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。

古建筑落叶松木构件自然老化材性变化

为探究古建筑木构件自然老化材性变化,以距今约350 a的一段古建筑华北落叶松木构件及与其具有相似年轮宽度的落叶松新材为研究对象,加工标准力学试件,测定试件的材性参数(颜色、全干密度、力学性能参数)及无损检测参数(微钻阻力值、超声波波速),对比分析自然老化木材试件的无损检测参数与材性参数的变化及分布规律,并基于所测得的新旧材两类试件的材性及无损检测参数建立落叶松木材物理力学性能参数的多元回归模型;研究结果表明:所测老化木材试件物理力学参数及无损检测参数均衰减明显,且颜色具有极显著差别;自然老化木材试件各参数变异系数均高于新材试件,但两者均符合正态分布,建立的落叶松木构件物理力学性能参数的评估模型具有较高评估性能。

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。

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。

现代木结构抗火研究进展

现代木结构抗火性能研究因其材质的易燃性、火灾预测的复杂性以及影响因素的多样性而极具挑战性。本文以火灾作用下木材热性能为出发点,再到构件和节点分析,进而扩展到结构,对整个现代木结构抗火所涉及的相关研究成果进行较为全面的回顾。主要内容包括:木材着火、热解以及炭化,木构件和节点抗火,木结构抗火。已有研究结果表明:对于火灾作用下木材燃烧机制、构件抗火性能、节点连接性能以及结构火灾性能方面已有较为清晰的认识,也开发了木材着火、热解及炭化预测模型,明确了结构设计与消防安全的基本概念。为满足现代木结构整体火灾安全设计需求,应致力于发展精确的火灾模型、先进的热模型及结构模型,重点关注自然火灾下建筑全过程结构行为;未来尚应在研究内容上聚焦高大型空间木结构火灾温度效应与结构整体受火性能,在研究方法上以性能化火灾安全设计为目标,从而推动现代木结构向高层、大空间及大跨度方向发展。

现代木结构桥梁及其结构形式

基于现代木结构桥梁自重小、施工便捷、绿色环保、综合经济性好等优点,从木构件加工、连接技术、耐久性能等角度出发,分析了现代木结构桥梁的特点和应用前景,探讨了现代木结构桥面板和桥梁常用的结构形式。结果表明:现代木结构桥梁形式多样,性能优良,应用前景广阔,能够丰富中国现代桥梁结构的形式。

基于炭化速度的梁柱木构件防火设计方法研究

由于缺乏对木结构火灾性能的系统研究,现行国家标准《木结构设计规范》(GB 50005—2003)(2005版)和《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)仅对木结构构件的耐火极限进行了相关规定,没有涉及木材的燃烧机理、炭化速度以及木构件耐火极限的计算方法,限制了木结构向多层和大跨方向的发展。本文较系统地研究了我国工程常用树种的燃烧性能和炭化速度,得到了木材炭化速度计算式,提出了与试验结果吻合的木构件基于炭化速度的防火设计方法,为相关标准的制修订提供依据,为木结构在我国的推广应用提供支撑。

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。

从故宫慈宁宫建筑群木构件用材观其历史沿革

文章对故宫慈宁宫建筑群的慈宁门、慈宁宫、大佛堂、徽音右门、徽音左门等13座建筑的木构件进行取样,共采集1710个样本进行树种鉴定,发现慈宁宫建筑群共使用了12类木材,包括楠木、樟木、木姜等樟科阔叶材和云杉、落叶松、冷杉、硬木松等常见针叶材。通过梳理不同种类木材特性,统计鉴定结果,分别对各材种在慈宁宫区各座建筑和各类构件中的使用情况进行了分析,从而对该区建筑的用材情况加以总结。结合分析结果和文献所见有关慈宁宫一区的建造及修缮情况,对该区建筑的历史沿革进行了进一步解读,认为可将这13座建筑分为5组,分别佐证了该区建筑从明到清五个不同时期的建造和改建历史。这一研究思路和方法也可用于对故宫其他区域古建筑的认识与解读,从而为其价值认知和保护修复提供数据支撑,同时,通过大量数据的积累和逐步分析,有助于提升对故宫整体古建筑用材及其所体现出的历史沿革等营造信息的认知水平。

