一种古建筑木构件内部残损检测方法与流程

[0001]
本发明属于古建筑木结构无损检测技术领域，特别涉及一种古建筑木构件内部残损检测方法。


背景技术：

[0002]
我国古建筑是以木结构为主的建筑体系,其主要承重构件柱、枋、檩等使用的都是木材。木材是一种生物材料,在长期的使用过程中容易受到细菌、虫类以及物理和化学因素等的侵害，引起木构件出现开裂、霉变和虫蛀、腐朽等残损现象。很多情况下木材残损是从木材内部开始，但是传统的视觉观测、敲击按压等检测方法却无法探明构件内部残损情况。此情况可能会造成古建筑木构件内部常年微小的残损不断扩大，错失木构件最佳的保护、修缮时机，甚至最终威胁到整体结构的完全，引起倒塌破坏，造成不可弥补的损失。此时，利用便捷、无损的检测设备，在不破坏古建筑原有形态构造的情况下，预知木构件的健康、安全状况，准确获得其内部残损信息就显得十分必要。
[0003]
在国内，单路径应力波检测、超声波检测、微钻阻力检测、多路径应力波检测等已经逐渐应用到古建筑检测中。然而，在古建筑木结构现场检测作业中，检测条件往往比较复杂，如构件形状和位置等因素，因此适宜的检测设备应能够在复杂而苛刻的现场环境中胜任相应的检测任务，并保持相应的工作精度和稳定性。此外，单路径应力波检测技术检测信息比较单一，仅能通过波速预估内部残损的位置却不能判断残损的尺寸；微钻阻力仪缺点是仅能单路径识别，无法获取截面整体的残损情况；非金属超声波检测仪一般需要耦合剂，不适宜于粗糙或表面弧度较大的构件检测；多路径应力波检测仪虽然具有可视化和量化的特点，但是与真实残损程度存在较大差异，并不能对残损的形状、边界位置等信息较精确的定位。


技术实现要素：

[0004]
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种古建筑木构件内部残损检测方法，该方法充分考虑了构件的形状和位置，结合现场作业条件，合理选择检测设备，将检测误差控制在可接受的范围内，实现了对主要承重木构件内部残损较全面和具体的评估。
[0005]
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006]
一种古建筑木构件内部残损检测方法，包括如下步骤：
[0007]
步骤一、确定待测古建筑木结构的结构体系和承重构件的布置，对其中的主要构件的轮廓构造尺寸进行复测，为木构件内部残损检测提供基础数据；
[0008]
步骤二、通过观测和敲击对古建筑木结构所有能触及的木构件进行普查，记录木构件表面的材质状况，初步确定可能发生内部残损的构件；
[0009]
步骤三、确定步骤二全面检测中存在问题木构件以及主要承重构件两者的重点复检区域，其中主要承重构件包括木柱和梁枋；
[0010]
步骤四、采用无损检测设备对步骤三中的检测区域进行无损探测，获取木构件内部残损分布规律以及量化边界特征，勾勒内部残损的立体分布图。
[0011]
作为本发明的进一步改进，所述步骤一中木构件内部常见残损包括：腐朽或虫蛀、裂隙以及空洞。
[0012]
作为本发明的进一步改进，所述步骤二中记录木构件的材质状况包括：敲击声、是否有水渍、是否有木屑、是否存在凹陷面以及子实体。
[0013]
作为本发明的进一步改进，所述步骤三中主要承重构件需要检测的数量采用抽样的方式进行。
[0014]
作为本发明的进一步改进，所述步骤三中主要承重构件的重点复检区域为：木柱集中在根部，梁枋集中在跨中和梁部节点。
[0015]
作为本发明的进一步改进，所述步骤四中，针对不同位置的构件选用的检测设备存在差异：四周完全裸露在外的木柱以及梁枋采用应力波检测仪以及微钻阻力仪；部分被墙体包裹或被遮挡的木柱仅采用微钻阻力仪。
[0016]
作为本发明的进一步改进，所述采用应力波检测仪检测构件内部残损，是根据应力波传播速度的衰减率来确定木构件内部残损状况，健康材应力波横向传播速度v0与传感器之间的距离l之间的关系式符合下式：
[0017][0018]
式中，v0为应力波在健康材中的横向传播速度，单位为m/s；l为应力波检测仪两传感器之间的距离，单位为m；t为传播时间，单位为s，是连续测定三次传播时间的平均值，其中第一次敲击传播时间读数无效，从第二次开始计算。
