朱 磊 張厚江 孫燕良 閆海成 王喜平

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (美國(guó)農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)麥迪遜市，WI 53726－2398)

中國(guó)是一個(gè)歷史悠久的文明古國(guó)，存有大量的木結(jié)構(gòu)古建筑。這些木結(jié)構(gòu)古建筑是我國(guó)重要的文物和珍貴的歷史文化遺產(chǎn)。在日常維護(hù)工作中，木構(gòu)件材質(zhì)狀況勘察以及木構(gòu)件安全性能分析是必不可少的重要環(huán)節(jié)。目前我國(guó)多采用定性的目視鑒別與簡(jiǎn)單敲擊的方法，這種操作方式雖簡(jiǎn)便易行，但勘查結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度取決于人工經(jīng)驗(yàn)，缺乏定量數(shù)據(jù)。

隨著木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究和發(fā)展，包括應(yīng)力波檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、微鉆阻力檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已逐漸應(yīng)用于古建筑木構(gòu)件的檢測(cè)和評(píng)估。國(guó)內(nèi)外在檢測(cè)木構(gòu)件內(nèi)部缺陷方面取得很多成績(jī)［1－4］，這些無(wú)損檢測(cè)方法克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的弊端，能用具體數(shù)據(jù)直觀說(shuō)明評(píng)價(jià)古建筑木構(gòu)件的材質(zhì)狀況，尤其是內(nèi)部缺陷狀況。對(duì)古建筑木構(gòu)件材料力學(xué)性能檢測(cè)方面，段新芳等人［5］對(duì)應(yīng)力波技術(shù)檢測(cè)古建筑木構(gòu)件殘余彈性模量進(jìn)行了初步研究，黃榮鳳等人［6］對(duì)微鉆阻力技術(shù)檢測(cè)古建筑木材腐朽后的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

到目前為止，對(duì)比應(yīng)力波技術(shù)和微鉆阻力技術(shù)檢測(cè)古建筑木構(gòu)件材料力學(xué)性能的檢測(cè)效果，還沒(méi)有見(jiàn)到報(bào)道。筆者以落葉松古建筑木構(gòu)件材料為試驗(yàn)對(duì)象，定量試驗(yàn)對(duì)比應(yīng)力波技術(shù)與微鉆阻力技術(shù)對(duì)材料力學(xué)性能的檢測(cè)效果;并綜合兩種技術(shù)，探索較單個(gè)技術(shù)檢測(cè)精度更高的檢測(cè)方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用木材是從北京圓明園正覺(jué)寺鼓樓上拆下來(lái)的舊木材。北京圓明園正覺(jué)寺建成于乾隆三十八年(1773年)。4根木料分別編號(hào)為A、B、C、D。其中A、B為兩根立柱，C、D為兩根方材。A的尺寸為240 mm(直徑)×1 800 mm(長(zhǎng)度)，B的尺寸為240 mm(直徑)×3 200 mm(長(zhǎng)度)，C、D的尺寸為120 mm×200 mm×450 mm。經(jīng)材種鑒定，4根木料均為落葉松。

1.2 試件

應(yīng)力波試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)試件:根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1936.1—2009［7］、GB/T 1936.2—2009［8］，將材料加工成尺寸為 20 mm×20 mm×300 mm的無(wú)疵試件。

壓縮試驗(yàn)試件:根據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T 1935—2009［9］，在前面彎曲試驗(yàn)后的每個(gè)20 mm×20 mm×300 mm試件上截取一段20 mm×20 mm×30 mm的壓縮試件。試件如表1。

表1 試驗(yàn)所用試件匯總

1.3 試驗(yàn)方法

應(yīng)力波速度檢測(cè):應(yīng)力波在試件中傳播速度使用匈牙利生產(chǎn)的FAKOPP應(yīng)力波測(cè)量?jī)x(Microsecond Timer)檢測(cè)。測(cè)定時(shí)，先將應(yīng)力波測(cè)量?jī)x的兩個(gè)探針插入試件兩端，探針與試件長(zhǎng)度方向夾角為45°。第一次敲擊的傳播時(shí)間讀數(shù)無(wú)效，從第二次開(kāi)始，連續(xù)測(cè)定3次所得傳播時(shí)間讀數(shù)的平均值作為該試件的測(cè)定結(jié)果。然后根據(jù)試件長(zhǎng)度和應(yīng)力波傳播時(shí)間計(jì)算該試件的應(yīng)力波傳播速度。

