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。

古建筑木构件修复加固用环氧树脂性能评价方法研究

环氧树脂是古建筑木构件修复加固的常用材料,为了科学合理地使用环氧树脂,基于多准则决策理论建立古建筑木构件修复加固用环氧树脂性能评价模型。参考古建筑木构件修复加固工程对环氧树脂的要求与相关标准确定环氧树脂的性能指标集合,采用熵权法与层次分析法分别得到各性能指标客观权重与主观权重,综合主客观权重对各性能指标赋权,使用优序法与逼近理想解排序法(technique for order preference similar to an ideal solution,TOPSIS法)结合各性能指标复合权重构建两种综合性能评价模型。通过验证试验对十组环氧树脂进行综合性能评价,结果表明复合加权TOPSIS综合性能评价模型更全面客观,更适用于古建筑木构件修复加固用环氧树脂,可作为选择和使用环氧树脂的参考方法。

古建筑木构件病虫害防治措施

为提升古建筑木结构病虫害防治效果,保障建筑结构的稳定性,现基于山西省木结构古建筑群的病虫害类型及现状,分析不同病虫害类型的识别方法,详细论述蠹虫类、木蜂类、天牛类以及白蚁类虫害的具体防治措施,以期减少病虫害对古建筑木结构的影响,对古建筑保护工作起到一定的借鉴意义。

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;结合了应力波和微钻阻力两种方法的波阻模量检测方法推算木构件力学性能有比单一方法更高的准确度。

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:应力波-阻力模量与被测材料主要力学性能指标之间有较好的线性相关性,它与材料弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度的决定系数分别为0.5056、0.2609、0.4773。为了更好地使应力波-阻力模量这个参数服务于古建筑木构件材料力学性能的快速检测与评估,建议使用95%置信度回归方程作为实际使用的计算式。

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。

古建筑木构件残损特征及其内部空洞的应力波无损检测

为了更准确地掌握古建筑木构件内部残损状况,在大量现场调研的基础上分析木构件残损特征和主要残损部位,采用FAKOPP应力波对榆木试件采取逆向试验,研究在不同形状、大小的空洞下应力波对空洞面积、空洞形状、波速衰减的数字采集情况.研究结果显示:随着空洞的不断扩大,检测面积与实际面积之间的误差值逐渐减小,最小误差可达4%,此外两者之间存在显著线性关系.FAKOPP应力波对空洞形状的识别较弱,当空洞位置为中部时,将二维平面检测图与反映V_a、V_b、V_c、V_d、V_e波速线形图进行综合分析有利于对内部孔洞形状的判定以及空洞面积的参考.其中以V_c路径的波速最为稳定,当空洞达到截面面积1/2时,对比完整试件其波速衰减最高可达51.16%.研究成果有利于古建筑进行预防性保护以及将检测方法由定性转为量化分析,为实际工程的修缮加固方案提供有效数据支持.

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。

基于Shapley值的古建筑木构件内部缺陷无损检测

为了准确地获取古建筑木构件内部缺陷状况,采用应力波和阻抗仪2种无损检测方法,对古建筑常用树种榆木和杨木试件在不同缺陷类型、不同内部缺陷面积下进行试验,并基于Shapley值对其内部缺陷进行组合预测.研究结果表明:应力波能快速获取检测截面的二维图形,内部缺陷较小时误差率较大,当内部缺陷面积大于整个检测截面的1/4时应力波检测误差值逐渐减小.阻抗仪对单路径下的内部缺陷能够准确判断缺陷位置及缺陷类型.当木构件内部缺陷较小时阻抗仪检测结果较精确,内部缺陷面积扩大后阻抗仪检测误差变大.应用Shapley值方法,通过分配2种无损检测总误差来确定组合预测模型中应力波和阻抗仪的权重,构建组合预测模型,组合预测误差值均小于10cm2,检测精度高于单一的检测结果,可以为古建筑木构件工程的修缮和加固方案提供有效数据支持.

我国古建筑木构件及木质文物保护技术发展历程与展望

文化遗产保护是传承历史文化、增进民族团结、维护国家统一及社会稳定的重要基础。总结中国林业科学研究院木材工业研究所古建筑木构件及木质文物保护技术的发展历程,概述我国现有技术及其应用实施进展,并基于现状分析未来的发展趋势。

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。

危害我国古建筑木构件的天牛类害虫

鞘翅目昆虫天牛幼虫在木材内部营钻蛀性生活,破坏木结构建筑或古建筑木构件,严重时短期即可导致建筑倒塌,极大影响木结构安全,系统性了解危害古建筑木构件的天牛类害虫种类、危害特性、防治和预防对古建筑保护工程勘察、预防性保护方案设计具有重要指导意义。本研究基于全国各地古建筑和民居天牛危害相关报道,结合部分地区古建筑木构件虫害勘察实例,总结危害我国古建筑木构件的天牛种类、分布、生活习性和寄主树种,梳理天牛危害识别技术及其危害等级划分标准,分析古建筑木构件天牛危害风险和预防措施。危害我国古建筑木构件的天牛种类主要有家茸天牛、家扁天牛、长角凿点天牛和槐绿虎天牛4种;全国各地古建筑木构件均有天牛危害侵染风险;预防天牛在古建筑上的危害重要的是维修工程中新更换木构件和墩接、加固用木材加工之前应预处理,包括原木剥皮、干燥处理、防腐处理等措施;应建立古建筑病虫害定期检查监测制度,及时发现虫害及时除治。

