木結(jié)構(gòu)古建筑現(xiàn)場無損檢測技術(shù)
一、材料性能檢測
材料力學(xué)性能現(xiàn)場檢測測區(qū)或取樣位置應(yīng)布置在構(gòu)件無缺陷、無損傷且具有代表性的 部位，當(dāng)構(gòu)件存在缺陷、損傷或性能劣化現(xiàn)象時(shí)，檢測報(bào)告應(yīng)予以描述。
1.1 木材物理性能檢測
1.1.1 木材含水率
每個(gè)樣品距兩端 200mm 處及中部設(shè)置測試部位，對于規(guī)格材或其他木構(gòu)件，每個(gè)測 試部位的四個(gè)面中部測量；對于膠合木構(gòu)件，應(yīng)在構(gòu)件兩側(cè)測定每層層板的含水率。
設(shè)備：FMC木材水分儀
1.1.2 木材密度
測量方法：微鉆阻力儀檢測法
選擇木構(gòu)件無缺陷的良好部位。對承重彎曲載荷的構(gòu)件，宜選擇產(chǎn)生拉應(yīng)力最大部位 或其中間部位下表面；對承受軸向載荷的構(gòu)件，宜選擇沿高度方向的不同部位。每個(gè)構(gòu)件應(yīng) 至少鉆取 3 個(gè)測點(diǎn)，3 個(gè)測點(diǎn)不應(yīng)位于同一橫截面，沿構(gòu)件木材橫紋方向鉆入，并垂直于構(gòu) 件表面。
采用阻力儀檢測法檢測木材密度時(shí)，宜采用現(xiàn)場取樣試驗(yàn)進(jìn)行修正
圓形截面 矩形截面
圖一 典型截面阻力儀檢測示意
ρ9 = 3.8536FX + 354.9
式中：Fx—含水率 x% 時(shí)的微鉆阻力值（示值）； ρ9—含水率 9% 時(shí)的木材密度（kg/m3）
1.2 木材力學(xué)性能檢測
1.2.1 木材抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量
木材受橫向靜力載荷作用時(shí)所產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力為木材抗彎強(qiáng)度。木材受力彎曲時(shí)， 在比例極限內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之比，則為抗彎彈性模量?，F(xiàn)場檢測木材抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量 可采用阻力儀和應(yīng)力波檢測法（木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) JGJ/T488）. 測量方法： 1）微鉆阻力檢測法； 微鉆阻力檢測法檢測木構(gòu)件力學(xué)性能時(shí)，每個(gè)構(gòu)件應(yīng)至少鉆取 3 個(gè)測點(diǎn)，取三者平均 值作為試件的阻力值，3 個(gè)測點(diǎn)不應(yīng)位于同一橫截面（圖一）。 2）應(yīng)力波檢測法 應(yīng)力波測量儀的兩個(gè)探針應(yīng)沿被測木構(gòu)件長度方向插入其表層，記錄兩探針插入點(diǎn)間 距，兩探針間距宜為 600mm，探針與試件長度方向夾角應(yīng)為 30°—45°（圖二）。
圖二 構(gòu)件縱向應(yīng)力波檢測示意
1—應(yīng)力波檢測儀；α—探針與試件長度方向夾角；L—測點(diǎn)距離
落葉松力學(xué)性能檢測按下列公式計(jì)算：
V9 = 0.858Vx + 0.014MCxv + 0.536
F9 = 0.655Fx + 0.125MCxv + 26.733
ρ9 = 3.8536Fx + 354.9
σb9=0.0298F9V92+35.4
E9 = 0.0041 F9V92 + 5.353
式中：V9—含水率9%時(shí)的應(yīng)力波速度（km/s）;
F9—含水率9%時(shí)的微鉆阻力值（示值）；
ρ9—含水率9%時(shí)的密度（kg/m3）；
Vx—含水率x%時(shí)的應(yīng)力波速度（km/s）;
Fx—含水率x%時(shí)的微鉆阻力值（示值）；
Ex—含水率9%時(shí)的抗彎彈性模量（Gpa）；
σb9—含水率9%時(shí)的抗彎強(qiáng)度（MPa）;
MCxv—含水率x%，適用含水率范圍6%-16%
二、缺陷檢測
木構(gòu)件缺陷檢測應(yīng)分為裂縫、腐朽、蟲蛀等項(xiàng)目。木構(gòu)件缺陷等級按下表規(guī)定執(zhí)行。
2.1 裂縫檢測
2.1.1 表面裂縫。
表面裂縫寬度直接采用塞尺或直尺測量。
2.1.2 內(nèi)部裂縫。
內(nèi)部或隱蔽裂縫寬度宜采用阻力儀檢測法。
2.2 腐朽檢測
2.2.1 表面腐朽。
表面腐朽通過目測法判斷，采用肉眼觀察或尺規(guī)測量。
2.2.2 內(nèi)部腐朽。
內(nèi)部腐朽采用探針檢測法、阻力儀檢測法、應(yīng)力波檢測法、雷達(dá)波等非破壞性檢測方法。
探針檢測法：
用于表層0-40mm范圍內(nèi)的木材內(nèi)部腐朽檢測，同一木構(gòu)件在腐朽和未腐朽部分分別進(jìn)行探針檢測，且檢測方向應(yīng)相同。腐朽程度檢測分級按下表執(zhí)行。
探針打入深度增加率按如下公式計(jì)算：（精確到0.1%）
Rp = (L1-L0)/L0* 100%
式中：Rp——探針打入深度增加率（%）；
L0——未腐朽部位的探針打入深度（mm）;
L1——腐朽部位的探針打入深度（mm）.
