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。

出踩与面宽方向柱头科斗栱抗震性能对比试验及数值分析

为研究加载方向对斗栱抗震性能的影响,文章基于地震作用的随机性和斗栱出踩与面宽方向的构造差异,对2个足尺柱头科斗栱分别沿出踩和面宽方向进行拟静力试验,得到斗栱的破坏模式、承载力、刚度与强度退化、耗能和变形能力。结果表明:斗栱在出踩和面宽方向分别加载时,大斗均相对平板枋滑移,馒头榫挤压剪断。出踩方向受力时单昂与桃尖梁相对滑移,面宽方向受力时整体明显转动。相比面宽方向受力的斗栱,出踩方向受力的斗栱具有更高的承载力、初始刚度和耗能能力,而变形能力较差。文章开展柱头科斗栱的数值分析,模拟结果与试验结果吻合较好,研究出踩和面宽不同加载方向、轴压荷载、木构件之间摩擦系数和木材弹性模量对其抗震性能的影响。结果表明:面宽方向是柱头科斗栱的最不利受力方向,其正负向承载力比出踩方向分别低19.21%和17.03%;轴压荷载和木构件之间摩擦系数越大,斗栱承载力越大,而木材顺纹弹性模量和横纹径向弹性模量对斗栱的初始刚度和承载力影响较小。

钢筋增强钢夹板-螺栓连接胶合木梁受力性能试验研究

为改善钢夹板-螺栓连接胶合木梁的刚度在到达极限荷载55%~70%区间内存在减小的问题,设计制作了3组共12根钢筋增强钢夹板-螺栓连接胶合木梁,通过改变配筋率进行三分点加载试验,并与相同设计参数的胶合木梁和钢夹板-螺栓连接胶合木梁进行对比试验。观察记录试件的受力过程和破坏现象,实测各组试件的极限承载力、荷载位移曲线和应变曲线,对比分析增强筋对各组试件破坏机理、抗弯刚度和极限承载力的影响规律。试验结果表明:与钢夹板-螺栓连接胶合木梁相比,钢筋增强钢夹板-螺栓连接胶合木梁的抗弯承载力和整体弯曲刚度在增强筋的作用下均有显著提高,钢夹板-螺栓连接试验梁在到达极限荷载55%~70%区间内刚度减少问题得到明显改善。钢筋增强钢夹板-螺栓连接试验梁的破坏形式随着配筋率的增大,逐渐由受拉脆性破坏向受拉延性破坏再到受压延性破坏进行转变。增强梁截面应变沿高度方向的分布基本符合平截面假定。依据试验数据和理论推导,得出了钢筋增强钢夹板-螺栓连接试验梁抗弯计算公式,其理论结果与试验结果吻合较好。研究表明,在钢夹板-螺栓连接胶合木梁受拉区配置增强筋可以有效改善其后期刚度减少的问题,并提升其抗弯性能,可为此类连接木梁的增强提供理论依据和试验支撑。

考虑非结构构件的木结构古建筑抗震性能研究综述

木结构古建筑是我国文物建筑的主体,它以木材为主要承重构件,具有深厚的历史文化价值。本文根据已有研究,从结构试验、数值模拟、抗震性能评估方法 3个方面,总结了含有隔墙、隔扇、雀替等非结构构件的古木建筑抗震性能研究现状。研究表明,非结构构件可以限制榫卯节点拔榫,改善节点受力,不同程度提高结构的强度、刚度和耗能能力,降低了结构在地震作用下坍塌的概率。最后结合我国木结构古建筑的研究现状以及与其他国家的研究差异,给出了未来木结构古建筑抗震性能的可能研究方向。

纤维增强复合材料增强胶合木受弯构件研究综述与展望

针对纤维增强复合材料(FRP)增强胶合木受弯构件研究进行综述,系统梳理了现有增强技术,详细阐述了界面黏结性能、抗弯性能、蠕变性能的影响因素与分析方法。研究表明:FRP增强技术能更有效地利用胶合木受弯构件中木材的强度,提高构件抗弯承载力、控制弯曲变形并改善脆性破坏模式。针对FRP增强胶合木受弯构件在工程应用上的制约因素,提出了在预应力增强技术、长期性能、抗火性能和可靠性方面研究中亟需解决的关键问题。

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。

竹集成材握钉性能试验研究

为研究单调加载下的竹集成材(LBL)握钉性能,对260个LBL钉节点试件进行拔出试验,以钉种类、钉直径、有效锚固长度以及作用力方向与LBL顺纹方向的夹角为参数,研究其破坏模式和握钉性能。结果表明:破坏模式与钉种有关,与钉直径、锚固长度和角度无关,光圆钉试件无可见破坏,而螺钉和麻花钉试件的破坏模式主要表现为钉杆环向的竹纤维发生剪切破坏,LBL内部竹纤维被环向肋纹切断并拉出试件表面。极限抗拔承载力随钉直径和有效锚固长度的增大而增加,顺纹向的承载力略低于横纹向。对于相同直径的钉而言,顺纹向螺钉和麻花钉的极限承载力分别为光圆钉的2.6倍和1.3倍,而横纹向的螺钉和麻花钉的抗拔承载力分别为光圆钉的2.3倍和1.2倍。LBL握钉力理论计算值和试验值吻合良好,误差不超过13%。