基于无损检测的超役黄杉和杉木构件的剩余强度分析

为了评估超役木构件的损伤状况,确定其剩余强度,对东南大学老图书馆维修加固拆卸下来的一批木梁柱构件进行无损检测、材性试验研究。首先目测该批超役木构件的腐朽和虫蛀等级,利用射钉仪和木材阻抗仪,对木材的腐朽和虫蛀状况进行无损检测,并对2种仪器的检测结果进行相关性分析。然后截取小段构件制成小试件进行材性试验,包括顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度,拟合出小试件强度和阻力之间的关系曲线;将剩余大段构件其余测点的阻力代入关系曲线,得到考虑腐朽和虫蛀影响的小试件强度。分析小试件强度和构件强度的差别,最终得到考虑腐朽和虫蛀影响的构件剩余强度。结果表明:目测分级大体可行,但部分测点目测等级不可靠;构件剩余抗拉强度和剩余抗压强度分别为15.31～25.89 MPa和8.46～13.73 MPa。

层板钉接木(NLT)在竖向荷载作用下的承载性能研究综述

层板钉接木(NLT)一种重型木结构产品,相对于层板胶合木,其用钉代替胶实现层板间的结合,具有生产便捷、用材经济、形式多样等优点,近年来虽越来越受到关注,但研究相对较少。综述NLT在竖向荷载作用下承载性能方面的研究现状,包括层板及其共同作用效应、钉的类型和层板搭接等因素对NLT性能的影响、NLT-混凝土组合楼板性能等。

现代轻型木结构建筑中组合木柱轴心受压性能研究

本文介绍了轻型木结构体系中组合木构件的研究进展。通过4组共22根组合木柱构件的轴心受压试验,对此类构件轴心受压性能进行研究。根据各组试验数据的对比,分析组合片材数,构件长细比,钉间距及金属套箍对组合木结构柱轴心受压性能的影响,对于组合木柱的设计应用提供一定的参考。本文所得的研究成果主要有:(1)组合木柱连接钉对轴心受压性能的提高没有显著的影响;(2)减小组合柱长细比,增设金属套箍能有效提高其承载力;(3)长细比的提高及片材数的增加能增强组合木柱的协同工作能力。

轻型木结构建筑中组合木构件研究进展

回顾了国外轻型木结构中组合木构件的研究进展,首先说明了在轻型木结构建筑中组合木构件的应用优势,然后介绍了国外学者在20世纪和近几年对组合木构件的研究情况,所研究的组合木构件包括片材组合、分离式(格构)组合、箱形和支撑柱等,讨论的焦点主要集中在组合木构件的理论分析和设计方法,得到的关于钉连接、螺栓连接等组合木构件的相关研究成果。最后指出了按我国与加拿大木结构规范设计组合木构件的现状及需要进一步研究的问题。

基于换算长细比的正交胶合木稳定系数计算方法

正交胶合木(CLT)纵横向层板交叉组坯,纵向层板强度和模量较高,横向层板强度和模量较低,其截面呈强弱相间的条带状结构。当轴心受压构件失稳时,截面剪切变形对CLT稳定承载力的影响不可忽略,故不能采用一般木产品的稳定承载力计算方法。目前我国相关标准中尚无CLT轴心受压构件稳定承载力计算方法。鉴于此,从CLT产品的截面构成特点出发,将其视为分肢柱:纵向层板视作柱肢,横向层板视作柱肢之间的连接。采用考虑剪切变形的压杆屈曲理论,首先计算不考虑横向层板时的构件长细比,再考虑横向层剪切变形对长细比的影响,推导建立了CLT的换算长细比计算式,并将其与GB 50005—2017《木结构设计标准》中的稳定系数计算式相结合,提出了CLT轴心受压构件稳定系数计算方法。经比较,发现提出的计算方法与试验结果吻合较好。通过与主要国家制定的稳定承载力计算方法进行比较,发现所提出的方法计算结果高于日本方法,与欧洲及美国方法所计算的稳定系数基本一致,验证了本研究所提出方法的准确性和可行性,可为CLT的设计和工程应用提供依据。

