古建木构件承载能力的确定

2018-05-08王卫滨周海宾

文物季刊 2018年2期

□ 王卫滨周海宾代伟

（王卫滨、代伟，山西省古建筑维修质量监督站；周海宾，中国林业科学研究院木材工业研究所）

中国古建筑是中华文化的典型代表、重要组成和主要载体，亦是世界宝贵的文化遗产[1][2]。古建筑中数量最多且最具特色的是古木结构，特别是山西古建筑木结构，如佛光寺东大殿（公元857年）和应县佛宫寺释迦塔（公元1056年），都是世界闻名的建筑瑰宝。然而，由于木材本身的特殊性，使其更易受到外部环境因素的作用。在历经几百年甚至上千年的服役期中，由于木材自身缺陷、干燥作用、荷载作用、生物侵害、动物侵害，以及自然老化等单重或多重病害因素影响，直接会改变木构件的承载行为。因此，科学准确地获取木构件当前的承载能力，对于保持古建木构件的结构完整性至关重要。

关于古建木构件所用木材的材性研究[3]～[6]很多，基本上是利用替换获得古建木构件进行无疵小试样力学性质测试，并与当代新木材的力学性质相比较，分析木材随时间的力学变化规律。尽管这种破坏性试验结果较为准确，但无法适用于在役木构件的现场检测。阻抗仪、应力波等现代无损技术被逐步运用于对古建木构件病害的勘测调查中[7][8]。通过这些检测手段，可以初步判断木构件内部的材质状态和可能存在的腐朽。但是，这些检测结果没有得到很好的后续分析和实践应用，以至于预测的材质状态无法转化为木构件承载能力的判断依据。本论文旨在建立木构件常见病害特征参数与木构件承载能力之间的相互关系，从而使古建木构件现场材质勘查更具有实际意义和作用。

一、影响木构件承载能力的病害

表1 影响木构件承载能力的病害类型

表1给出了影响木构件承载能力的病害类型。

木节是包被在树干中枝条的基部，有活节、半活节和死节之分。活节和死节的存在都会不同程度地降低木材的强度。木节对轴心受压构件承载力的影响，取决于节子的质地及木材因节子而形成的局部斜纹理；当斜纹理大于1/15时，应考虑木节对轴心受压承载力的影响[9]。木节对受弯构件承载力的影响，除木节的分布变异以外，还与木节的尺寸有关。

斜纹理是木材纤维的排列方向与树轴或材面成一角度。在原木中斜纹理呈螺旋状，其扭转角度自边材向髓心逐渐减小。斜纹理对木构件承载能力的影响程度，决定于斜纹理与施力方向之间夹角的大小以及构件类型。一般来说，斜纹理对受弯构件承载能力的影响大于轴心受压构件。

裂纹是木材纤维发生分离，根据裂纹的部位和方向分轮裂和径裂。轮裂在有些树木生长过程中会发生，或者木构件在长期使用过程中受内、外力相互作用木材纤维组织发生横向分离而造成。径裂多是在木材水分散失过程中而产生的，而且此种裂纹也可能会在使用过程中，在力的作用下继续延伸。径裂在原木表面表现为顺纹理裂缝；在方木表面表现为表裂、贯通裂、两面裂和三面裂；发生在木构件端部的裂纹为劈裂。裂纹对木构件承载能力的影响大小，视裂纹的尺寸、方向和部位而不同。

木构件在服役过程中可能会遭受木腐菌等危害，发生腐朽；可能会遭受蛀木甲虫、白蚁以及海生钻木动物等危害，发生表面孔洞，更严重时出现内部空洞。这些病害会破坏木材中的骨架结构，进而降低木材强度。腐朽、孔洞对木构件承载能力的影响，与病害面积大小和变质程度有密切关系。

表层老化是古建木构件中较为常见，是木构件长期受到日照、紫外线以及水分等外界条件的相互作用下，表层的主要化学成分发生物理性降解。表层老化会导致木构件有效截面积减少，进而降低了木构件的承载力。

二、各种病害的特征尺寸

病害的特征尺寸是表征病害在木构件的区域形状和范围的关键性指标，如表2所示。通过确定病害的特征尺寸，可以计算针对各种荷载类型的病害区域面积，最终确定反映承载能力的有效承载面积。

木节的特征尺寸是在其横截面的节子直径（d）和其在横截面上的投影面积（Akno）t；方木构件的木节特征尺寸是斜纹理的特征尺寸是在木构件长度方向上每1m长木材纹理的倾斜高度（h），以及倾斜高度所对应的斜度（θ）。裂纹的存在主要对受弯构件两端抗剪承载和偏心受压构件承载有影响，特征尺寸主要是裂纹深度（w）和长度（l）。腐朽的特征尺寸是所在横截面的腐朽面积（Adecay）。孔洞的特征尺寸是所在横截面的孔洞面积（B）。表层老化的特征尺寸，对于原木应是同一横截面上沿周长方向上老化层的最大厚度（t），对于方木应是同一横截面上四个方向老化层的最大厚度（t）。