高延性混凝土加固单层砖木结构农房振动台试验研究

为提高我国农村砌体房屋的抗震性能水平,采用高延性混凝土(HDC)条带加固的方法,设计了两个缩尺比为1∶2的砖木结构模型,对加固模型与未加固模型进行振动台同台对比试验。对比分析了地震作用下两个模型结构的加速度响应、位移响应、扭转效应和破坏形态,并对其抗震性能进行评估。试验结果表明:单层砖木结构农房的整体抗震性能较差,结构的自振频率低、位移反应较大,扭转效应明显,在8度设防地震作用下接近倒塌;经HDC条带加固的模型结构自振频率增大,位移反应相比未加固模型更小,山墙外闪现象得到明显控制,结构扭转效应的破坏作用明显减轻,在9度罕遇地震作用下HDC面层只出现轻微受损,可达到“大震可修”的性能目标。采用HDC条带加固法可有效延缓结构在强震作用下的刚度退化,增加结构的耐损伤能力,并有效提高此类砌体结构的整体抗震能力。

层板销合木的界面滑移与木梁受弯性能

层板销合木(简称销合木)是一种由规格材通过销组合而成的新型结构用木材,与胶合木相比具有加工快捷、成本低且更加绿色环保等优点。为研究销合木梁的弯曲性能,设计了8组木梁的四点弯试验,试验参数包括销的种类(木销和竹销)、销间距(70、100和140 mm)和层板的数量(3、4和6层)。此外,为揭示层积材界面销连接抗剪性能对销合木梁受弯性能的贡献,开展了木销和竹销连接销合木推出试验研究。研究结果表明:与木销连接相比,竹销连接的抗滑移刚度更高且延性更好;销合木梁的受弯性能介于无销接叠合木梁和胶合木梁之间,其组合效率为0.11~0.15;随层板数量的增加,梁截面的增高使销合木梁的抗弯性能显著上升;减小销间距对销合木梁的抗弯承载力与刚度均有一定的提升作用。采用欧洲规范5中的γ法预测销合木梁的抗弯刚度时结果偏大,因此认为对销合木梁的抗弯刚度进行计算时须对销连接的滑移刚度进行折减。

基于小波包变换及互相关的古建木材声发射源定位研究

为研究古建筑木构件在承载过程中产生损伤定位问题,利用铅芯折断在木材表面模拟损伤源结合声发射技术对产生的损伤源进行检测。对采集的声发射信号首先采用小波包分解重构对信号进行去噪处理,利用互相关技术对重构信号进行互相关分析进而确定信号到达各传感器时差,最后结合时差定位法对声发射源进行定位。试验结果表明:该方法可以有效提高损伤源的定位精度,理论值与实际位置相差很小,从而为准确地反演出声发射源提供有效途径。

基于应变模态曲率差的木梁损伤识别

为了识别木梁截面的残缺,提出基于应变模态曲率差的木梁损伤识别方法。首先,采用ABAQUS建立完好木梁和不同程度损伤木梁的有限元模型并进行模态分析;然后,分别采用应变模态和应变模态曲率差的损伤识别指标对木梁进行损伤定位识别,通过拟合应变模态曲率差与损伤程度的关系式估算木梁的损伤程度;最后,通过木梁试验验证该指标的有效性。结果表明:应变模态损伤识别指标对木梁的截面损伤定位效果较差;应变模态曲率差指标具有较强敏感性,能够准确地识别出木梁损伤位置和程度。

唐五代建筑材等与平面主要尺度特征关联性研究

本文搜集宋《营造法式》之前唐五代木构建筑遗存中的典型实例,研究材等与平面各主要尺度特征的关联性。探究建筑材等与建筑当心间、步架均值、外檐出跳均值等平面主要尺度的相关性,初步推论:唐五代木构建筑中,建筑的材等等级与当心间,有成正比的趋势。材等与步架比值在8.85~16.94的范围内,材等与外檐出跳比值在2.03~3.75的区域范围。为古建筑营造尺度规律的研究提供一定的参考。

