基于无损检测的超役黄杉和杉木构件的剩余强度分析

张晋¹，王亚超^{2, 3}，许清风²，杨小敬¹，李向民²

(1. 东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京，210096；

2. 上海市建筑科学研究院 上海市工程结构新技术重点实验室，上海，200032；

3. 山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南，250013)

摘要：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。

关键词：无损检测；超役木构件；材性试验；小试件强度；剩余强度

中图分类号：TU366.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)12-3864-07

Residual strength of service-beyond wood members of douglas fir and cedarwood using non-destructive testing

ZHANG Jin¹, WANG Ya-chao^{2, 3}, XU Qing-feng², YANG Xiao-jing¹, LI Xiang-min²

(1. Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China;

2. Shanghai Key Laboratory of New Technology Research on Engineering Structure,

Shanghai Research Institute of Building Sciences, Shanghai 200032, China;

3. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd., Jinan 250013, China)

Abstract: To check service-beyond wood members and determine their residual strength, researches on non-destructive testing techniques and mechanical tests of service-beyond wood members coming from the old library of Southeast University were carried out. First of all, the decadent and eaten levels of these members were viewed. Nail gun and Resistograph were used to test the decay and bitten damages. The correlations between the two kinds of instrument test data were researched. Secondly, small timber specimens were used to do mechanical tests, including the compressive strength and the tensile strength. The relationship between the small specimen’s strength and the resistance values were fitted to curves. According to these curves, the residual strength of small timber specimens was computed. After knowing the differences between small timber specimens and wood members, the residual strength of these wood members are obtained eventually. The results show that classification by sight is feasible in general except some measure points. The residual tensile strengths and compressive strengths of these members are 15.31-25.89 MPa and 8.46-13.73 MPa, respectively.

Key words: non destructive testing; service-beyond wood members; mechanical test; strength of small timber specimens; residual strength

我国古建筑以及近、现代建筑大多为木结构或砖木结构。经历了时代变迁及不同使用者的需求变化，大多数木构件损伤严重。检测评估这些超役木构件的。损伤状况，确定其剩余强度，并采用合理的方法进行维修加固，是急需解决的问题。木构件的损伤主要包括腐朽、虫蛀、木材缺陷、结构变形和自然灾害。其中，腐蚀和虫蛀是木材中最普遍的2种损伤^[1-2]。无损检测(Non destructive testing或Non destructive evaluation，简称NDT或NDE)是在不破坏目标物体内部及外观结构与特性的前提下，利用材料的不同物理力学或化学性质，对目标物体相关特性进行测试与检验，尤其是对各种缺陷进行测量。木结构建筑在维修和保护过程中不能破坏原主体结构，这就需要利用无损检测方法对木构件进行检测评估，为这类建筑的保护和维修加固提供技术支撑。国内外木材无损检测技术的研究主要分为以下几类：基于成像技术、基于信号技术和基于探针技术的木材无损检测。近年来，国内外学者在利用无损检测技术检测木构件的损伤状况方面做了许多工作。日本、美国研究人员[^3]在1992年用声发射技术检测木材早期腐朽，研究结果表明：声发射法可以检测质量损失1%的木材早期腐朽情况。Rinn等[^4-5]对不同树种的阻力曲线与X线密度曲线作了比较试验，结果表明：阻抗仪可对年轮宽度大于0.5 mm的立木进行年轮与生长率的评价，而对于较窄的年轮难以进行准确的评定。Raczkowski等[^6]用声发射技术进行了木材径向压缩测试中腐朽早期阶段的检测。段新芳等[^7]对古建筑木材内部腐朽状况，进行了无损检测仪(Pilodyn)检测结果的定量分析。作为一门新兴技术，无损检测技术还存在以下问题：木材是各向异性材料，但基于信号技术的无损检测方法采用的是各向同性材料的波传播理论，这对检测的精度造成了一定的影响；木材无损检测仪器的成本太高，限制了木材无损检测技术的推广应用；定量化评价木材的残余力学强度时，大多数无损检测设备都需要有健康材的参考数据作为判断依据，这需要建立强大的数据库进行支持，而从实际研究的情况来看，这部分数据相当匮乏。大部分研究是定性地分析木构件的缺陷和腐朽虫蛀等损伤状况，仅有个别研究人员定量分析了个别树种的力学强度和无损检测结果之间的关系，但对于木构件遭受腐朽和虫蛀损伤后的剩余承载力问题，无相关研究报道。在木结构建筑的保护和维修加固过程中，需确切了解腐朽和虫蛀后木构件的剩余强度，从而确定该构件是否需要加固或更换。本文作者在定量分析木材的力学强度和无损检测结果的关系后，进一步研究木构件的剩余强度问题，以便为下一步的木结构保护和维修加固提供依据，避免盲目地拆除或更换。

