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1)

2011-06-13张厚江孙燕良闫海成王喜平

东北林业大学学报 2011年10期

朱磊张厚江孙燕良闫海成王喜平

(北京林业大学，北京，100083) (美国农业部林产品实验室，美国麦迪逊市，WI 53726－2398)

中国是一个历史悠久的文明古国，存有大量的木结构古建筑。这些木结构古建筑是我国重要的文物和珍贵的历史文化遗产。在日常维护工作中，木构件材质状况勘察以及木构件安全性能分析是必不可少的重要环节。目前我国多采用定性的目视鉴别与简单敲击的方法，这种操作方式虽简便易行，但勘查结果的准确性很大程度取决于人工经验，缺乏定量数据。

随着木材无损检测技术的研究和发展，包括应力波检测、超声波检测、微钻阻力检测等无损检测技术已逐渐应用于古建筑木构件的检测和评估。国内外在检测木构件内部缺陷方面取得很多成绩［1－4］，这些无损检测方法克服了传统检测方法的弊端，能用具体数据直观说明评价古建筑木构件的材质状况，尤其是内部缺陷状况。对古建筑木构件材料力学性能检测方面，段新芳等人［5］对应力波技术检测古建筑木构件残余弹性模量进行了初步研究，黄荣凤等人［6］对微钻阻力技术检测古建筑木材腐朽后的力学性能进行了试验研究。

到目前为止，对比应力波技术和微钻阻力技术检测古建筑木构件材料力学性能的检测效果，还没有见到报道。笔者以落叶松古建筑木构件材料为试验对象，定量试验对比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，探索较单个技术检测精度更高的检测方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用木材是从北京圆明园正觉寺鼓楼上拆下来的旧木材。北京圆明园正觉寺建成于乾隆三十八年(1773年)。4根木料分别编号为A、B、C、D。其中A、B为两根立柱，C、D为两根方材。A的尺寸为240 mm(直径)×1 800 mm(长度)，B的尺寸为240 mm(直径)×3 200 mm(长度)，C、D的尺寸为120 mm×200 mm×450 mm。经材种鉴定，4根木料均为落叶松。

1.2 试件

应力波试验和弯曲试验试件:根据国标GB/T 1936.1—2009［7］、GB/T 1936.2—2009［8］，将材料加工成尺寸为 20 mm×20 mm×300 mm的无疵试件。

压缩试验试件:根据国标 GB/T 1935—2009［9］，在前面弯曲试验后的每个20 mm×20 mm×300 mm试件上截取一段20 mm×20 mm×30 mm的压缩试件。试件如表1。

表1 试验所用试件汇总

1.3 试验方法

应力波速度检测:应力波在试件中传播速度使用匈牙利生产的FAKOPP应力波测量仪(Microsecond Timer)检测。测定时，先将应力波测量仪的两个探针插入试件两端，探针与试件长度方向夹角为45°。第一次敲击的传播时间读数无效，从第二次开始，连续测定3次所得传播时间读数的平均值作为该试件的测定结果。然后根据试件长度和应力波传播时间计算该试件的应力波传播速度。

微钻阻力检测:检测仪器采用德国Rinntech公司开发的Resistograph 4452－P型微钻阻力仪。该仪器自身定义了阻力单位:微钻阻力值，是代表微钻过程中轴向阻力和扭矩阻力的综合阻力值大小，与常见的力单位(N)或扭矩单位(Nm)没有一一对应关系。仪器利用微型钻针在电动机驱动下，以恒定速率钻入木材内部产生的相对阻力，阻力的大小反映出密度的变化，通过微机系统采集钻针在木材中产生的阻力参数并计算后，显示出阻力曲线(Resistograph profiles)图像。在20 mm试件厚度上，微钻阻力是有一定变化的，取其平均值作为该试件的微钻阻力值。

1.4 试验步骤

①将古建落叶松材加工成20 mm×20 mm×300 mm的无疵试件，材料A、B、C、D各加工30件，共120件。

②标记每个试件，例如A1、B6、C11、D22。标记确定了试件的宽度、厚度、静态弯曲试验时试件的正反向。

③FAKOPP应力波检测仪测量应力波时间T，计算出速度v。

④在试件两头做微钻阻力检测实验:用EXCEL导出微钻曲线得试件两头微钻阻力值F1、F2。计算出试件整体微钻阻力值F=(F1+F2)/2。

⑤测量试件宽度和厚度，在万能试验机上做静态弯曲试验:得到抗弯弹性模量E、抗弯强度σb。

⑥每个试件各切割出一个20 mm×20 mm×30 mm的压缩试件，测量宽度和厚度，在万能试验机上做压缩试验，得到抗压强度σc。

⑦用Excel处理、分析数据:数据包括参数A(应力波速度v、微钻阻力值F)、参数B(抗弯弹性模量E、抗弯强度σb、抗弯强度σb)。将参数A与参数B作线性拟合，得到线性关系。具体包括:v－E关系、v－σb关系、v－σc关系;F－E关系、F－σb关系、F－σc关系。此外还分析了Fv2－E关系，Fv2－σb关系，Fv2－σc关系。

