古建木構件承載能力的確定

2018-05-08 07:34:47王衛濱周海賓

文物季刊 2018年2期

□ 王衛濱周海賓代偉

（王衛濱、代偉，山西省古建筑維修質量監督站；周海賓，中國林業科學研究院木材工業研究所）

中國古建筑是中華文化的典型代表、重要組成和主要載體，亦是世界寶貴的文化遺產[1][2]。古建筑中數量最多且最具特色的是古木結構，特別是山西古建筑木結構，如佛光寺東大殿（公元857年）和應縣佛宮寺釋迦塔（公元1056年），都是世界聞名的建筑瑰寶。然而，由于木材本身的特殊性，使其更易受到外部環境因素的作用。在歷經幾百年甚至上千年的服役期中，由于木材自身缺陷、干燥作用、荷載作用、生物侵害、動物侵害，以及自然老化等單重或多重病害因素影響，直接會改變木構件的承載行為。因此，科學準確地獲取木構件當前的承載能力，對于保持古建木構件的結構完整性至關重要。

關于古建木構件所用木材的材性研究[3]～[6]很多，基本上是利用替換獲得古建木構件進行無疵小試樣力學性質測試，并與當代新木材的力學性質相比較，分析木材隨時間的力學變化規律。盡管這種破壞性試驗結果較為準確，但無法適用于在役木構件的現場檢測。阻抗儀、應力波等現代無損技術被逐步運用于對古建木構件病害的勘測調查中[7][8]。通過這些檢測手段，可以初步判斷木構件內部的材質狀態和可能存在的腐朽。但是，這些檢測結果沒有得到很好的后續分析和實踐應用，以至于預測的材質狀態無法轉化為木構件承載能力的判斷依據。本論文旨在建立木構件常見病害特征參數與木構件承載能力之間的相互關系，從而使古建木構件現場材質勘查更具有實際意義和作用。

一、影響木構件承載能力的病害

表1 影響木構件承載能力的病害類型

表1給出了影響木構件承載能力的病害類型。

木節是包被在樹干中枝條的基部，有活節、半活節和死節之分。活節和死節的存在都會不同程度地降低木材的強度。木節對軸心受壓構件承載力的影響，取決于節子的質地及木材因節子而形成的局部斜紋理；當斜紋理大于1/15時，應考慮木節對軸心受壓承載力的影響[9]。木節對受彎構件承載力的影響，除木節的分布變異以外，還與木節的尺寸有關。

斜紋理是木材纖維的排列方向與樹軸或材面成一角度。在原木中斜紋理呈螺旋狀，其扭轉角度自邊材向髓心逐漸減小。斜紋理對木構件承載能力的影響程度，決定于斜紋理與施力方向之間夾角的大小以及構件類型。一般來說，斜紋理對受彎構件承載能力的影響大于軸心受壓構件。

裂紋是木材纖維發生分離，根據裂紋的部位和方向分輪裂和徑裂。輪裂在有些樹木生長過程中會發生，或者木構件在長期使用過程中受內、外力相互作用木材纖維組織發生橫向分離而造成。徑裂多是在木材水分散失過程中而產生的，而且此種裂紋也可能會在使用過程中，在力的作用下繼續延伸。徑裂在原木表面表現為順紋理裂縫；在方木表面表現為表裂、貫通裂、兩面裂和三面裂；發生在木構件端部的裂紋為劈裂。裂紋對木構件承載能力的影響大小，視裂紋的尺寸、方向和部位而不同。

木構件在服役過程中可能會遭受木腐菌等危害，發生腐朽；可能會遭受蛀木甲蟲、白蟻以及海生鉆木動物等危害，發生表面孔洞，更嚴重時出現內部空洞。這些病害會破壞木材中的骨架結構，進而降低木材強度。腐朽、孔洞對木構件承載能力的影響，與病害面積大小和變質程度有密切關系。

表層老化是古建木構件中較為常見，是木構件長期受到日照、紫外線以及水分等外界條件的相互作用下，表層的主要化學成分發生物理性降解。表層老化會導致木構件有效截面積減少，進而降低了木構件的承載力。

二、各種病害的特征尺寸

病害的特征尺寸是表征病害在木構件的區域形狀和范圍的關鍵性指標，如表2所示。通過確定病害的特征尺寸，可以計算針對各種荷載類型的病害區域面積，最終確定反映承載能力的有效承載面積。

