件腐朽缺陷存在规律。  结果  重构了金中都水关遗址木结构三维模型，发现木结构应当由204根擗石桩、771根基础木桩、92根衬石枋组成；遗址木构件主要缺陷形式为腐朽及腐朽导致的材料缺失，次要形式为裂纹；从单根木构件来讲，地面以上部分腐朽程度相对较轻，而地面以下部分腐朽程度相对严重；遗址木构件树种以落叶松为主，樟子松为辅。  结论  金中都水关遗址木结构整体状况较差，未发现状况良好的A等木构件。在3类木构件中，擗石桩的整体状况相对最好，基础木桩的整体状况相对最差。实践证明，对水关遗址木构件的缺陷状况，综合利用敲击、尺寸测量、含水率测量和微钻阻力检测等进行检测、评估是可行的。      

基于敲击声MFSC特征CNN模型的古建筑木材物理力学性能评估

【目的】我国有大量的木结构古建筑，在现场对古建筑木构件正常木材的物理力学性能给予方便的检测评估，是古建筑木结构日常保护、修缮和安全评估的刚性需求。本研究对敲击声信号引入机器学习算法处理，力图将便捷的敲击方式应用于古建筑木材物理力学性能的无损检测。【方法】以北京某皇家古建筑拆修下来的4段落叶松旧木构件为原材料，加工无疵试件，首先探究木试件尺寸、密度对敲击声信号的影响，试验测定木试件的密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度等物理力学性能参数；然后对试验采集的敲击声信号进行梅尔频率谱系数（MFSC）特征提取，以敲击声MFSC特征为输入、试件物理力学性能为输出，构建古建筑木材物理力学性能卷积神经网络（CNN）评估模型。【结果】试件尺寸对敲击声信号没有影响，密度较高试件的敲击声信号的主峰频率较高；失活层对模型性能有较为明显的影响，失活层失活率为0.2时的拟合效果最佳；所建立的模型对古建筑木材物理力学性能的评估效果良好，密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度评估值与真实值之间的决定系数分别达到0.873、0.819、0.746、0.860。【结论】本研究构建的基于敲击声MFSC特征CNN模...     

古建筑木构件材料主要力学性能检测方法研究

为在不损害木构件功能情况下,于现场快速、有效地检测评估出构件材料的主要力学性能,以北京圆明园正觉寺鼓楼拆卸下来的落叶松材为试验对象,对力学试件进行应力波传播速度、微钻阻力、密度等检测,力图以微钻阻力与应力波速度平方的乘积（应力波-阻力模量）作为评估木构件材料力学性能的指标。经过与传统力学性能检测方法的检测结果对比发现：...     

故宫养心殿墙体木柱缺陷状况无损检测研究

[目的]古建筑墙体木柱部分或全部被墙体包裹,木柱与墙体接触部分易腐朽,检测操作空间差.通过对故宫养心殿墙体木柱缺陷状况的无损检测研究,探索墙体木柱缺陷状况无损检测评估方法,揭示墙体木柱腐朽存在的规律,为养心殿木柱修缮工作提供依据,也为其他木结构古建筑墙体木柱的无损检测和缺陷评估提供借鉴.[方法]以养心殿正殿、梅坞、东配...     

用于树干内部缺陷筛查的应力波临界波速确定研究

古树和部分城市大树的树干内部，经常有空洞、腐朽等影响树木健康和安全性的缺陷存在。以筛查古树和城市大树树干内部缺陷为目标，测定了北京地区几种常见树种的古树和城市大树健康树干的多个径向应力波波速，对每个树种的应力波波速测量值进行了正态统计分析，基于95%置信水平原则确定了用于判别树干内部是否存在缺陷的应力波临界波速值，进而形成了用于树干内部缺陷筛查的应力波临界波速的确定方法。结果表明，北京地区8种常见古树及城市大树油松、白皮松、侧柏、桧柏、刺槐、英桐、美桐和银杏的树干径向应力波临界波速值分别为1 225、1 394、1 620、1 864、2 055、1 639、1 485、1 728 m·s^-1。树干内部缺陷筛查验证性试验表明，形成的应力波临界波速确定方法是可行的。     

木材径切面内部缺陷的应力波成像算法

为了获得木材径切面上的缺陷形状、大小和位置,提出一种木材径切面内部缺陷成像的方法。首先,基于应力波在木材径切面上的传播规律,提出一种木材径切面上的应力波速度修正方法。将应力波速度转换为径切面上的若干个预估点的值,结合反距离加权插值（IDW）法提出一种速度修正插值（VCI）方法。最后,使用VCI方法在不同树木样本上进行了木材径切面缺陷的二维成像实验。结果表明:①VCI方法可以重建木材内部缺陷大小以及缺陷位置,缺陷成像结果与真实的缺陷情况相吻合。②对比IDW方法的成像结果,VCI方法对缺陷的大小以及缺陷形状、位置的成像结果有较大提高。③利用混淆矩阵方法对VCI与IDW方法进行定量分析表明,VCI方法的平均准确率、平均精确度和平均查全率均高于IDW方法,说明VCI方法成像效果的可行性和有效性。     