1  超役木结构的无损检测试验

1.1  试验构件

试验试件是东南大学老图书馆加固改造而更换下来的6根木梁和7根木柱(经上海建科院木材实验室树种鉴定，木梁为松科黄杉属树种，名称为黄杉；木柱为杉科杉属树种，名称为杉木^[8-9])。6根木梁编号为BA1~BA3，BB1~BB3，7根木柱的编号为C1~C7。每根木材被分成2段，其中，小段做材性试验，剩余大段做承载力试验(承载力试验研究另文讨论)。木梁、木柱承载力试验构件长度分别为3.0 m和3.3 m。木梁构件长度的最小值、最大值和平均值分别为0.900，1.105和1.060 m；木柱构件长度的最小值、最大值和平均值分别为0.58，0.62和0.66 m。

1.2  无损检测测点布置

对于大段的木柱，沿长度方向每隔0.3 m左右设置1个测点。

对于大段的木梁，由于横截面较宽，因此在宽度方向上设置2个测点，沿长度方向测点间距仍为0.3 m左右。在中间纯弯段、以及目测腐朽和虫蛀比较严重的区段，适当增加测点的密度。

对于拟做小试件材性试验的小段构件(包括木梁和木柱)，在要截取小试件的部位布设测点，以便分析检测值和小试件强度之间关系。

1.3  试验方法及检测结果

采用外观法和基于探针技术的2种仪器—射钉仪和木材阻抗仪，对该批木构件进行无损检测试验研究。

1.3.1  外观法

本文采用的外观法主要是目测和锤击。目测法指通过肉眼观察对构件的性能进行预判，对腐朽和虫蛀比较严重的区域直接进行评估。锤击法是指用锤子敲击木材，若锤子没有回弹或有空回声，则表明内部有比较明显的空洞或腐蚀。参照国家标准《木材天然耐久性野外试验方法》^[10]，对测点处木材的腐朽和虫蛀程度进行分级如下：等级①，无腐-无虫蛀；等级②，初腐-无虫蛀；等级③，中腐-无虫蛀；等级④，初腐-虫蛀；等级⑤，中腐-虫蛀；等级⑥，中腐-严重     虫蛀。

1.3.2  射钉法

试验以预先设定好的能量将1个直径为2 mm钢针射入试件中，钢针射入的深度可以通过自带标尺确定。对于超役木构件，随着腐朽和虫蛀程度增加，木材的密度和表面硬度降低，射钉仪的射入深度会相应增大，因此，钢针射入的深度可用来判断试件的强度。黄杉各腐朽虫蛀等级的射钉检测结果如表1所示。

表1  木梁射钉深度检测结果

Table 1  Test result of timber beam with nail gun

从均值来看，射钉深度随着试件表面腐朽和虫蛀程度的增加而增加，说明射钉仪的检测结果和目测分级的结果大体一致。

从最小值来看，虫蛀等级相同、腐朽等级不同时，射钉没有表现出明显的规律性，且标准差和变异系数较大，这说明目测的腐朽分级的数据波动性较大。对同一设备而言，射钉仪的检测结果的误差不会太大，只能说明某些测点目测的腐朽分级不可靠。

从最大值来看，腐朽等级相同而虫蛀等级不同时，射钉的变化与目测虫蛀等级具有一致性，标准差和变异系数也较小，说明目测的虫蛀等级比较可靠。

需要说明的是：射钉仪虽然可以定量分析木材的腐朽和虫蛀状况，但它确定的只是木材表面有限深度范围内的情况。当需要全面了解构件内部损伤状况时，只能通过其他仪器进行检测，例如木材阻抗仪等。

1.3.3  木材阻抗仪

阻抗仪是用一根直径为1.5 mm的探针，在电动机的驱动下，以恒定速率钻入木材内部，电动机的电压恒定，电流与阻力相关，最终得到阻力随深度变化的曲线。阻力为钻针钻入过程中所需能量的相对测量值，与树种、木材含水率等因素相关。木材密度变化及内部腐朽、裂缝、虫蛀等情况引起的阻力变化均可在曲线中直观地表现出来。

试验中在使用阻抗仪进行检测时，垂直于年轮方向向髓心钻针，得到相关的阻力曲线。部分阻力曲线如图1所示。

阻抗仪检测数据结果如表2所示。从均值来看，阻力随着试件腐朽和虫蛀程度的增加而减小，说明阻抗仪的检测结果与目测分级的结果大体一致。

分析表1和表2可知：2种仪器的检测结果的变异系数都比较大，说明目测分级虽然整体上与仪器的检测结果一致，但部分测点的目测分级不可靠。无   腐-无虫蛀等级(①级)最大阻力处木材接近健康木材，认为该值即为健康材阻力，则各等级的阻力残余率^[7]用式(1)表示，结果如图2所示。