探針檢測法——PILODYN皮羅釘木材檢測儀
用來測量活樹及木質(zhì)構(gòu)件，如電線桿、打樁和木梁等的木材強(qiáng)度及腐朽狀況的有用工具。檢測使用無損的方法，不會對測量對象造成大的破壞。
阻力儀檢測法：
可用于0-500mm或0-1000mm范圍內(nèi)的深層腐朽檢測，腐朽程度分級按下表規(guī)定執(zhí)行：
根據(jù)腐朽部位的阻力平均值和未腐朽部位阻力平均值計(jì)算阻力值降低率。阻力值降低率按下式計(jì)算，精確到0.1%：
Rr= (r0-r1)/r0* 100%
式中：Rr——阻力值降低率（%）；
r 0——未腐朽部位阻力平均值；
r 1——腐朽部位阻力平均值。
阻力值曲線判別木材缺陷的參考方法：
| 區(qū)段分類 | 典型阻力值曲線 | 典型曲線特征分析 |
| 無缺陷區(qū) |  | 曲線總體較為平穩(wěn)、均勻并呈現(xiàn)連續(xù)的波峰-波谷現(xiàn)象，通常，波峰處木材密度較大，波谷處木材密度相對較小 |
| 腐朽蟲蛀區(qū) |  | 曲線中相對阻力值明顯下降，但過渡期坡度較緩。相對阻力值下降越多說明該區(qū)段木材腐朽越嚴(yán)重 |
| 裂縫或空洞區(qū) |  | 曲線中相對阻力值發(fā)生突降，曲線坡度非常陡，且相對阻力值接近于零，說明該區(qū)段為裂縫或空洞 |
應(yīng)力波檢測法：
用于構(gòu)件全截面腐朽檢測，木構(gòu)件腐朽面積精確測量宜采用應(yīng)力波斷層成像與阻力儀結(jié)合的檢測方法。
應(yīng)力波檢測方法：選擇待測斷面，記錄斷面詳細(xì)尺寸、形狀及位置。傳感器均勻布置，相鄰傳感器間隔不應(yīng)大于100mm，木構(gòu)件直徑或?qū)挾炔恍∮?00mm時(shí)，傳感器數(shù)量不宜少于10個(gè)。
圖三 典型截面阻力儀檢測示意
傳感器布置完成后，逐個(gè)敲擊傳感器振動銷，每個(gè)傳感器敲擊次數(shù)不少于5次。
主要木構(gòu)件應(yīng)在構(gòu)件中部或勘察發(fā)現(xiàn)缺陷的周邊位置進(jìn)行延伸檢測，有明顯缺陷的區(qū)域，應(yīng)在該區(qū)域增加檢測次數(shù)，確定缺陷范圍。
當(dāng)采用應(yīng)力波斷層檢測儀獲取木構(gòu)件斷面的彩色圖像時(shí)，圖像的顏色直觀顯示木構(gòu)件的健康狀況，圖像的顏色分布由波速值大小決定。藍(lán)色—紫色—綠色—棕色—黑色表示波速由低值逐漸增大至高值。
圖四 應(yīng)力波掃描結(jié)果
應(yīng)力波和阻力儀結(jié)合檢測法：
應(yīng)力波和阻力儀結(jié)合使用，對斷面缺陷面積大小進(jìn)行偏差修正。
使用應(yīng)力波對斷面檢測成像后，使用阻力儀在木構(gòu)件斷面進(jìn)行單路徑缺陷長度修正，按照以下公式進(jìn)行：
式中：Ai——應(yīng)力波檢測的缺陷面積（mm2）；
Ar——阻力儀修正的缺陷面積（mm2）；
Lr1——單路徑（第1條路徑）上阻力儀檢測缺陷長度（mm）;
Lr2——單路徑（第2條路徑）上阻力儀檢測缺陷長度（mm）;
Li1——第1條路徑上對應(yīng)的應(yīng)力波檢測缺陷長度（mm）；
Li2——第2條路徑上對應(yīng)的應(yīng)力波檢測缺陷長度（mm）；
三、蟲蛀檢測
蟲蛀檢測包含兩部分內(nèi)容：
一是檢測構(gòu)件內(nèi)部是否存在蟲蛀孔，如果僅有蟲蛀孔洞，而沒有白蟻活動跡象，則蟲蛀空洞實(shí)際上是缺陷的一種形式，對木構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在截面面積的缺損，參考缺陷檢測方法。
