基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的某木結(jié)構(gòu)門樓檢測(cè)鑒定

沈寅忠 姜海峰 劉杏杏 陳 志

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

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)開始積極采用無(wú)損檢測(cè)儀器用于既有木結(jié)構(gòu)建筑的調(diào)查研究與修復(fù)上，對(duì)木構(gòu)件損壞程度評(píng)估已經(jīng)獲得各方面的認(rèn)可，并通過(guò)量化的數(shù)據(jù)證明了其可行性，主要有皮羅釘法、應(yīng)力波法、超聲波法、微鉆阻力法和X射線法等，對(duì)于木材力學(xué)性能檢測(cè)，微鉆阻力法具有檢測(cè)范圍寬、準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)單、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)[1]。同時(shí)已有研究成果表明，針對(duì)木材內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法的研究已有進(jìn)展，結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)可確定木材內(nèi)部缺陷位置和大小[2]。張艷霞等[3]采用應(yīng)力波微秒計(jì)和阻抗儀可以有效地測(cè)定古建筑木構(gòu)件的腐朽和蟲蛀等殘損情況，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的目測(cè)鑒別到定量評(píng)價(jià)，為古建筑木結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估、維護(hù)和修繕提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。盡管木結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的研究已經(jīng)開展，然而將無(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)用于實(shí)際工程的檢測(cè)鑒定的案例還較少，本文通過(guò)對(duì)某門樓采用微鉆阻力法和應(yīng)力波相結(jié)合無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)構(gòu)件缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算，完成結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定工作。

1 工程概況

該門樓建筑結(jié)構(gòu)為單跨三開間的木結(jié)構(gòu)抬梁式構(gòu)架，屋面為琉璃瓦歇山屋面，見圖1。建筑長(zhǎng)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(shè)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(jié)構(gòu)勘察與檢測(cè)

2.1 木材材性檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)勘察中發(fā)現(xiàn)該門樓的木構(gòu)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)后，根據(jù)規(guī)范[4]附錄A木材強(qiáng)度等級(jí)檢驗(yàn)方法對(duì)木材強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，其中木材A抗彎強(qiáng)度未到達(dá)最低評(píng)定強(qiáng)度等級(jí)要求，木材B強(qiáng)度等級(jí)為TC15。木材材性檢測(cè)結(jié)果見表1，木材抗彎強(qiáng)度檢測(cè)試驗(yàn)方法見圖3。

表1 木材材性檢測(cè)結(jié)果

2.2 木柱檢測(cè)

采用應(yīng)力波法檢測(cè)木構(gòu)件內(nèi)部缺陷時(shí)，在距柱底1 000 mm范圍內(nèi)，每隔200 mm的截面處布置12個(gè)傳感器，傳感器的布置沿柱直徑均勻分布(見圖4)，通過(guò)敲擊傳感器獲得應(yīng)力波在木構(gòu)件截面內(nèi)的波速變化，如圖5，圖6所示。通過(guò)成像圖的波速變化分布，可以明顯看出木構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力波速削弱嚴(yán)重，這表明木構(gòu)件內(nèi)部材質(zhì)出現(xiàn)疏松，即存在腐朽現(xiàn)象，為進(jìn)一步確定木構(gòu)件腐朽等級(jí)，采用阻力儀(如圖7所示)對(duì)存在缺陷的木構(gòu)件進(jìn)行單路徑上缺陷長(zhǎng)度的修正，獲得更為準(zhǔn)確的缺陷面積。其修正公式參考標(biāo)準(zhǔn)[5]附錄中公式。

(1)

經(jīng)計(jì)算分析和識(shí)別，中柱A×1軸、柱A×3軸、柱A×4軸、柱B×2軸、柱B×3軸構(gòu)件內(nèi)部存在內(nèi)部腐朽缺陷，腐朽面積為原截面面積的1/4～1/3，根據(jù)規(guī)范[6]評(píng)定上述木柱腐朽等級(jí)均為4級(jí)。結(jié)合木構(gòu)件含水率的檢測(cè)結(jié)果，可以推斷木構(gòu)件因含水率過(guò)高長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)而導(dǎo)致內(nèi)部腐朽。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試用微鉆阻力儀的型號(hào)為Resistograph@4453-S，應(yīng)力波檢測(cè)儀型號(hào)為ARBOTOM。