一种木构件接长节点及其抗弯性能初步研究

为解决螺栓连接节点刚度低、滑移变形显著的问题,研发了一种基于植筋连接的预制装配式木构件接长节点,该节点可在获得良好刚度及节点紧密性的同时,采用保险螺栓防范植筋连接脆性破坏导致的节点突然解体,并通过碳纤维布增强端面抑制可能产生的木构件劈裂破坏。基于2根构件试验定性检验了节点设计意图实现情况并总结了可能的改进措施。

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。

火灾下木构件温度场分布数值模拟研究

木材是可燃性材料,研究木构件的抗火性能具有重要意义。受火后木材表面发生炭化,由于炭化层的导热系数较低,木材表面的炭化层能减缓热量传递并延缓木材燃烧,因此木材受火后传热是一个非常复杂的问题。采用ABAQUS较系统地研究了木构件的截面温度场分布规律,为木构件抗火性能研究提供基础。模型中木构件采用二维平面单元模拟,材料的热工特性参数根据欧洲规范(EN 1995-1-2)取值。分别采用三面受火木梁和四面受火木柱试验结果对数值模型的可靠性进行验证,并进一步研究了木材干密度和含水率对木构件温度场分布的影响。研究表明,材料密度越大,截面相同位置处的温度越低,截面温度上升越慢;而含水率对截面温度分布影响较小。

基于木材弹塑性损伤本构的古建木结构残损梁柱构件损伤非线性分析

局部糟朽、虫蛀在古建筑梁柱构件中普遍存在,采用数值模拟方法分析其受力性能意义重大。在连续介质力学和损伤力学框架内,建立木材的弹塑性损伤本构模型,并基于ABAQUS的用户材料开发接口UMAT进行本构模型的二次开发,通过模拟已有文献中的三点受弯木梁试验,对本构模型的正确性进行验证。通过人工预制局部开槽的方式模拟实际古建筑木结构中梁柱构件的局部糟朽和局部虫蛀,基于所开发的本构模型建立有限元模型,并通过已有试验验证模型的正确性。结果表明:所建木材的弹塑性损伤本构模型和木梁、木柱的有限元模型可较好地反映残损梁柱构件在受力过程中的非线性受力和损伤演化行为。

特殊技术和方法在重庆湖广会馆修复工程中的运用

湖广会馆脊饰修复工程遵循修旧如旧的原则,将民间传说、民间工艺及地方特色有机结合在一起,尽量保持了原有风貌及本色。作脊饰的材料全部用传统材料,脊饰底胎所用材料有白灰膏、粉煤灰、河砂、棉花、纤维布、矿物质原料、糯米面、桐油和钢筋、铁丝、碎瓷片等。新工艺与技术的运用,使石木材料的处理与保持原形原样在效果上达到了近乎完美的结果。

温湿度变化环境下木构件长期强度衰减模型

为了研究长期温湿度变化环境对木构件持续荷载效应的影响,将温湿度的长期变化视为木构件的外部荷载,在已有强度损伤累积模型基础上,采用miner线性损伤累积理论,通过数值分析方法建立了同时考虑日温湿度变化和年温湿度变化的长期荷载作用下木构件的强度损伤累积模型,并积分得到了材料强度衰减模型.结果表明:以年为时间单位的长期强度损伤累积模型保留了Gerhards模型的指数形式,大大提高了计算效率;材料强度衰减模型反映长期荷载作用下木构件强度的时变规律,便于采用抗力理论对历史建筑木结构进行剩余寿命预测;应用本文建立的模型对某历史建筑木桁架进行的剩余寿命预测验证了该模型的可行性和合理性.