黔东南传统木结构民居更新适宜性技术分析

基于黔东南传统木结构民居的调查分析,以尊重民族文化和风俗,遵循适应性与灵活性、保护环境与可持续发展、安全性、经济性的原则,在技术策略层面上,立足于对黔东南地区传统民居建筑质量的深入评价,并充分考虑到村民的实际需求和愿望,从功能空间再生和建筑性能改良两个关键方面进行了全面的分析,提出切实可行的民居更新适宜技术和方法,为黔东南地域建筑的保护更新方式提供了新的思路,有助于保护和传承黔东南乡土建筑文化遗产。

足尺宋式摇摆木构架恢复性拟静力试验研究

摇摆木构架是中国传统木结构的主要承载体系。对足尺单跨木构架模型施加3级竖向荷载进行拟静力试验,观察试验时木构架的位移和变形特点,得到木构架在低周水平循环加载下的滞回曲线和骨架曲线,探究其在不同竖向荷载和低周水平循环加载下的结构特性。加载过程中,木柱刚体转动行为明显、柱架层变形集中,卸载阶段木构架能自主回到初始位置。试验结果表明:各级滞回环狭长且重叠,结构构件呈现出刚体运动的特征,结构整体具有一定位移恢复能力;残余位移介于0.28~2.53 mm间,两组位移恢复系数均大于87.1%,随控制位移的增加未出现显著降低,木构架的位移恢复能力良好;初始刚度在控制位移超过屈服位移后趋于稳定;柱架层变形是斗拱层变形的2.95~86.47倍,层间位移集中系数介于1.22~2.03间,且随控制位移的增加先增后降。

基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测

【目的】墙内暗柱是木结构古建筑的重要承重构件之一,因其处于潮湿和缺乏通风的环境,故多存在腐朽及由严重腐朽导致的材料缺失等缺陷,容易失去原有的承载能力和稳定性。墙内暗柱自身构造导致现有的检测手段受限,易造成不可逆的损坏。故本研究基于红外热成像原理开展墙内暗柱材料缺失缺陷检测理论与试验研究,以期为基于红外热成像的墙内暗柱缺陷状况无损检查方法的建立奠定部分前期基础。【方法】首先,从理论角度探讨古建筑墙内暗柱传热过程,推导稳态下木柱区域与纯墙体区域的温度公式,分析影响木柱材料缺失缺陷区域温度变化的因素;然后,建立试验模型,进行墙内暗柱缺陷红外检查试验,采集红外图像;最后,通过分析所获得的红外热图,探讨墙内暗柱材料缺失缺陷大小与墙体表面温度分布之间的关系。【结果】(1)理论研究表明:由于木材的横向导热系数远小于墙体导热系数,加热面加热温度相同的情况下,木柱墙体外表面所对应的温度偏低;墙内暗柱的检测效果主要受到缺陷尺寸,即缺陷高度、缺陷深度的影响。(2)试验结果表明:在稳态热传导下,木柱处的墙体外表面温度要低于纯墙体,即木柱处红外图像的颜色更浅;木柱缺陷的存在会使缺陷处墙体表面温度变高,红外图像颜色变深;木柱缺陷高度越大,缺陷导致的高温范围越大;木柱缺陷深度越大,缺陷区域温度值越高。(3)在非稳态热传导下,木柱中线温差分别与木柱缺陷高度(R^(2)≥0.964)、深度(R^(2)≥0.951)呈极强的正相关。(4)在木柱缺陷较小的情况下,墙体表面温度不因缺陷的存在而发生明显改变。【结论】木柱的缺陷高度与深度是影响缺陷红外热成像检测效果的主要因素,红外热成像法应用于古建筑墙内暗柱材料缺失缺陷的筛查与评估是可行的。

无损检测指标与木材横纹局部抗压强度和密度的相关性

【目的】探索不同类型和数量的无损检测(NDT)指标与木材横纹局部抗压强度和密度的相关性差异,确定最优NDT指标组合,为基于无损检测手段评估木材横纹局部抗压强度和密度的研究提供参考。【方法】以某典型藏式古建筑木结构梁构件为研究对象,锯解得到横纹局部抗压无疵试样。通过物理力学试验和NDT试验,获得无疵试样的密度ρ、横纹局部抗压强度f_(lc),以及顺纹应力波速v_(l)、横纹应力波速v和微钻阻力F,计算不同NDT指标或指标组合与ρ、f_(lc)的线性相关系数,进而对比讨论。【结果】(1)使用单一NDT指标预测ρ时,v_(l)效果较好,两者相关系数绝对值为0.662,补充微钻阻力均值Fm后可提高15.56%,达到0.765;使用单一NDT指标预测f_(lc)时,Fm效果较好,两者相关系数为0.526,在此基础上补充横纹应力波速均值v_(m),二者相关系数提升26.80%,达到0.667,进一步补充v_(l)后相关系数继续提升7.20%,达到0.715。(2)当两组NDT指标中的基本指标构成一致时,即便基本指标的形式存在差异,两组NDT指标与被预测参数的相关系数也近似。(3)当两个与被预测参数相关性较好的NDT指标组合时,相关系数可能进一步提高;当相关性较好的指标与较差的指标组合时,相关系数接近于前者;当相关性较差的指标与不相关指标组合时,相关系数可能大幅提升,也可能仍然较低;当两个均不显著相关的指标组合时,指标组合与被预测参数仍不具有显著相关性。【结论】确定合理的NDT指标比一味增加指标数量对相关系数的提高影响更大。综合考虑相关系数提升效果以及由此可能增加的测试工作量,预测木材密度和横纹局部抗压强度时建议分别使用“v_(l),F_(m)”和“F_(m),v_(m)”的NDT指标组合。

