基于无损检测技术的某木结构门楼检测鉴定

沈寅忠 姜海峰 刘杏杏 陈 志

(1.湖州南浔旅游投资发展集团有限公司，浙江 湖州 313000; 2.南京工大建设工程技术有限公司，江苏 南京 211800)

0 引言

近年来国内开始积极采用无损检测仪器用于既有木结构建筑的调查研究与修复上，对木构件损坏程度评估已经获得各方面的认可，并通过量化的数据证明了其可行性，主要有皮罗钉法、应力波法、超声波法、微钻阻力法和X射线法等，对于木材力学性能检测，微钻阻力法具有检测范围宽、准确度高、操作简单、易于携带等优点[1]。同时已有研究成果表明，针对木材内部缺陷检测方法的研究已有进展，结合图像识别技术可确定木材内部缺陷位置和大小[2]。张艳霞等[3]采用应力波微秒计和阻抗仪可以有效地测定古建筑木构件的腐朽和虫蛀等残损情况，实现了从传统的目测鉴别到定量评价，为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。尽管木结构无损检测的研究已经开展，然而将无损检测方法应用于实际工程的检测鉴定的案例还较少，本文通过对某门楼采用微钻阻力法和应力波相结合无损检测方法对构件缺陷进行定量评价，并结合结构承载能力计算，完成结构检测鉴定工作。

1 工程概况

该门楼建筑结构为单跨三开间的木结构抬梁式构架，屋面为琉璃瓦歇山屋面，见图1。建筑长30.4 m、宽6.6 m，总高度为15.15 m，占地面积约200.64 m2，见图2。门楼木柱纵向间距12.80 m，4.80 m，横向间距为6.60 m，柱脚搁置于石墩，石墩高出地面约 300 mm，木柱截面尺寸为直径700 mm，530 mm。木梁最大跨度为12.80 m，木梁最大截面尺寸为900 mm×1 200 mm。该门楼的纵梁上设置童柱，木柱与童柱之间采用横枋相连，五架梁、三架梁与木柱采用榫卯连接。

2 结构勘察与检测

2.1 木材材性检测

现场勘察中发现该门楼的木构件存在两种不同树种，由于树种不详，本文将两种树种定义为木材A、木材B，通过现场取样并进行实验室检测后，根据规范[4]附录A木材强度等级检验方法对木材强度等级进行评定，其中木材A抗弯强度未到达最低评定强度等级要求，木材B强度等级为TC15。木材材性检测结果见表1，木材抗弯强度检测试验方法见图3。

表1 木材材性检测结果

2.2 木柱检测

采用应力波法检测木构件内部缺陷时，在距柱底1 000 mm范围内，每隔200 mm的截面处布置12个传感器，传感器的布置沿柱直径均匀分布(见图4)，通过敲击传感器获得应力波在木构件截面内的波速变化，如图5，图6所示。通过成像图的波速变化分布，可以明显看出木构件内部应力波速削弱严重，这表明木构件内部材质出现疏松，即存在腐朽现象，为进一步确定木构件腐朽等级，采用阻力仪(如图7所示)对存在缺陷的木构件进行单路径上缺陷长度的修正，获得更为准确的缺陷面积。其修正公式参考标准[5]附录中公式。

(1)

经计算分析和识别，中柱A×1轴、柱A×3轴、柱A×4轴、柱B×2轴、柱B×3轴构件内部存在内部腐朽缺陷，腐朽面积为原截面面积的1/4～1/3，根据规范[6]评定上述木柱腐朽等级均为4级。结合木构件含水率的检测结果，可以推断木构件因含水率过高长期处于潮湿状态而导致内部腐朽。现场测试用微钻阻力仪的型号为Resistograph@4453-S，应力波检测仪型号为ARBOTOM。

2.3 木梁检测

现场检测发现1～2×B轴木梁存在贯穿裂缝，梁中部存在断裂裂缝，裂缝宽度10 mm；A～B×1轴木梁存在顺纹裂缝和斜裂缝；A～B×1～2轴区域内檩条存在顺纹裂缝；A～B×4轴木梁存在顺纹裂缝。典型损伤见图8,图9。

表2 木构件挠度观测数据表

3 结构分析

3.1 材料及荷载基本信息

根据现场检测结果以及规范[8，9]规定，对该门楼工作状态正常的主体承重构架进行承载能力分析。屋面恒荷载标准值取1.41 kN/m2，屋面活荷载标准值取0.5 kN/m2，基本风压取0.35 kN/m2，B类粗糙度。

根据木材强度检测结果，木材A的抗弯强度特征值未达到最低强度等级要求，根据《木结构设计手册》[10]第三版木材抗弯强度设计值f的确定方法得出设计值为4.11 MPa，木材B为TC15强度等级。由于项目存在两种不同树种，且无法对每根构件对应的树种进行辨别，同时考虑实际检测中已发生木梁断裂的情况，因此以最低强度设计值4.11 MPa作为项目材料强度设计值，并且计算中考虑构件腐朽对材料强度的折减。

3.2 建立模型计算

采用MIDAS软件对门楼结构构件承载能力进行验算。模型中构件尺寸按实际截面尺寸采用，梁柱节点采用半刚接模拟，木檩条、木椽条的连接设置为铰接。模型和模型计算结果见图10，图11。通过计算分析可得，承重木柱承载力基本满足规范要求，局部木梁及中间部位檩条承载能力抗力与作用效应比值R/(γ0S)<0.9。

4 结构安全性鉴定

4.1 地基基础子单元

经现场检查，门楼室内地坪无明显沉降裂缝，所测量门楼整体倾斜均小于规范[12]表5.3.4中规定的允许值；上部竖向构件未有明显变形，柱与石墩之间未见有明显错位现象，该门楼现阶段地基基础子单元的安全性等级间接评定为Bu级。

4.2 上部承重结构子单元

根据现场勘查及检测数据，对上部承重结构构件的安全性等级进行评定，木结构构件的安全等级结果如表3所示。

表3 木结构构件的安全等级评定

根据代表层安全性等级评定结果，该门楼上部承重结构子单元结构承载功能的安全性等级评定为Du级，根据结构整体牢固性及结构侧向位移评定结果，该门楼的安全性等级评定为Du级。

5 结语

本项目采用无损检测方法对门楼的构件内部腐朽进行探测和分级，通过取样后在实验室检测对木材的材料强度进行了测试，并根据测试的木材强度设计值对门楼结构构件承载能力进行了验算。最后通过现场勘查、实验室检测、承载能力验算的数据和结果，综合判定门楼的安全性等级评定为Du级。

其中木柱的内部腐朽和木梁因强度低造成的断裂裂缝是造成结构安全隐患的重要因素，因此在该门楼或者同类建筑后续使用中，应加强对木构件的含水率控制和日常维护保养工作。同时木材本身的性能也至关重要，特别是大截面构件进场前必须进行干燥并应检测含水率。