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(nèi)開始積極采用無損檢測儀器用于既有木結(jié)構(gòu)建筑的調(diào)查研究與修復上，對木構(gòu)件損壞程度評估已經(jīng)獲得各方面的認可，并通過量化的數(shù)據(jù)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(yōu)點[1]。同時已有研究成果表明，針對木材內(nèi)部缺陷檢測方法的研究已有進展，結(jié)合圖像識別技術可確定木材內(nèi)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(gòu)件的腐朽和蟲蛀等殘損情況，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的目測鑒別到定量評價，為古建筑木結(jié)構(gòu)的安全評估、維護和修繕提供理論依據(jù)和技術支撐。盡管木結(jié)構(gòu)無損檢測的研究已經(jīng)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(jié)合無損檢測方法對構(gòu)件缺陷進行定量評價，并結(jié)合結(jié)構(gòu)承載能力計算，完成結(jié)構(gòu)檢測鑒定工作。

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(jié)構(gòu)勘察與檢測

2.1 木材材性檢測

現(xiàn)場勘察中發(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，通過現(xiàn)場取樣并進行實驗室檢測后，根據(jù)規(guī)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(jié)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(jié)果

2.2 木柱檢測

采用應力波法檢測木構(gòu)件內(nèi)部缺陷時，在距柱底1 000 mm范圍內(nèi)，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(gòu)件截面內(nèi)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(gòu)件內(nèi)部應力波速削弱嚴重，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，為進一步確定木構(gòu)件腐朽等級，采用阻力儀(如圖7所示)對存在缺陷的木構(gòu)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(jīng)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(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]評定上述木柱腐朽等級均為4級。結(jié)合木構(gòu)件含水率的檢測結(jié)果，可以推斷木構(gòu)件因含水率過高長期處于潮濕狀態(tài)而導致內(nèi)部腐朽?，F(xiàn)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(xiàn)場檢測發(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)場檢測結(jié)果以及規(guī)范[8，9]規(guī)定，對該門樓工作狀態(tài)正常的主體承重構(gòu)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(jù)木材強度檢測結(jié)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(jù)《木結(jié)構(gòu)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(gòu)件對應的樹種進行辨別，同時考慮實際檢測中已發(fā)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(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力進行驗算。模型中構(gòu)件尺寸按實際截面尺寸采用，梁柱節(jié)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(jié)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(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比值R/(γ0S)<0.9。

4 結(jié)構(gòu)安全性鑒定

4.1 地基基礎子單元

經(jīng)現(xiàn)場檢查，門樓室內(nèi)地坪無明顯沉降裂縫，所測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位現(xiàn)象，該門樓現(xiàn)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(jié)構(gòu)子單元

根據(jù)現(xiàn)場勘查及檢測數(shù)據(jù)，對上部承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性等級進行評定，木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級結(jié)果如表3所示。

表3 木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級評定

根據(jù)代表層安全性等級評定結(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評定為Du級，根據(jù)結(jié)構(gòu)整體牢固性及結(jié)構(gòu)側(cè)向位移評定結(jié)果，該門樓的安全性等級評定為Du級。

5 結(jié)語

本項目采用無損檢測方法對門樓的構(gòu)件內(nèi)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(jù)測試的木材強度設計值對門樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力進行了驗算。最后通過現(xiàn)場勘查、實驗室檢測、承載能力驗算的數(shù)據(jù)和結(jié)果，綜合判定門樓的安全性等級評定為Du級。

其中木柱的內(nèi)部腐朽和木梁因強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，應加強對木構(gòu)件的含水率控制和日常維護保養(yǎng)工作。同時木材本身的性能也至關重要，特別是大截面構(gòu)件進場前必須進行干燥并應檢測含水率。