木節的特征尺寸是在其橫截面的節子直徑（d）和其在橫截面上的投影面積（Akno）t；方木構件的木節特征尺寸是斜紋理的特征尺寸是在木構件長度方向上每1m長木材紋理的傾斜高度（h），以及傾斜高度所對應的斜度（θ）。裂紋的存在主要對受彎構件兩端抗剪承載和偏心受壓構件承載有影響，特征尺寸主要是裂紋深度（w）和長度（l）。腐朽的特征尺寸是所在橫截面的腐朽面積（Adecay）。孔洞的特征尺寸是所在橫截面的孔洞面積（B）。表層老化的特征尺寸，對于原木應是同一橫截面上沿周長方向上老化層的最大厚度（t），對于方木應是同一橫截面上四個方向老化層的最大厚度（t）。

表2 各種病害的特征尺寸

三、各特征尺寸的微損或無損檢測方法

無損檢測是以不損害被檢驗對象的使用性能為前提，應用多種物理原理和化學現象，對材料進行有效的檢測，借以評價它們的完整性、連續性、安全可靠性及某些物理性能。目前，木材性質檢測的無損檢測技術有很多種。但是對于古建筑木構件，能有效獲取病害特征尺寸的無損檢測技術主要有目測法、阻抗儀法[10][11]、應力波法[12]、皮羅釘法[13]等。

1.阻抗儀

阻力儀法是德國Rinntech公司基于探針行進速度與木材性質關系而開發的一種木材內部材質檢測儀器，是目前歐洲、美國、日本和我國臺灣木結構材質狀況勘查的常用設備之一。該儀器是在檢測時記錄探針刺入過程中所受到的阻力，其大小隨各樹種密度的不同而變化。根據檢測得到的阻力曲線，判斷木構件中的病害狀況，進而評價木構件力學性質衰減程度。

木材阻抗儀主要包括探針及其保護裝置、微機系統和蓄電池。木材阻抗儀檢測的原理是在電動機的驅動下，將一根直徑1.5mm的探針，以均勻速度刺入木材內部，通過微機系統把探針刺入過程中受到的阻力數據記入存儲卡，同時打印輸出檢測圖譜。圖譜的橫坐標與探針刺入的深度等距離，且在圖譜中木材內部的密度分布、早晚材密度的變化及木材內部因腐朽引起的密度變化均可以直觀地表現。

2.應力波法

應力波在木構件內部傳遞過程中遇到缺陷等病害，會導致傳播速度發生變化。因此，利用應力波法可以確定木構件的殘余或剩余彈性模量，亦可以估計木構件的內部缺陷是否存在及區域大小。

在木構件的一端，與長度方向呈一定角度敲擊激發器產生應力波，在另一端的接收器拾取振動信號獲得應力波的傳播時間，將木材密度ρ（kg/m3）和傳播速度 V（m/s）代入式（1）計算構件長度方向測試區域間的動態彈性模量Esw（Pa）。

在木構件橫截面一周內等距布設一定數量的傳感器，按順序依次敲擊每個傳感器，再利用相關軟件對應力波傳播時間、速度進行處理，即可形成傳感器間的應力波傳播線形圖和由速度矩陣重構的斷面二維圖像，依據應力波傳播速度值和斷面二維圖像對木構件內部結構進行估計。

3.皮羅釘法

皮羅釘檢測法最早出現在瑞典，是專門用于進行電桿安全檢測的一種無損檢測儀器，目前已廣泛用于古建筑木結構和古木保護的檢測中。根據皮羅釘的打入深度值能判斷木材的腐朽狀況。

該方法是以固定大小的力，將一個鋼釘射入木材，以釘子射入的深度表示檢測的結果。貫穿深度范圍在0～40mm之間，因此，這種檢測方法主要用于檢查木材的外部腐朽狀況。木材密度與皮羅釘檢測結果呈負相關，木材密度大，則射入深度淺;反之，射入深度深。通過測定木構件表面硬度，以確定木材在一定深度范圍內是否有缺陷或木材是否發生腐朽以及腐朽程度。