微鉆阻力檢測(cè):檢測(cè)儀器采用德國(guó)Rinntech公司開(kāi)發(fā)的Resistograph 4452－P型微鉆阻力儀。該儀器自身定義了阻力單位:微鉆阻力值，是代表微鉆過(guò)程中軸向阻力和扭矩阻力的綜合阻力值大小，與常見(jiàn)的力單位(N)或扭矩單位(Nm)沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。儀器利用微型鉆針在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，以恒定速率鉆入木材內(nèi)部產(chǎn)生的相對(duì)阻力，阻力的大小反映出密度的變化，通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)采集鉆針在木材中產(chǎn)生的阻力參數(shù)并計(jì)算后，顯示出阻力曲線(Resistograph profiles)圖像。在20 mm試件厚度上，微鉆阻力是有一定變化的，取其平均值作為該試件的微鉆阻力值。

1.4 試驗(yàn)步驟

①將古建落葉松材加工成20 mm×20 mm×300 mm的無(wú)疵試件，材料A、B、C、D各加工30件，共120件。

②標(biāo)記每個(gè)試件，例如A1、B6、C11、D22。標(biāo)記確定了試件的寬度、厚度、靜態(tài)彎曲試驗(yàn)時(shí)試件的正反向。

③FAKOPP應(yīng)力波檢測(cè)儀測(cè)量應(yīng)力波時(shí)間T，計(jì)算出速度v。

④在試件兩頭做微鉆阻力檢測(cè)實(shí)驗(yàn):用EXCEL導(dǎo)出微鉆曲線得試件兩頭微鉆阻力值F1、F2。計(jì)算出試件整體微鉆阻力值F=(F1+F2)/2。

⑤測(cè)量試件寬度和厚度，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上做靜態(tài)彎曲試驗(yàn):得到抗彎彈性模量E、抗彎強(qiáng)度σb。

⑥每個(gè)試件各切割出一個(gè)20 mm×20 mm×30 mm的壓縮試件，測(cè)量寬度和厚度，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上做壓縮試驗(yàn)，得到抗壓強(qiáng)度σc。

⑦用Excel處理、分析數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)包括參數(shù)A(應(yīng)力波速度v、微鉆阻力值F)、參數(shù)B(抗彎彈性模量E、抗彎強(qiáng)度σb、抗彎強(qiáng)度σb)。將參數(shù)A與參數(shù)B作線性擬合，得到線性關(guān)系。具體包括:v－E關(guān)系、v－σb關(guān)系、v－σc關(guān)系;F－E關(guān)系、F－σb關(guān)系、F－σc關(guān)系。此外還分析了Fv2－E關(guān)系，F(xiàn)v2－σb關(guān)系，F(xiàn)v2－σc關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力波速度與力學(xué)性能間的關(guān)系

由圖1可知應(yīng)力波速度v與抗彎彈性模量之間的關(guān)系為:E=2.089 4v+1.183 6，相關(guān)系數(shù)r=0.64。由圖2 可知應(yīng)力波速度v與抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系為:σb=8.560 7v+40.087，相關(guān)系數(shù)r=0.38。由圖3可知應(yīng)力波速度v與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系為:σc=5.834 3v+33.776，相關(guān)系數(shù)r=0.43。總體上，應(yīng)力波速度v與各力學(xué)性能之間相關(guān)關(guān)系一般。理論上，木構(gòu)件力學(xué)性能可通過(guò)應(yīng)力波檢測(cè)方法測(cè)得，但準(zhǔn)確度不是很理想。

2.2 微鉆阻力值與力學(xué)性能間的關(guān)系

由圖4可知微鉆阻力值F與抗彎彈性模量之間的關(guān)系為:E=0.042F+8.792 2，相關(guān)系數(shù)r=0.38。由圖 5 可知微鉆阻力值F與抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系為:σb=0.304 8F+65.432，相關(guān)系數(shù)r=0.36。由圖6可知微鉆阻力值F與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系為:σc=0.255F+48.975，相關(guān)系數(shù)r=0.49?？傮w上，微鉆阻力值F與各力學(xué)性能之間相關(guān)關(guān)系一般。理論上，木構(gòu)件力學(xué)性能可通過(guò)微鉆阻力儀檢測(cè)方法測(cè)得，但準(zhǔn)確度不是很理想。

圖1 應(yīng)力波速度v與抗彎彈性模量之間的關(guān)系

圖2 應(yīng)力波速度v與抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖3 應(yīng)力波速度v與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖4 微鉆阻力值F與抗彎彈性模量之間的關(guān)系

圖5 微鉆阻力值F與抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖6 微鉆阻力值F與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.3 波阻模量與材料力學(xué)性能間的關(guān)系

根據(jù)彈性模量經(jīng)驗(yàn)公式:E=ρv2，其中ρ為密度，v為應(yīng)力波速度，本研究嘗試用微鉆阻力值(F)和應(yīng)力波速度(v)平方值的乘積Fv2來(lái)推算古建筑木構(gòu)件力學(xué)性能，現(xiàn)將Fv2定義成應(yīng)力波—微鉆阻力模量，以下統(tǒng)稱(chēng)為波阻模量，記作ESR。圖7、圖8、圖9所示是波阻模量ESR與各力學(xué)性能之間的推算關(guān)系。