               (1)

式中：ρ为阻力残余率；V₀为各等级阻力均值；V_max为①级的最大阻力。

图1  部分阻抗仪检测曲线

Fig.1  Detected curve in resistograph

图2  各等级木材的阻力残余率

Fig.2  Residual rate of resistance value of every grade timber

表2  木梁阻力检测结果

Table 2  Test result of timber beam with resistograp

由图2可知：黄杉和杉木前3级的残余率相差不大，第4级的差别较大，分别为49.2%和63.3%；黄杉第6级的残余率较小，仅为13.8%，说明这些测点处木材的虫蛀已经相当严重，这与射钉仪检测结果  一致。

1.3.4  检测结果的相关性分析

对射钉深度和阻力做相关性分析，如图3所示，建立黄杉、杉木的射钉深度y关于阻力x的线性回归模型，并对回归方程进行显著性检验。可见：二者均为显著负相关。

由图3可知：目测虫蛀比较严重的区域，射钉深度均值达到26.6mm(无虫蛀的射钉深度均值为17.2 mm)，阻力残余率为13.8%，2种仪器的检测结果说明该处木材遭受严重虫蛀。

图3  射钉深度对阻力的线性回归模型

Fig.3  Linear regression of nail value to resistograph value

2  小试件材性试验

2.1  材性试验

每根木材的顺纹抗压强度试验和顺纹抗拉强度试验分别取9个和6个试件。参照国家标准《木材顺纹抗压强度试验方法》^[11]和《木材顺纹抗拉强度试验方法》^[12]，通过试验机对试件匀速加载直至试件破坏。

2.2  小试件强度与阻力的关系曲线

将小试件强度和阻力回归分析，得到小试件的强度y关于阻力x的关系曲线。

3  考虑腐朽虫蛀影响的小试件强度

对于做承载力试验的大段木梁、木柱，将各测点的阻力代入图4的曲线中，可得到各点考虑腐朽和虫蛀影响的小试件抗压强度和抗拉强度，结果如图5所示。将梁BA1划分为许多小区间，每个小区间布设1个测点，该点的强度就代表这个小区间的强度。其余构件类同。各木梁、木柱所有测点的强度统计分析如表3所示。

对我国14种新木材、20个采集地、73项试验数据进行假设检验(检验的显著水平α=0.05)后认为新木材小试件强度的概率分布可以采用服从正态分布的假设^[13]。对于旧木材小试件强度的概率分布，目前缺乏统计参数，谢启芳^[14]建议：旧木材小试件强度同样假设服从正态分布。对得到的小试件强度进行统计分析，得到小试件强度的频率分布直方图(图6)。虽统计数据有限，但所得的直方图仍具有单峰、近似对称的形式，故可以采用服从正态分布的假设。

材料强度按照概率分布的0.05的分位值确定^[15]，即小试件强度标准值由下式确定：

      (2)

式中：μ_f为材料强度均值；σ_f为材料强度标准差；δ_f为材料强度变异系数。

将表3中的小试件材料强度平均值及标准差代入式(2)，得到考虑腐朽虫蛀影响的小试件强度标准值，如表4所示。

图4  木材强度与阻力关系曲线

Fig.4  Relationship between timber strength and resistance

表3  木材所有测点的小试件强度

Table 3  Strength of all measuring point in small timber specimens

图5  试件BA1各测点所代表区间的强度

Fig.5  Strength of interval that represented by each measuring point in BA1

图6  黄杉小试件强度的概率分布直方图

Fig.6  Distribution histogram of strength of small specimens

表4  各试件考虑腐朽虫蛀影响的小试件强度标准值

Table 4  Strength standard value of small timber specimens considering decay and bitten damages

4  考虑腐朽虫蛀影响的构件剩余  强度

构件强度与小试件强度有很大的不同：小试件基本无缺陷、尺寸小、试验时荷载为瞬时作用，而构件有缺陷(主要是木节和裂缝，且缺陷大小和位置都是随机的)、尺寸大并承受长期荷载等，因此，《木结构设计手册》^[13]规定构件强度f_Q按下式计算：

f_Q=K_Q f                 (3)

K_Q=K_Q1K_Q2K_Q3K_Q4              (4)

式中：K_Q为由小试件强度转化为构件强度的折减系数；f为考虑腐朽虫蛀影响的小试件强度；K_Q1为天然缺陷影响系数；K_Q2为干燥缺陷影响系数；K_Q3为长期受荷折减系数；K_Q4为尺寸影响系数。