四、木構件當前最大承載力的確定

1.木材強度設計指標的確定

縱觀古建木構件彈性模量的測定方法，研究表明應力波法相關性較好[14]。通過應力波法確定木構件的動態彈性模量，并代入表3確定其它強度指標。將這些強度指標除以對應的抗力分項系數，即可獲得木材強度設計指標。

如果計算獲得的設計指標高于國家標準《木結構設計規范》中該樹種對應的強度設計指標時，取《木結構設計規范》所規定的同種樹種的強度設計指標；如果計算獲得的設計指標低于國家標準規定指標，取計算獲得的強度設計指標。

表3 木材強度間相互關系

2.木節對木構件承載力的影響分析

對于受彎構件，應勘查木構件受拉區域的木節，對于受壓構件，應勘查整個長度范圍的木結構。測量直徑大于構件橫截面周長1/10的木節，計算其在橫截面的投影面積。節子在木構件橫截面上的投影頂點一般可認為在髓心位置，因此應先確定木構件髓心的位置。對于原木構件，木節的投影區域可近似為扇形，在其所在橫截面沿周長方向上測試節子直徑，計算其投影面積，并記錄其在木構件的位置。倘若在同一橫截面上若干節子，應將所有節子在橫截面上的投影面積累加。對于方木構件，木節的投影區域可近似為三角形或四邊形。四邊形可分解為兩個三角形確定其在橫截面的投影面積。

針對受彎構件承載狀態，分析木構件的應力分布，并結合不同位置橫截面木節投影面積對其影響程度，確定對承載力降低最大的木節位置和大小，進而計算木構件的凈截面抵抗矩。按照木構件強度設計值與凈截面抵抗矩的乘積，確定受彎構件木梁的最大彎矩。對于受壓構件，對比不同位置橫截面木節投影面積，確定最大木節投影面積，進而計算最小凈截面積。按照木構件強度設計值與最小凈截面積的乘積，確定受壓構件木柱的最大承載力。

3.斜紋理對木構件承載力的影響分析

測量在木構件長度方向上每1m長木材紋理的傾斜高度h，重點記錄傾斜高度超過80mm的斜紋理。對于受彎構件，主要分析跨中或應力最大區域和構件端部剪力區域，確定斜紋理形成的剪切面積，再與木材順紋抗剪強度設計值相乘，計算木構件的抗剪力，并通過斜度確定該區域的最大抗彎承載力。對于受壓構件，確定斜紋理形成的剪切面積，再與木材順紋抗剪強度設計值相乘，計算木構件的抗剪力，并通過紋理斜度確定該區域的最大抗壓承載力。

4.裂紋對木構件承載力的影響分析

對于受彎構件，主要測量木構件端部中性軸位置附近的最深裂紋或最長裂紋，確定在中性面上的最大裂紋投影面積，以該裂紋的長度作為剪切區域的長度，木構件寬度減去該裂紋深度作為剪切區域的寬度，確定凈剪切面積。通過凈剪切面積和木材順紋抗剪強度設計值，推算最大抗剪承載力，并最終確定木構件的抗彎承載力。

對于軸心受壓構件，一般可不考慮裂紋的影響，除非出現貫通裂紋或者較大斜度的斜紋理。如果沒有斜紋理，裂紋主要對偏心受壓構件承載力有影響。具體影響程度，受裂紋面與偏心承載面的相互關系決定。比如兩個面平行時，裂紋面的水平延展未裂區域可能會受到順紋剪切和橫紋拉伸的作用力。具體計算過程視實際情況而定。

5.腐朽或孔洞對木構件承載力的影響分析

通過肉眼和敲擊法對木構件存在腐朽或孔洞的位置進行初判。有疑似的位置，再采用應力波在木構件長度方向上進行斷層掃描，逐層距離為5mm，獲取每層的斷面二維圖像。按照應力波2D圖像顯示，采用阻抗儀法沿穿過腐朽或孔洞中心區域的路徑水平鉆入探針，獲得鉆入位置—阻抗關系圖。對于同一木構件上若有數處腐朽或孔洞，應按上述步驟進行逐一確定。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，則將該外腐朽或孔洞位置列入力學分析行列。