圖7 波阻模量ESR與抗彎彈性模量之間的關(guān)系

圖8 波阻模量ESR與抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系

圖9 波阻模量ESR與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

由圖7可知波阻模ESR與抗彎彈性模量之間的關(guān)系為:E=0.003 8Fv2+7.179 1，相關(guān)系數(shù)r=0.71。由圖 8 可知波阻模量ESR與抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系為:σb=0.020 2Fv2+60.569，相關(guān)系數(shù)r=0.55。由圖9可知波阻模量ESR與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系為:σc=0.015 5Fv2+46.156，相關(guān)系數(shù)r=0.69?？傮w上，波阻模量ESR與各力學(xué)性能之間相關(guān)關(guān)系比較好。木構(gòu)件力學(xué)性能可通過(guò)應(yīng)力波檢測(cè)加微鉆阻力儀檢測(cè)方法測(cè)得，且準(zhǔn)確度較理想。

從表2方差分析結(jié)果可以看出，參數(shù)A(應(yīng)力波速度v、微鉆阻力值F及波阻模量ESR)與參數(shù)B(抗彎彈性模量E、抗彎強(qiáng)度σb、抗彎強(qiáng)度σb)均存在極其顯著的線性相關(guān)關(guān)系，也就是說(shuō)應(yīng)力波速度v、微鉆阻力值F、波阻模量ESR，每一個(gè)單一參數(shù)即可同時(shí)反映木構(gòu)件材料各力學(xué)性能的變化，即3種方法都可作為古建筑木構(gòu)件材料非破損檢測(cè)方法。又由表2可知應(yīng)力波速度v、微鉆阻力值F與抗彎彈性模量的相關(guān)系數(shù)分別是0.64、0.38，而波阻模量ESR與抗彎彈性模量的相關(guān)系數(shù)為0.71;應(yīng)力波速度v、微鉆阻力值F與抗彎強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)分別是0.38、0.36，而波阻模量ESR與抗彎強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為0.55;應(yīng)力波速度v、微鉆阻力值F與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)分別是0.43、0.49，而波阻模量ESR與抗彎彈性模量的相關(guān)系數(shù)為0.69。不難看出結(jié)合了應(yīng)力波速度v和微鉆阻力值F的波阻模量ESR與各力學(xué)性能之間相關(guān)關(guān)系更好，它比單一參數(shù)推算古建筑木構(gòu)件力學(xué)性能有著更高的準(zhǔn)確度。所以應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)合微鉆阻力儀檢測(cè)方法可以作為一種同樣便捷、適用、準(zhǔn)備度更高的木構(gòu)件材料力學(xué)性能檢測(cè)方法。

表2 3種方法回歸方程公式參數(shù)

3 結(jié)論與討論

應(yīng)力波、微鉆阻力檢測(cè)兩種方法推算木構(gòu)件材料力學(xué)性能都有一定的準(zhǔn)確度，分別可作為古建筑木構(gòu)件力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法。從本研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，應(yīng)力波檢測(cè)方法在推算木構(gòu)件材料抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度方面的準(zhǔn)確度要略高于微鉆阻力檢測(cè)方法;而在推算抗壓強(qiáng)度方面，則微鉆阻力檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度略高。

結(jié)合了應(yīng)力波和微鉆阻力兩種方法的波阻模量檢測(cè)方法推算木構(gòu)件力學(xué)性能有比單一方法更高的準(zhǔn)確度，它是本研究所要尋找的一種便捷、適用、準(zhǔn)確度更高的十分理想的古建筑木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法。

［1］尚大軍，段新芳，楊中平.應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其在木結(jié)構(gòu)古建筑保護(hù)中的應(yīng)用［J］.世界林業(yè)研究，2008，44(1):1－3.

［2］Perllerin R F，Ross Robert J.Nondestructive evaluation of wood［M］.Madison:USDA Forest Products Society，2002.

［3］Ross Robert J，Brashaw Brian K，Wang Xiping，et al.Wood and timber condition assessment manual［M］.Madison:USDA Forest Products Society，2004.

［4］Frank Rinn.Resistographic inspection of construction timber，poles and trees［J］.Pacific Timber Engineering Conference，1994(2):468－478.

［5］段新芳，王平，周冠武，等.應(yīng)力波技術(shù)檢測(cè)古建筑木構(gòu)件殘余彈性模量的初步研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，22(1):112－114.

［6］黃榮鳳，王曉歡，劉秀英.古建筑木材內(nèi)部腐朽狀況阻力儀檢測(cè)結(jié)果的定量分析［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(6):167－171.

［7］中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所.GB/T 1936.1—2009木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［8］中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所.GB/T 1936.2—2009木材抗彎彈性模量測(cè)定方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［9］中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所.GB/T 1935—2009 木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.