2.3 木梁檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)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(qū)域內(nèi)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(gòu)件撓度觀測(cè)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 材料及荷載基本信息

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果以及規(guī)范[8，9]規(guī)定，對(duì)該門樓工作狀態(tài)正常的主體承重構(gòu)架進(jìn)行承載能力分析。屋面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取1.41 kN/m2，屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓取0.35 kN/m2，B類粗糙度。

根據(jù)木材強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，木材A的抗彎強(qiáng)度特征值未達(dá)到最低強(qiáng)度等級(jí)要求，根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[10]第三版木材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f的確定方法得出設(shè)計(jì)值為4.11 MPa，木材B為TC15強(qiáng)度等級(jí)。由于項(xiàng)目存在兩種不同樹種，且無(wú)法對(duì)每根構(gòu)件對(duì)應(yīng)的樹種進(jìn)行辨別，同時(shí)考慮實(shí)際檢測(cè)中已發(fā)生木梁斷裂的情況，因此以最低強(qiáng)度設(shè)計(jì)值4.11 MPa作為項(xiàng)目材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，并且計(jì)算中考慮構(gòu)件腐朽對(duì)材料強(qiáng)度的折減。

3.2 建立模型計(jì)算

采用MIDAS軟件對(duì)門樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。模型中構(gòu)件尺寸按實(shí)際截面尺寸采用，梁柱節(jié)點(diǎn)采用半剛接模擬，木檁條、木椽條的連接設(shè)置為鉸接。模型和模型計(jì)算結(jié)果見圖10，圖11。通過(guò)計(jì)算分析可得，承重木柱承載力基本滿足規(guī)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(yīng)比值R/(γ0S)<0.9。

4 結(jié)構(gòu)安全性鑒定

4.1 地基基礎(chǔ)子單元

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，門樓室內(nèi)地坪無(wú)明顯沉降裂縫，所測(cè)量門樓整體傾斜均小于規(guī)范[12]表5.3.4中規(guī)定的允許值；上部豎向構(gòu)件未有明顯變形，柱與石墩之間未見有明顯錯(cuò)位現(xiàn)象，該門樓現(xiàn)階段地基基礎(chǔ)子單元的安全性等級(jí)間接評(píng)定為Bu級(jí)。

4.2 上部承重結(jié)構(gòu)子單元

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查及檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)上部承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級(jí)結(jié)果如表3所示。

表3 木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級(jí)評(píng)定

根據(jù)代表層安全性等級(jí)評(píng)定結(jié)果，該門樓上部承重結(jié)構(gòu)子單元結(jié)構(gòu)承載功能的安全性等級(jí)評(píng)定為Du級(jí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)整體牢固性及結(jié)構(gòu)側(cè)向位移評(píng)定結(jié)果，該門樓的安全性等級(jí)評(píng)定為Du級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)門樓的構(gòu)件內(nèi)部腐朽進(jìn)行探測(cè)和分級(jí)，通過(guò)取樣后在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)對(duì)木材的材料強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試的木材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對(duì)門樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力進(jìn)行了驗(yàn)算。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、承載能力驗(yàn)算的數(shù)據(jù)和結(jié)果，綜合判定門樓的安全性等級(jí)評(píng)定為Du級(jí)。

其中木柱的內(nèi)部腐朽和木梁因強(qiáng)度低造成的斷裂裂縫是造成結(jié)構(gòu)安全隱患的重要因素，因此在該門樓或者同類建筑后續(xù)使用中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)木構(gòu)件的含水率控制和日常維護(hù)保養(yǎng)工作。同時(shí)木材本身的性能也至關(guān)重要，特別是大截面構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)前必須進(jìn)行干燥并應(yīng)檢測(cè)含水率。