[0019]
作为本发明的进一步改进，所述采用微钻阻力仪检测构件内部残损，是根据阻力衰减率来确定木构件内部残损状况，健康材阻力值是无缺陷木构件实木部分测定值的平均值。一般地，可将微钻阻力仪的钻头钻入无缺陷木构件至少20mm，前5mm为无效数值，取钻入深度5～15mm上阻力平均值作为健康材的阻力值。
[0020]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0021]
1、基于结构构件的多样性与复杂性，考虑了构件的位置因素对检测设备的制约，不同检测部位采用不同的技术手段，具备明确的针对性。
[0022]
2、本发明内部残损检测有效的结合了两种检测手段，发挥了二者优势，通过互补消除劣势，不仅能通过相互验证确保残损类型检测的准确性，避免错判漏判，而且能够实现对残损边界的精确定位，有效保证了古建筑保护基础数据的准确性。
[0023]
3、本发明采用的检测设备几乎对结构不构成损伤，符合古建筑检测不损坏原貌的基本要求，且设备简便、可操作性强适合用于古建筑复杂的现场检测。
[0024]
综上所述，本发明设计合理、步骤简明，可操作性强，能有效解决古建筑木构件内部残损检测的问题，避免错判漏判，有效保证了古建筑保护基础数据的准确性，便于在古建筑修缮和维护的工程实践过程中推广使用。
附图说明
[0025]
图1古建筑木构件内部残损检测方法实施方式流程图。
[0026]
图2木柱无损检测区域图。
[0027]
图3梁枋无损检测区域图。
[0028]
图4圆形截面应力波检测路径示意图。
[0029]
图5方形截面应力波检测路径示意图。
[0030]
图6圆形截面残损微钻阻力进针路径示意图。
[0031]
图7方形截面残损微钻阻力进针路径示意图。
[0032]
图8被遮挡的木柱截面微钻阻力进针路径示意图。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员理解。
[0034]
本发明一种古建筑木构件内部残损检测方法，通过单路径应力波检测仪和微钻阻力仪筛查古建筑木构件内部的残损信息，并考虑了不同构件位置以及截面面形式的影响，其步骤简明，操作简单，能快速有效地筛查出古建筑木构件内部残损及其尺寸，为后续古建筑木结构的安全评估、维护和修缮提供理论依据和技术支撑。
[0035]
本发明采用的设备包括：应力波检测仪以及微钻阻力仪。其中应力波检测仪用于预估构件内部残损位置以及残损类型；微钻阻力仪用于确定构件内部残损边界以及验证残损类型。
[0036]
如图1所示，本发明主要包括如下步骤：
[0037]
步骤一、结构信息调研：确定待测古建筑木结构的结构体系和承重构件的布置，对其中的主要构件的轮廓构造尺寸进行复测，对木构件内部常见残损类型、形成原因以及分布规律进行初步调研分析，为木构件内部残损检测提供基础数据，其中木构件内部常见残损包括：腐朽或虫蛀、裂隙以及空洞。
[0038]
步骤二、全面普查：通过观测和敲击对古建筑木结构所有能触及的木构件进行普查，记录木构件表面的材质状况，包括：敲击声、是否有水渍、是否有木屑、是否存在凹陷面以及子实体等，初步确定可能发生内部残损的构件；通过表1的检查现象初步判断可能存在的残损类型。
[0039]
表1表观检查判断依据
[0040]
表观检查敲击声表面水渍表面木屑表面凹陷表面子实体存在状况空钝存在存在存在存在残损类型腐朽、空洞或裂缝腐朽虫蛀腐朽腐朽
[0041]
步骤三、确定木构件重点复检区域：分别确定步骤二全面检测中存在问题木构件以及木柱、梁枋等主要承重构件的重点复检区域，减少现场检测工作量和工作时间，其中主要承重构件检测的数量可采用抽样的方式进行，主要承重构件的检测区域为：木柱集中在根部，梁枋集中在跨中和梁部节点。
[0042]
需要说明的是通过步骤二全面检查后，正常的古建筑木构件的数量依然比较大，无法做到全数检查，可参考表2对木构件进行抽样检查。
[0043]
表2古建筑木构件检测最小抽样数量
[0044][0045]