2 结果与分析

2.1 应力波速度与力学性能间的关系

由图1可知应力波速度v与抗弯弹性模量之间的关系为:E=2.089 4v+1.183 6，相关系数r=0.64。由图2 可知应力波速度v与抗弯强度之间的关系为:σb=8.560 7v+40.087，相关系数r=0.38。由图3可知应力波速度v与抗压强度之间的关系为:σc=5.834 3v+33.776，相关系数r=0.43。总体上，应力波速度v与各力学性能之间相关关系一般。理论上，木构件力学性能可通过应力波检测方法测得，但准确度不是很理想。

2.2 微钻阻力值与力学性能间的关系

由图4可知微钻阻力值F与抗弯弹性模量之间的关系为:E=0.042F+8.792 2，相关系数r=0.38。由图 5 可知微钻阻力值F与抗弯强度之间的关系为:σb=0.304 8F+65.432，相关系数r=0.36。由图6可知微钻阻力值F与抗压强度之间的关系为:σc=0.255F+48.975，相关系数r=0.49。总体上，微钻阻力值F与各力学性能之间相关关系一般。理论上，木构件力学性能可通过微钻阻力仪检测方法测得，但准确度不是很理想。

图1 应力波速度v与抗弯弹性模量之间的关系

图2 应力波速度v与抗弯强度之间的关系

图3 应力波速度v与抗压强度之间的关系

图4 微钻阻力值F与抗弯弹性模量之间的关系

图5 微钻阻力值F与抗弯强度之间的关系

图6 微钻阻力值F与抗压强度之间的关系

2.3 波阻模量与材料力学性能间的关系

根据弹性模量经验公式:E=ρv2，其中ρ为密度，v为应力波速度，本研究尝试用微钻阻力值(F)和应力波速度(v)平方值的乘积Fv2来推算古建筑木构件力学性能，现将Fv2定义成应力波—微钻阻力模量，以下统称为波阻模量，记作ESR。图7、图8、图9所示是波阻模量ESR与各力学性能之间的推算关系。

图7 波阻模量ESR与抗弯弹性模量之间的关系

图8 波阻模量ESR与抗弯强度之间的关系

图9 波阻模量ESR与抗压强度之间的关系

由图7可知波阻模ESR与抗弯弹性模量之间的关系为:E=0.003 8Fv2+7.179 1，相关系数r=0.71。由图 8 可知波阻模量ESR与抗弯强度之间的关系为:σb=0.020 2Fv2+60.569，相关系数r=0.55。由图9可知波阻模量ESR与抗压强度之间的关系为:σc=0.015 5Fv2+46.156，相关系数r=0.69。总体上，波阻模量ESR与各力学性能之间相关关系比较好。木构件力学性能可通过应力波检测加微钻阻力仪检测方法测得，且准确度较理想。

从表2方差分析结果可以看出，参数A(应力波速度v、微钻阻力值F及波阻模量ESR)与参数B(抗弯弹性模量E、抗弯强度σb、抗弯强度σb)均存在极其显著的线性相关关系，也就是说应力波速度v、微钻阻力值F、波阻模量ESR，每一个单一参数即可同时反映木构件材料各力学性能的变化，即3种方法都可作为古建筑木构件材料非破损检测方法。又由表2可知应力波速度v、微钻阻力值F与抗弯弹性模量的相关系数分别是0.64、0.38，而波阻模量ESR与抗弯弹性模量的相关系数为0.71;应力波速度v、微钻阻力值F与抗弯强度的相关系数分别是0.38、0.36，而波阻模量ESR与抗弯强度的相关系数为0.55;应力波速度v、微钻阻力值F与抗压强度的相关系数分别是0.43、0.49，而波阻模量ESR与抗弯弹性模量的相关系数为0.69。不难看出结合了应力波速度v和微钻阻力值F的波阻模量ESR与各力学性能之间相关关系更好，它比单一参数推算古建筑木构件力学性能有着更高的准确度。所以应力波检测结合微钻阻力仪检测方法可以作为一种同样便捷、适用、准备度更高的木构件材料力学性能检测方法。