不同气候条件下预应力木梁柱节点长期转角计算方法

梁柱节点长期转角是评估预应力木框架结构长期适用性能的重要指标,过量的梁柱节点长期转角会引起木梁竖向变形的增大,降低结构适用性;因此准确预测预应力木梁柱节点转角的时变规律是保证预应力木结构长期安全服役的重要前提。该文提出了不同气候条件下预应力木梁柱节点长期转角的数值计算方法,该方法包括木材水分传输、时变预应力计算、弹性转角计算、蠕变和环境变形计算、节点长期转角更新五个模块。随后利用长期试验数据验证了计算方法的准确性。最后,基于验证的数值计算方法分析了不同气候条件、木材初始含水率和构件尺寸对预应力木梁柱节点长期转角的影响规律,依据50年服役期内的最大转角蠕变系数评估了节点长期变形的性能等级。结果表明:该文所提出的数值计算方法与试验结果吻合良好;气候年平均相对湿度越大,节点发生中等或严重变形的比例越高;木材初始含水率越高,节点发生中等或严重变形的比例越低;构件理论尺寸越大,节点长期变形越小。

安装偏差对胶合木梁柱植筋节点受弯承载力的影响

胶合木植筋节点在加工和安装时通常会存在些许缺陷和误差,且植筋节点的设计和施工目前尚无标准可循。为了研究含加工缺陷在内的安装偏差对该类节点受弯承载力的影响,明确安装偏差的允许范围,基于理论计算方法初步校核所设计节点的梁端抗弯承载力,然后进行有、无安装偏差节点的有限元分析,并与有安装偏差的试验结果进行对比,运用考虑胶层开裂的有限元分析方法确定安装偏差限值。结果表明:有安装偏差节点的梁端抗弯承载力有所下降;试验中试件的破坏形态主要为植入钢筋屈服、植筋孔洞周围木材破坏及木柱顺纹方向开裂;有限元分析时考虑安装偏差和胶层开裂,则分析结果与试验吻合度较高;相对于通常预留间隙10 mm的节点模型,安装偏差控制在10~25 mm以内时,受弯承载力的降低幅度低于5%。

大跨度齿板连接木桁架搁栅楼盖竖向振动性能试验研究

为研究齿板连接木桁架搁栅楼盖的人致振动响应,对12m跨度齿板连接木桁架搁栅楼盖振动性能进行了足尺试验研究,分析了横撑和隔墙对木楼盖振动特性、楼盖刚度的影响,分析了单人步行荷载和自由落体冲击荷载作用下木楼盖的振动响应。结果表明:木楼盖前三阶振型符合预期,单跨木楼盖的基本自振频率在8Hz以下,低于连跨形式木楼盖的基本自振频率;安装横撑和设置隔墙都可以增加木楼盖的前三阶频率;在不同位置安装横撑均可提高木楼盖的刚度,减小木楼盖的静态挠度,均匀安装4排横撑可将楼盖中心静态挠度降低47.5%;不同方向步行荷载激励下木楼盖的振动响应略有不同,纵向行走而致的振动响应较大,横向较小,安装隔墙后木楼盖中心的振动响应能降低40%左右;木楼盖的纵向振动传递大于横向和斜向两个方向,安装隔墙有助于木楼盖振动的传递。

华北地区古建筑木构件开裂类型与特征分析

木构件开裂是木结构古建筑中主要残损类型之一,影响古建筑安全性能。为研究古建筑木构件的开裂类型与特征,通过现场勘查对我国华北地区8处木结构古建筑的关键木构件开裂情况进行检测,获得古建筑木构件开裂残损的类型与形态、数量、尺寸等特征,并与自然干燥的现代材开裂情况进行比较,观察木材裂缝长时间的变化情况。研究结果表明:古建筑木构件开裂率约85%,裂缝按其形态与开裂原因可分为干缩裂缝与受力裂缝,干缩裂缝为主要类型;多数干缩裂缝开裂深度未至髓心,比例为78.16%;木构件干缩开裂特征受其形态影响,自然干燥现代材与古建筑木材开裂特征相同,达到平衡含水率后开裂特征基本不发生变化。