木柱内部残损横截面检测布设原则具体为：如图2所示，木柱1位于柱础2上，木柱1的柱底向上0.2m处的横截面为木柱检测区域3的下边界，从柱底向上0.2m的横截面开始，每间隔0.4m进行横截面检测，检测高度范围不小于该层柱高的1/3和1.0m的较大值。若在某个横截面发现存在明显的内部残损，加密检测横截面，可在该问题横截面的上、下各0.2m位置处的横截面进行二次扫查。
[0046]
梁枋内部残损横截面检测布设原则具体为：如图3所示，在梁枋4的端部节点处，柱枋交界沿枋走向0.1m处的横截面为枋端部检测区域5起始的边界，从柱枋交界面沿枋走向0.1m的横截面开始，每间隔0.2m进行横截面检测，检测长度范围不小于该根枋长度的1/6和0.5m的较大值；梁枋4中部为跨中检测区域6，在跨中检测区域6，从跨中的横截面开始，向两端每间隔0.2m进行横截面检测，检测长度范围不小于该根枋长度的1/3和0.8m的较大值。若在某个横截面发现存在明显的内部残损，加密检测横截面，在该问题横截面的左、右各0.1m位置处的横截面进行二次扫查。
[0047]
全面检测中存在问题木构件横截面检测布设原则具体为：从发现残损的任一横截面开始，向两侧每隔0.1m(枋)或者0.2m(柱)进行检测，直至在某个断面未发现明显内部残损。
[0048]
步骤四、木构件内部残损检测：采用无损检测设备对步骤三中的检测区域进行无损探测，获取木构件内部残损分布类型、规律以及量化边界特征，精确定位残损边界，勾勒内部残损的立体分布图。
[0049]
其中，针对不同位置的构件选用的检测设备存在差异：四周完全裸露在外的木柱以及梁枋采用应力波检测仪以及微钻阻力仪；部分被墙体包裹或被遮挡的木柱仅采用微钻阻力仪。
[0050]
采用应力波检测仪检测构件内部残损，是根据应力波传播速度的衰减率来确定木构件内部残损状况，健康材应力波横向传播速度v0与传感器之间的距离l之间的关系式符合式(1)：
[0051][0052]
式中，v0为应力波在健康材中的横向传播速度，单位为m/s；l为应力波检测仪两传感器之间的距离，单位为m；t为传播时间，单位为s，是连续测定三次传播时间的平均值，其中第一次敲击传播时间读数无效，从第二次开始计算。
[0053]
采用微钻阻力仪检测构件内部残损，是根据阻力衰减率来确定木构件内部残损状
况，健康材阻力值是无缺陷木构件实木部分测定值的平均值。一般地，可将微钻阻力仪的钻头钻入无缺陷木构件至少20mm，前5mm为无效数值，取钻入深度5～15mm上阻力平均值作为健康材的阻力值。
[0054]
具体地，对于四周裸露在外的木柱1和梁枋4按如下步骤进行：
[0055]
步骤401、首先使用应力波测定仪扫查木柱1和梁枋4的断面材质状况；
[0056]
需要说明的是，当应力传播速度相较于标准值减少超过23％但小于35％，表明木构件内部很有可能存在腐朽；应力传播速度减少超过35％，表明木构件内部很有可能存在空洞。
[0057]
为进一步明确构件截面内部残损位置，按照图4或者图5的方法筛查。
[0058]
图4对应圆形木构件截面：
[0059]
单向应力波检测路线为互相垂直的两条直径及半径1/2处的4条路线，即图中的检测路径一7、检测路径二8和检测路径三9、检测路径四10、检测路径五11、检测路径六12；根据应力波速度检测结果判断出缺陷所在的位置。任一检测路线上的应力波速度小于健康材传播速度，则表示这个位置上有缺陷存在。
[0060]
当检测路径一7、检测路径二8位置上应力波速度小于健康材中传播速，则可能在截面中心附近出现残损；
[0061]
当检测路径四10、检测路径五11位置上应力波速度小于健康材中传播速度，则可能在图4中的区域一13的残损；
[0062]
当检测路径三9、检测路径五11位置上应力波速度小于健康材，则可能在图4中的区域二14出现残损；
[0063]
当检测路径三9、检测路径六12位置上应力波速度小于健康材，则可能在图4中的区域三15出现残损；
[0064]
当检测路径四10、检测路径六12位置上应力波速度小于健康材，则可能在图4中的区域四16的出现残损。
[0065]
图5对应方形木构件截面：
[0066]
单向应力波检测路线为分别通过长边及短边中心且互相垂直的两条直线及其1/4和3/4处的4条路线，即图中的检测路径七17、检测路径八18和检测路径九19、检测路径十20、检测路径十一21、检测路径十二22。根据应力波速度检测结果判断出缺陷所在的位置。任一检测路线上的应力波速度小于健康材传播速度，则表示这个位置上有缺陷存在。