影响系数K_Q1~K_Q4的统计值汇总如表5所示^[13-14]。

将表5中各影响系数代入式(4)，得K_Q；将表4中的小试件强度标准值和K_Q代入式(3)，得到各构件考虑腐朽虫蛀影响的构件剩余强度如表6所示。

表5  各影响系数的统计值

Table 5  Statistical value of influence coefficient

表6  考虑腐朽虫蛀影响的构件剩余强度

Table 6  Residual strength of wood members when consider decay and bitten damages

5  结论

(1) 随试件腐朽及虫蛀程度的增加，射钉深度增加、阻抗减小，检测结果与目测分级结果大体一致。但是，对于同一目测等级的试件，2种仪器的检测结果的变异系数都比较大，说明部分测点的目测分级并不可靠。

(2) 建立了黄杉、杉木的射钉深度y关于阻力x的线性回归模型，并对回归方程进行显著性检验。二者均为显著负相关。

(3) 拟合了小试件强度和阻力之间的关系曲线，并对各回归方程进行显著性检验，均呈显著相关。

(4) 将构件各测点的阻力代入关系曲线，得到考虑腐朽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，最终得到考虑腐朽虫蛀影响的构件剩余抗拉强度和抗压强度分别为15.31~25.89 MPa和8.46~13.73 MPa。

(5) 超役木构件的保护、加固措施的确定，不能仅仅考虑其剩余强度，还必须考虑到其使用环境与剩余强度的衰退程度，以保证其具有必要的耐久性。

参考文献：

[1] GB 50005—2003,《木结构设计规范》[S].
GB 50005—2003, Code for design of timber structure[S].

[2] 何敏娟. 木结构设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008: 14-15.
HE Min-juan. Timber engineering[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2008: 14-15.

[3] Narkis Y. Identifieation of crack location in vibration simply supported beams[J]. Journal of Sound and Vibration, 1994, 172(4): 549-558.

[4] Rinn F. Catalog of relative density profiles of trees poles and timber derived from resistograph micro-drillings[C]// Proceedings of the 9th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood. Madison, 1993: 61-67.

[5] Rinn F, Schweingruber F H, schr E. Resistograph and X-ray density charts of wood: Comparative evaluation of drill resistance profiles and X-ray density charts of different wood species[J]. Holzforschung (Internal Journal of Biology, Chemistry, Physics and Technology of Wood), 1996, 50(4): 303-311.

[6] Raczkowski J, Lutomski K, Moliński W, et al. Detection of early stages of wood decay by acoustic emission technique[J]. Wood Science and Technology, 1999, 33: 353-35.

[7] 段新芳, 黄荣凤. 古建筑木结构无损检测和保护技术研究进展[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008: 189-195.
DUAN Xin-fang, HUANG Rong-feng. Research on non-destructive testing and protection technology of ancient timber buildings[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 2008: 189-195.

[8] 成俊卿. 木材学[M]. 北京: 中国林业出版社, 1985: 2.
CHENG Jun-qing. Wood science[M]. Beijing: China Forestry Press, 1985: 2.

[9] GB/T 16734—1997, 中国主要木材名称[S].
GB/T 16734—1997, The Name of China’s major timber[S].

[10] GB/T 13942.2—2009, 天然耐久性野外试验方法[S].
GB/T 13942.2—2009, Method for field test of natural durability[S].

[11] GB/T 1935—2009, 木材顺纹抗压强度试验方法[S].
GB/T 1935—2009, Method testing in Compressive strength parallel to grain of wood[S].

[12] GB/T 1938—2009, 木材顺纹抗拉强度试验方法[S].
GB/T 1938—2009, Method testing in tensile strength parallel to grain of wood[S].

[13] 木结构设计手册编辑委员会. 木结构设计手册[M]. 3版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005: 38-41.
Manual for design of wood structures. Editorial board of design manual of wood structures[M]. 3rd ed. Beijing: China Architecture and Building Press, 2005: 38-41.

[14] 谢启芳. 中国木结构古建筑加固的试验研究及理论分析[D]. 西安: 西安建筑科技大学土木工程学院, 2007: 30-36.
XIE Qi-fang. Experimental study and theoretical analysis on strengthening for Chinese ancient timber buildings[D]. Xi’an: Xi’an University of Architecture and Technology. School of Civil Engineering, 2007: 30-36.

[15] GB 50153—2008, 工程结构可靠性设计统一标准[S].
GB 50153—2008, Unified design standard for reliability of engineering structures[S].

(编辑 赵俊)

收稿日期：2010-12-29；修回日期：2011-04-02

基金项目：上海市工程结构新技术重点实验室开放课题(2009-KF02)； 国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAJ03A10-02)

通信作者：张晋(1974-)，男，安徽巢湖人，博士，副教授，从事预应力结构体系、木结构体系研究；电话：025-83790931；E-mail：zhangjin0622@139.com