古建筑墙体木柱缺陷对其安全性影响数值模拟研究

  目的  墙体木柱作为木结构古建筑最重要的承重构件之一,容易出现裂纹、腐朽等缺陷,而各类缺陷会影响墙体木柱顺纹压应力的分布,导致其承载力降低,进而影响其安全性,直接威胁整个建筑的稳定性。因此,研究不同类型的缺陷对古建筑墙体木柱安全性影响是很有必要的。  方法  首先建立了墙体木柱裂纹缺陷、腐朽缺陷以及复合缺陷几何模型,并定义了墙体木柱的受压安全性系数k_c,然后使用Abaqus有限元软件分别模拟分析了裂纹缺陷模型、单侧腐朽缺陷模型、环形腐朽缺陷模型和复合缺陷模型最大顺纹压应力的大小和位置,探究了不同尺寸的缺陷对墙体木柱安全性的影响,并进行了实例验证。  结果  单侧腐朽缺陷以及复合缺陷会使墙体木柱在径向上出现较大偏移,对木柱的稳定性产生较大影响,而裂纹缺陷和环形腐朽缺陷在径向、顺纹方向和切向上偏移较小;裂纹缺陷、单侧腐朽缺陷、环形腐朽缺陷和复合缺陷都对墙体木柱最大顺纹压应力和安全性有较大影响,最大顺纹压应力总是出现在有效截面面积最小处,且均随各缺陷程度的增大呈指数增加,而安全性系数呈指数下降,同时复合缺陷对墙体木柱安全性的影响要大于单一缺陷对墙体木柱的安全性影响。半露明柱与暗柱在腐朽深度相同时,安全性相差不大,在腐朽面积相同时,半露明柱的安全性要远低于暗柱。  结论  裂纹缺陷和腐朽缺陷会降低墙体木柱的安全性,而有限元数值模拟能够计算出墙体木柱的顺纹压应力最大值,进而量化墙体木柱的安全性,其结果可以为墙体木柱的修缮提供依据。      

基于超声波频谱分析技术的木材孔洞缺陷无损检测

在探讨现有木材无损检测分析方法不足的基础上,根据超声波在木材中的传播规律,提出了用超声波能量衰减和频率成分的改变表征木材缺陷信息的方法,在此基础上用频谱分析处理了超声波信号。通过对木材空洞缺陷进行了多种频谱分析方法对比研究,选用Welch功率谱分析法对红松标准试件进行超声检测。实验结果表明,频谱分析能判断孔洞缺陷的大小和孔洞个数的变化规律,可见缺陷信号频谱丰富。频谱分析能够区分木材孔洞缺陷的大小和个数,而对缺陷的位置区分不明显。     

宁波保国寺大殿木构件属种鉴定

为配合宁波保国寺大殿保护和未来修缮的需要,对保国寺大殿古建筑主要木构件木材进行了属种鉴定。采用切片、光学电子显微镜拍照、宏观和微观特征分析等方法,对287个试样进行了属种鉴定。结果表明:保国寺大殿的木构件共有9个属种,分别是杉木属、硬木松属、云杉属、扁柏属、落叶松属、水松属6个属的针叶材和龙脑香属、锥木属、板栗属3个属的阔叶材。     

基于速度误差校正的林木应力波无损检测断层成像算法

目的应力波断层成像技术已经在林木无损检测领域得到了广泛的应用, 然而木材的各向异性特征以及应力波速度反演计算的误差对断层成像的精度影响较大。因此,进一步提高断层图像的准确性非常关键。方法根据传统的应力波速度反演原理, 提出了一种基于速度误差校正的断层成像算法(ECIA)。该算法利用最小二乘QR分解法(LSQR)计算应力波在林木横截面网格单元内的速度分布, 并使用误差校正机制(ECM)优化断层图像。为了评估算法的性能, 分别选取了若干实验室内的原木试样及扬州市区古树进行无损检测实验, 利用德国PICUS应力波断层成像仪获取的应力波传播数据实现了ECIA算法, 生成了各实验样本的断层图像。结果ECIA算法较为精确地检测出了原木及活树中缺陷区域的位置及大小, 尤其在活树的健康检测中, ECIA算法对于缺陷区域尤其是轻微腐朽区域的检测精度高于PICUS检测仪。结论ECIA算法能够产生较为准确的林木断层图像,适用于林木应力波无损检测。