列入分析行列的腐朽或孔洞，還需要確定其確切的邊界，以便計算凈截面積。腐朽或孔洞邊界的確定還需要使用阻抗儀。結合應力波2D圖形所顯示的腐朽或孔洞的區域，將阻抗儀水平鉆入方向與先前的鉆入方向垂直，兩次鉆入的交點盡可能在腐朽或孔洞區域的中心位置。以阻抗值低于健全位置平均阻抗值的1/3作為腐朽區域的臨界劃定腐朽區域。如果不是規則的形狀，可以通過平行于上述兩次鉆入方向，向左或右偏移30～50mm，這一步驟可反復數次，且阻抗儀的鉆入次數以盡可能佐證其區域形狀為準。腐朽或孔洞面積確定后，即可進行木構件的力學分析。

將每處列入力學分析的腐朽或孔洞區域尺寸等參數輸入，對木構件承載進行有限元分析，根據木構件承載類型和受力狀態，確定最嚴重的腐朽或孔洞及區域面積，進而以此作為確定木構件最大承載力分析的基礎。

6.表面老化對木構件承載力的影響分析

采用肉眼和敲擊的方法先初判木構件表面最嚴重的老化部位，再使用皮螺釘法在木構件表面進行多次測試，取最大值作為老化層厚度t。通過老化層厚度t再確定凈截面積，進而按照木構件的承載類型和受力狀態確定木構件最大承載力。

7.木構件結構安全鑒定

綜合分析各種病害對木構件承載力的影響程度，確定最大降低木構件承載能力的病害和最小剩余承載力。根據木構件的承載類型和所處結構空間的荷載大小，確定其結構是否失效。若木構件現有承載力難以抵抗其所受荷載，應及時更換；若木構件現有承載力大于所受荷載，應對木構件病害進行定期監測，判斷其發展機制，通過木構件病害對木構件承載力的影響規律確定木構件可能的使用壽命。

五、結論

結構安全性鑒定是木質文物古建修繕保護的重要工作之一，而木構件承載能力確定是古建筑木結構安全性鑒定的核心工作。

木節、斜紋理、裂紋、腐朽、蟲蛀孔洞和表層老化是當前影響木構件承載能力的主要病害形式。使用當前較為流行的應力波等無損檢測方法，可通過單獨或相互交叉運用和驗證，很好地界定出這些病害的特征尺寸。

木構件病害特征尺寸是分析計算各種受力木構件有效承載區域和面積的基礎，而后者亦是科學評價木構件剩余承載能力的依據。

（課題：山西古建筑“病歷”建檔研究，合同編號：2014-68-29）

[1]陳允適、劉秀英、李華等《古建筑木結構的保護問題》，《故宮博物院院刊》2005年第 5期，332～343頁。

[2]陳志勇、祝恩淳、潘景龍《中國古建筑木結構力學研究進展》，《力學進展》2012年第 5期，644～654頁。

[3]倪士珠、李源哲《古建筑木結構用材的樹種調查及其主要材性的樹種分析》，《四川建筑科學研究》1994年第 1期，11～14頁。

[4]陳國營《古建筑舊木材材質變化及影響建筑形變的研究》，《古建園林技術》2003年第3期，49～52頁。

[5]曹旗《故宮古建筑木構件物理力學性質的變異性研究》，北京林業大學碩士論文，2005年。

[6]王曉歡《古建筑舊木材材性變化及其無損檢測研究》，內蒙古農業大學碩士論文，2006年。

[7]張曉芳、李華、劉秀英等《木材阻力儀檢測技術的應用》，《木材工業》2007年第 2期，41～43頁。

[8]李華、劉秀英、陳允適等《古建筑木結構的無損檢測新技術》，《木材工業》2009年第 2期，37～39頁。

[9]徐有明主編《木材學》，中國林業出版社，2006年。

[10]黃榮鳳、王曉歡、李華等《古建筑木材內部腐朽狀況阻力儀檢測結果的定量分析》，《北京林業大學學報》2007年第 6期，167～171頁。

[11]安源、殷亞方、姜笑梅等《應力波和阻抗儀技術勘查木結構立柱腐朽分布》，《建筑材料學報》2008年第4期，457～463 頁。

[12]徐華東、王立海、游祥飛《應力波和超聲波在立木無缺陷斷面的傳播速度》，《林業科學》2011年第4期，129～134頁。

[13]黃榮鳳、伍艷梅、李華等《古建筑舊木材腐朽狀況皮羅釘檢測結果的定量分析》，《林業科學》2010年第10期，114～118頁。