[0067]
当检测路径七17、检测路径八18位置上应力波速度小于健康材中传播速，则可能在截面中心附近出现残损；
[0068]
当检测路径十20、检测路径十一21位置上应力波速度小于健康材中传播速度，则可能在图5中的区域五23的残损；
[0069]
当检测路径九19、检测路径十一21位置上应力波速度小于健康材，则可能在图5中的区域六24出现残损；
[0070]
当检测路径九19、检测路径十二22位置上应力波速度小于健康材，则可能在图5中的区域七25出现残损。
[0071]
当检测路径十20、检测路径十二22位置上应力波速度小于健康材，则可能在图5中的区域八26出现残损。
[0072]
步骤402、在步骤401检测出问题断面的基础上，依据该断面上显示的平面缺陷的位置，使用微钻阻力仪在应力波传感器指定的单个路径(径向或弦向，如图6中进针路径一27和进针路径二28或者图7中的进针路径五31和进针路径六32)上有重点地进针检测，在指定的单个路径上较准确地区分出缺陷类型和缺陷长度；
[0073]
需要说明的是，利用微钻阻力仪对存在缺陷的部位进行验证检测时，若进针路径长度大于0.5m从两个相对方向进针，路径小于0.5m从单方向进针穿透木构件。
[0074]
除此之外，还需要说明的是，当阻力图中衰减段曲线的平均波峰值处于正常区间平均峰值的30％～60％，判定为腐朽；当衰减段曲线的平均波峰值小于正常区间平均峰值的30％，判定为空洞；当衰减段曲线的平均波峰值小于正常区间平均峰值的30％，且此区间较为狭长，判定为裂缝。
[0075]
步骤403、采用十字交叉法进行微钻检测，沿上一次残损位置阻力值图中缺陷区域的中垂线(如图6中进针路径三29和进针路径四30或者图7中的进针路径七33和进针路径八34)再次进行微钻检测，确定每次单个路径上的残损边界；
[0076]
步骤404、为准确判定内部残损轮廓，根据现场情况依然采用十字交叉法逐渐加密进针次数，实现多路径、多方向检测，最终拟合出平面残损轮廓图。
[0077]
步骤405、利用微钻阻力仪对存在残损的木构件进行单路径上缺陷长度的测量，可以获得较为准确的缺陷面积，其计算公式参考如公式(2)和(3)：
[0078]
圆形
[0079]
方形
[0080]
式中：
[0081]
a：缺陷面积；
[0082]
l
27
～l
30
：构件圆形截面单路径上阻力仪检测缺陷长度；
[0083]
l
31
～l
34
：构件方形截面单路径上阻力仪检测缺陷长度。
[0084]
步骤406、对不同问题横截面的进针检测结果进行组合，最终得到内部残损的立体分布图。
[0085]
对于部分被墙体包裹的木柱仅使用微钻阻力仪扫查木柱的材质状况并确定内部残损边界。参照图8，具体步骤如下：
[0086]
步骤401、选取柱外露部分圆弧中点为基准点，过基准点和横截面圆形进针，形成基准线，作为进针路径九36，图中还示出了砌体墙35；
[0087]
步骤402、绕基准点顺时针转动30
°
和60
°
进针进行弦向检测，即进针路径十37、进针路径十一38；
[0088]
步骤403、绕基准点逆时针转动30
°
和60
°
进针进行弦向检测，即进针路径十二39、进针路径十三40；
[0089]
步骤404、为准确判定内部残损轮廓，根据现场情况逐渐加密进针次数，在问题进针路径之间每隔15
°
进针进行二次扫查，最终拟合出平面残损轮廓图。
[0090]
步骤405、利用阻力仪对存在残损的木构件进行单路径上缺陷长度的测量，可以获得较为准确的缺陷面积，其计算公式参考如公式(4)
[0091][0092]
式中：
[0093]
l
37
～l
40
：阻力仪单路径上基点到缺陷最远端残损边界的长度；
[0094]
l
′
37
～l
′
40
：阻力仪单路径上基点到缺陷最近端残损边界的长度。
[0095]
步骤406、对不同问题横截面的进针检测结果进行组合，最终得到内部残损的立体分布图。
[0096]
参以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。