古建筑木构件有机型防腐防虫剂制备及其效果

【目的】制备一种环境友好型的水基化有机型防腐防虫微乳剂,以满足古建筑木构件不同生物危害防治需求,因地制宜保护古建筑木结构免受生物败坏。【方法】选择木材防腐效果较好的丙环唑、防霉抑菌的1,2-苯并异噻唑啉-3-酮(BIT)和杀虫活性较高的高效氯氟氰菊酯为主成分,采用助剂添加和乳化技术制备水基化有机型防腐防虫微乳剂,通过稳定性测试、有效成分抗流失性能测试、室内抑菌活性测试、室内防腐性能测试以及野外埋地测试等评价微乳剂的性能和防腐防虫效果。【结果】制备的水基化有机型防腐防虫微乳剂兑水稀释250倍后可稳定存放60天以上且仍保持透明,-25℃下放置过夜未结冰;微乳剂稀释后处理木材的有效成分固着率达90%以上,各有效成分在木材中的固着率与其在水中的溶解度有关,溶解度高的有效成分固着率低;微乳剂处理后木材外观色泽几乎没有变化;微乳剂对木材白腐菌、褐腐菌、霉菌和变色菌抑菌效果良好;处理辐射松边材时,载药量高于161.3 g·m^(-3)(丙环唑与高效氯氟氰菊酯配比为20∶1)时木材质量损失率低于5%,耐腐等级达到I级强耐腐等级;载药量在134.8 g·m^(-3)以上(丙环唑与高效氯氟氰菊酯配比为20∶1)的辐射松处理材埋地半年的腐朽和白蚁蛀蚀完好值皆为10,而未处理材白蚁蛀蚀完好值为5.8。【结论】本研究制备的含丙环唑、BIT和高效氯氟氰菊酯的水基化有机型防腐防虫微乳剂有效成分含量≥10%,低毒,性能稳定,有效成分在木材中固着率高,具有良好的防腐和防白蚁效果,实际应用时可根据古建筑实际生物危害防治需求灵活调节有效成分配比。

青海赵家寺古建筑木构件材种研究

为开展青海省海东市乐都区赵家寺古建筑修缮和修复工程的需要,对该批古建筑用木构件进行了树种鉴定。通过制作木材简易切片,进行显微构造观察记载并拍照,和已有标本进行比对,鉴定结果为:杨柳科杨属(Populus sp.)、松科松属(Pinus sp.)硬松类、松科云杉属(Picea sp.)的木材。该鉴定结果对乐都区赵家寺古建筑考证提供参考依据。

西藏古建筑房椽木构件树种鉴定研究

对西藏布达拉宫、罗布林卡古建筑20个椽材进行了树种鉴定,测定了木材纤维长度和基本密度。结果表明:这些建筑有6种木材,包括冷杉属的一种(Abies sp.)、高山松(Pinus densata)、西藏云杉(Picea spinulosa)、杨属(Populus spp.)木材、(Salix spp.)柳属木材、沙棘属(Hippophaespp.)木材;纤维长度和基本密度小于成熟材,属于幼龄材。

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。

古建筑木构件防腐阻燃表面处理技术

古建筑维护工程中木构件的防腐防虫阻燃处理占有重要地位。古建筑木结构的防腐防虫及阻燃处理一般以现场表面处理居多，目前国内关于古建筑木构件表面防腐防虫阻燃处理的质量控制尚无统一的规范和标准，有些是凭工程师经验执行，因此需要更科学、更规范的表面处理操作规程。根据古建筑维护工程的实际需要。

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模型,对古建筑木材物理力学性能进行检测评估是可行的。

建筑结构用木工字梁等6项国标已经实施

根据中华人民共和国国家标准2012年第41号公告，由全国木材标准化技术委员会归口管理的《建筑结构用木工字梁》（GB／T28985--2012）、《结构用木质复合材产品力学性能评定》（GB/T28986-2012）、《结构用规格材特征值的测试方法》（GB／T28987-2012）、《古建筑木构件内部腐朽与弹性模量应力波无损检测规程》（GB／T28990-2012）、《热处理实木地板》（GB/T28992--2012）、《结构用锯材力学性能测试方法》（GB／T28993-2012）6项国家标准，自2013年6月1日起实施。

五台山佛光寺东大殿木构件加工痕迹调查

本研究通过对唐晚期木构佛光寺东大殿部分构件表面留存的加工痕迹进行取样、记录,结合传统匠人的专业知识对加工工具种类、形制及使用特点进行推测。其中有数处锛、斧痕迹与当代工艺有比较大不同,结合工具史相关研究成果及日本流传下来的形制相对古老的锛斧样式,分析当时的工具形制特点。