基于無損檢測技術的某木結構門樓檢測鑒定

沈寅忠 姜海峰 劉杏杏 陳 志

(1.湖州南潯旅游投資發展集團有限公司，浙江 湖州 313000; 2.南京工大建設工程技術有限公司，江蘇 南京 211800)

0 引言

近年來國內開始積極采用無損檢測儀器用于既有木結構建筑的調查研究與修復上，對木構件損壞程度評估已經獲得各方面的認可，并通過量化的數據證明了其可行性，主要有皮羅釘法、應力波法、超聲波法、微鉆阻力法和X射線法等，對于木材力學性能檢測，微鉆阻力法具有檢測范圍寬、準確度高、操作簡單、易于攜帶等優點[1]。同時已有研究成果表明，針對木材內部缺陷檢測方法的研究已有進展，結合圖像識別技術可確定木材內部缺陷位置和大小[2]。張艷霞等[3]采用應力波微秒計和阻抗儀可以有效地測定古建筑木構件的腐朽和蟲蛀等殘損情況，實現了從傳統的目測鑒別到定量評價，為古建筑木結構的安全評估、維護和修繕提供理論依據和技術支撐。盡管木結構無損檢測的研究已經開展，然而將無損檢測方法應用于實際工程的檢測鑒定的案例還較少，本文通過對某門樓采用微鉆阻力法和應力波相結合無損檢測方法對構件缺陷進行定量評價，并結合結構承載能力計算，完成結構檢測鑒定工作。

1 工程概況

該門樓建筑結構為單跨三開間的木結構抬梁式構架，屋面為琉璃瓦歇山屋面，見圖1。建筑長30.4 m、寬6.6 m，總高度為15.15 m，占地面積約200.64 m2，見圖2。門樓木柱縱向間距12.80 m，4.80 m，橫向間距為6.60 m，柱腳擱置于石墩，石墩高出地面約 300 mm，木柱截面尺寸為直徑700 mm，530 mm。木梁最大跨度為12.80 m，木梁最大截面尺寸為900 mm×1 200 mm。該門樓的縱梁上設置童柱，木柱與童柱之間采用橫枋相連，五架梁、三架梁與木柱采用榫卯連接。

2 結構勘察與檢測

2.1 木材材性檢測

現場勘察中發現該門樓的木構件存在兩種不同樹種，由于樹種不詳，本文將兩種樹種定義為木材A、木材B，通過現場取樣并進行實驗室檢測后，根據規范[4]附錄A木材強度等級檢驗方法對木材強度等級進行評定，其中木材A抗彎強度未到達最低評定強度等級要求，木材B強度等級為TC15。木材材性檢測結果見表1，木材抗彎強度檢測試驗方法見圖3。

表1 木材材性檢測結果

2.2 木柱檢測

采用應力波法檢測木構件內部缺陷時，在距柱底1 000 mm范圍內，每隔200 mm的截面處布置12個傳感器，傳感器的布置沿柱直徑均勻分布(見圖4)，通過敲擊傳感器獲得應力波在木構件截面內的波速變化，如圖5，圖6所示。通過成像圖的波速變化分布，可以明顯看出木構件內部應力波速削弱嚴重，這表明木構件內部材質出現疏松，即存在腐朽現象，為進一步確定木構件腐朽等級，采用阻力儀(如圖7所示)對存在缺陷的木構件進行單路徑上缺陷長度的修正，獲得更為準確的缺陷面積。其修正公式參考標準[5]附錄中公式。

(1)

經計算分析和識別，中柱A×1軸、柱A×3軸、柱A×4軸、柱B×2軸、柱B×3軸構件內部存在內部腐朽缺陷，腐朽面積為原截面面積的1/4～1/3，根據規范[6]評定上述木柱腐朽等級均為4級。結合木構件含水率的檢測結果，可以推斷木構件因含水率過高長期處于潮濕狀態而導致內部腐朽。現場測試用微鉆阻力儀的型號為Resistograph@4453-S，應力波檢測儀型號為ARBOTOM。

2.3 木梁檢測

現場檢測發現1～2×B軸木梁存在貫穿裂縫，梁中部存在斷裂裂縫，裂縫寬度10 mm；A～B×1軸木梁存在順紋裂縫和斜裂縫；A～B×1～2軸區域內檁條存在順紋裂縫；A～B×4軸木梁存在順紋裂縫。典型損傷見圖8,圖9。

表2 木構件撓度觀測數據表

3 結構分析

3.1 材料及荷載基本信息

根據現場檢測結果以及規范[8，9]規定，對該門樓工作狀態正常的主體承重構架進行承載能力分析。屋面恒荷載標準值取1.41 kN/m2，屋面活荷載標準值取0.5 kN/m2，基本風壓取0.35 kN/m2，B類粗糙度。

根據木材強度檢測結果，木材A的抗彎強度特征值未達到最低強度等級要求，根據《木結構設計手冊》[10]第三版木材抗彎強度設計值f的確定方法得出設計值為4.11 MPa，木材B為TC15強度等級。由于項目存在兩種不同樹種，且無法對每根構件對應的樹種進行辨別，同時考慮實際檢測中已發生木梁斷裂的情況，因此以最低強度設計值4.11 MPa作為項目材料強度設計值，并且計算中考慮構件腐朽對材料強度的折減。

3.2 建立模型計算

采用MIDAS軟件對門樓結構構件承載能力進行驗算。模型中構件尺寸按實際截面尺寸采用，梁柱節點采用半剛接模擬，木檁條、木椽條的連接設置為鉸接。模型和模型計算結果見圖10，圖11。通過計算分析可得，承重木柱承載力基本滿足規范要求，局部木梁及中間部位檁條承載能力抗力與作用效應比值R/(γ0S)<0.9。

4 結構安全性鑒定

4.1 地基基礎子單元

經現場檢查，門樓室內地坪無明顯沉降裂縫，所測量門樓整體傾斜均小于規范[12]表5.3.4中規定的允許值；上部豎向構件未有明顯變形，柱與石墩之間未見有明顯錯位現象，該門樓現階段地基基礎子單元的安全性等級間接評定為Bu級。

4.2 上部承重結構子單元

根據現場勘查及檢測數據，對上部承重結構構件的安全性等級進行評定，木結構構件的安全等級結果如表3所示。

表3 木結構構件的安全等級評定

根據代表層安全性等級評定結果，該門樓上部承重結構子單元結構承載功能的安全性等級評定為Du級，根據結構整體牢固性及結構側向位移評定結果，該門樓的安全性等級評定為Du級。

5 結語

本項目采用無損檢測方法對門樓的構件內部腐朽進行探測和分級，通過取樣后在實驗室檢測對木材的材料強度進行了測試，并根據測試的木材強度設計值對門樓結構構件承載能力進行了驗算。最后通過現場勘查、實驗室檢測、承載能力驗算的數據和結果，綜合判定門樓的安全性等級評定為Du級。

其中木柱的內部腐朽和木梁因強度低造成的斷裂裂縫是造成結構安全隱患的重要因素，因此在該門樓或者同類建筑后續使用中，應加強對木構件的含水率控制和日常維護保養工作。同時木材本身的性能也至關重要，特別是大截面構件進場前必須進行干燥并應檢測含水率。