表2 各种病害的特征尺寸

三、各特征尺寸的微损或无损检测方法

无损检测是以不损害被检验对象的使用性能为前提，应用多种物理原理和化学现象，对材料进行有效的检测，借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及某些物理性能。目前，木材性质检测的无损检测技术有很多种。但是对于古建筑木构件，能有效获取病害特征尺寸的无损检测技术主要有目测法、阻抗仪法[10][11]、应力波法[12]、皮罗钉法[13]等。

1.阻抗仪

阻力仪法是德国Rinntech公司基于探针行进速度与木材性质关系而开发的一种木材内部材质检测仪器，是目前欧洲、美国、日本和我国台湾木结构材质状况勘查的常用设备之一。该仪器是在检测时记录探针刺入过程中所受到的阻力，其大小随各树种密度的不同而变化。根据检测得到的阻力曲线，判断木构件中的病害状况，进而评价木构件力学性质衰减程度。

木材阻抗仪主要包括探针及其保护装置、微机系统和蓄电池。木材阻抗仪检测的原理是在电动机的驱动下，将一根直径1.5mm的探针，以均匀速度刺入木材内部，通过微机系统把探针刺入过程中受到的阻力数据记入存储卡，同时打印输出检测图谱。图谱的横坐标与探针刺入的深度等距离，且在图谱中木材内部的密度分布、早晚材密度的变化及木材内部因腐朽引起的密度变化均可以直观地表现。

2.应力波法

应力波在木构件内部传递过程中遇到缺陷等病害，会导致传播速度发生变化。因此，利用应力波法可以确定木构件的残余或剩余弹性模量，亦可以估计木构件的内部缺陷是否存在及区域大小。

在木构件的一端，与长度方向呈一定角度敲击激发器产生应力波，在另一端的接收器拾取振动信号获得应力波的传播时间，将木材密度ρ（kg/m3）和传播速度 V（m/s）代入式（1）计算构件长度方向测试区域间的动态弹性模量Esw（Pa）。

在木构件横截面一周内等距布设一定数量的传感器，按顺序依次敲击每个传感器，再利用相关软件对应力波传播时间、速度进行处理，即可形成传感器间的应力波传播线形图和由速度矩阵重构的断面二维图像，依据应力波传播速度值和断面二维图像对木构件内部结构进行估计。

3.皮罗钉法

皮罗钉检测法最早出现在瑞典，是专门用于进行电杆安全检测的一种无损检测仪器，目前已广泛用于古建筑木结构和古木保护的检测中。根据皮罗钉的打入深度值能判断木材的腐朽状况。

该方法是以固定大小的力，将一个钢钉射入木材，以钉子射入的深度表示检测的结果。贯穿深度范围在0～40mm之间，因此，这种检测方法主要用于检查木材的外部腐朽状况。木材密度与皮罗钉检测结果呈负相关，木材密度大，则射入深度浅;反之，射入深度深。通过测定木构件表面硬度，以确定木材在一定深度范围内是否有缺陷或木材是否发生腐朽以及腐朽程度。

四、木构件当前最大承载力的确定

1.木材强度设计指标的确定

纵观古建木构件弹性模量的测定方法，研究表明应力波法相关性较好[14]。通过应力波法确定木构件的动态弹性模量，并代入表3确定其它强度指标。将这些强度指标除以对应的抗力分项系数，即可获得木材强度设计指标。

如果计算获得的设计指标高于国家标准《木结构设计规范》中该树种对应的强度设计指标时，取《木结构设计规范》所规定的同种树种的强度设计指标；如果计算获得的设计指标低于国家标准规定指标，取计算获得的强度设计指标。

表3 木材强度间相互关系

2.木节对木构件承载力的影响分析

对于受弯构件，应勘查木构件受拉区域的木节，对于受压构件，应勘查整个长度范围的木结构。测量直径大于构件横截面周长1/10的木节，计算其在横截面的投影面积。节子在木构件横截面上的投影顶点一般可认为在髓心位置，因此应先确定木构件髓心的位置。对于原木构件，木节的投影区域可近似为扇形，在其所在横截面沿周长方向上测试节子直径，计算其投影面积，并记录其在木构件的位置。倘若在同一横截面上若干节子，应将所有节子在横截面上的投影面积累加。对于方木构件，木节的投影区域可近似为三角形或四边形。四边形可分解为两个三角形确定其在横截面的投影面积。

针对受弯构件承载状态，分析木构件的应力分布，并结合不同位置横截面木节投影面积对其影响程度，确定对承载力降低最大的木节位置和大小，进而计算木构件的净截面抵抗矩。按照木构件强度设计值与净截面抵抗矩的乘积，确定受弯构件木梁的最大弯矩。对于受压构件，对比不同位置横截面木节投影面积，确定最大木节投影面积，进而计算最小净截面积。按照木构件强度设计值与最小净截面积的乘积，确定受压构件木柱的最大承载力。

3.斜纹理对木构件承载力的影响分析

测量在木构件长度方向上每1m长木材纹理的倾斜高度h，重点记录倾斜高度超过80mm的斜纹理。对于受弯构件，主要分析跨中或应力最大区域和构件端部剪力区域，确定斜纹理形成的剪切面积，再与木材顺纹抗剪强度设计值相乘，计算木构件的抗剪力，并通过斜度确定该区域的最大抗弯承载力。对于受压构件，确定斜纹理形成的剪切面积，再与木材顺纹抗剪强度设计值相乘，计算木构件的抗剪力，并通过纹理斜度确定该区域的最大抗压承载力。

4.裂纹对木构件承载力的影响分析

对于受弯构件，主要测量木构件端部中性轴位置附近的最深裂纹或最长裂纹，确定在中性面上的最大裂纹投影面积，以该裂纹的长度作为剪切区域的长度，木构件宽度减去该裂纹深度作为剪切区域的宽度，确定净剪切面积。通过净剪切面积和木材顺纹抗剪强度设计值，推算最大抗剪承载力，并最终确定木构件的抗弯承载力。

对于轴心受压构件，一般可不考虑裂纹的影响，除非出现贯通裂纹或者较大斜度的斜纹理。如果没有斜纹理，裂纹主要对偏心受压构件承载力有影响。具体影响程度，受裂纹面与偏心承载面的相互关系决定。比如两个面平行时，裂纹面的水平延展未裂区域可能会受到顺纹剪切和横纹拉伸的作用力。具体计算过程视实际情况而定。

5.腐朽或孔洞对木构件承载力的影响分析

通过肉眼和敲击法对木构件存在腐朽或孔洞的位置进行初判。有疑似的位置，再采用应力波在木构件长度方向上进行断层扫描，逐层距离为5mm，获取每层的断面二维图像。按照应力波2D图像显示，采用阻抗仪法沿穿过腐朽或孔洞中心区域的路径水平钻入探针，获得钻入位置—阻抗关系图。对于同一木构件上若有数处腐朽或孔洞，应按上述步骤进行逐一确定。如果腐朽位置平均阻抗值低于健全位置平均阻抗值的1/3，则将该外腐朽或孔洞位置列入力学分析行列。

列入分析行列的腐朽或孔洞，还需要确定其确切的边界，以便计算净截面积。腐朽或孔洞边界的确定还需要使用阻抗仪。结合应力波2D图形所显示的腐朽或孔洞的区域，将阻抗仪水平钻入方向与先前的钻入方向垂直，两次钻入的交点尽可能在腐朽或孔洞区域的中心位置。以阻抗值低于健全位置平均阻抗值的1/3作为腐朽区域的临界划定腐朽区域。如果不是规则的形状，可以通过平行于上述两次钻入方向，向左或右偏移30～50mm，这一步骤可反复数次，且阻抗仪的钻入次数以尽可能佐证其区域形状为准。腐朽或孔洞面积确定后，即可进行木构件的力学分析。

将每处列入力学分析的腐朽或孔洞区域尺寸等参数输入，对木构件承载进行有限元分析，根据木构件承载类型和受力状态，确定最严重的腐朽或孔洞及区域面积，进而以此作为确定木构件最大承载力分析的基础。

6.表面老化对木构件承载力的影响分析

采用肉眼和敲击的方法先初判木构件表面最严重的老化部位，再使用皮螺钉法在木构件表面进行多次测试，取最大值作为老化层厚度t。通过老化层厚度t再确定净截面积，进而按照木构件的承载类型和受力状态确定木构件最大承载力。

7.木构件结构安全鉴定

综合分析各种病害对木构件承载力的影响程度，确定最大降低木构件承载能力的病害和最小剩余承载力。根据木构件的承载类型和所处结构空间的荷载大小，确定其结构是否失效。若木构件现有承载力难以抵抗其所受荷载，应及时更换；若木构件现有承载力大于所受荷载，应对木构件病害进行定期监测，判断其发展机制，通过木构件病害对木构件承载力的影响规律确定木构件可能的使用寿命。