二是尋找木構(gòu)件中是否存在白蟻活體并確定其活動區(qū)域，如果存在白蟻活體活動跡象，則有可能對構(gòu)件及建筑主體結(jié)構(gòu)造成不可估量的危害，必須進(jìn)行全面檢測和治理，可通過溫度、濕度、雷達(dá)等多種形式進(jìn)行白蟻活體探測。
白蟻檢測
T3i白蟻探測儀可快速探測、確認(rèn)和追蹤白蟻的存在及活動軌跡。T3i白蟻探測儀整合白蟻雷達(dá)傳感器、遠(yuǎn)程激光熱度傳感器和濕度傳感器于一體，通過三種測量功能對白蟻進(jìn)行探測、追蹤和定位。
四、檢測儀器方案
4.1 微鉆阻力技術(shù)
在電動機(jī)驅(qū)動下，儀器的微型鉆針以恒定速度鉆入木構(gòu)件內(nèi)部，產(chǎn)生相對阻力，阻力的大小反應(yīng)出木質(zhì)密度的變化，已有很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)木質(zhì)密度和微鉆阻力之間有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)上線性關(guān)系，微鉆阻力越大，則密度越大，表示木構(gòu)件結(jié)構(gòu)完整，否則，木質(zhì)有損傷；微機(jī)系統(tǒng)采集鉆針在木質(zhì)中產(chǎn)生的阻力參數(shù)，在軟件上將數(shù)據(jù)可視化顯示。微型鉆針直徑1.5mm，長度從300mm 至1000mm 不等，適合各種尺寸構(gòu)件。
PD 系列針測儀采用兩種阻力記錄模式測量，有效避免測量高密度樹種時(shí)的誤差。高密度木構(gòu)件可能即使內(nèi)部木質(zhì)受損，其殘存的木質(zhì)仍具有較大的步進(jìn)阻力，但其旋轉(zhuǎn)阻力會減小?？蓪δ举|(zhì)內(nèi)部的裂縫、腐朽、蟲蛀進(jìn)行判斷。
R 系列針測儀通過探針鉆入木材記錄旋轉(zhuǎn)阻抗，通過藍(lán)牙打印機(jī) 1：1 實(shí)時(shí)顯示測量 結(jié)果，測量過程中根據(jù)木材狀態(tài)自動調(diào)整鉆頭速度，無需人工干預(yù)，提高木質(zhì)裂縫、腐 朽、蟲蛀檢測的效率和準(zhǔn)確性。
4.2 應(yīng)力波無損檢測技術(shù)
無損檢測因蟲害或者自然衰退導(dǎo)致木構(gòu)件木質(zhì)腐爛情況，測量時(shí)將傳感器固定在預(yù)檢測的斷層上，使用專業(yè)設(shè)計(jì)的電子錘敲擊每個(gè)檢測點(diǎn)，應(yīng)力波在木構(gòu)件內(nèi)部傳播，如果構(gòu)件內(nèi)部的介質(zhì)不同，應(yīng)力波傳播的速度就不同，比如在實(shí)木中傳播快，受損木質(zhì)或空洞中傳播慢，進(jìn)而可以判斷木構(gòu)件內(nèi)部的健康狀況，檢測結(jié)果可視化顯示。
斷面上每個(gè)位置的應(yīng)力波傳播速度都有數(shù)據(jù)，結(jié)合上文中的公式，獲取木構(gòu)件的密度(kg/m3)、抗彎強(qiáng)度（Gpa）、抗彎彈性模量(Mpa)等參數(shù)；結(jié)果以不同顏色表示木構(gòu)件的缺陷情況，如裂縫、腐朽。
五、案例分享
5.1“平湖秋月”御書樓檢測
檢測方法：
1）Resistograph 微鉆阻力儀檢測
2）picus 3應(yīng)力波斷層畫像診斷儀檢測
檢測小組利用微鉆阻力儀對木構(gòu)件的腐朽、蟲蛀等缺陷進(jìn)行檢測，
涉及到柱、梁等構(gòu)件。檢測時(shí)一根直徑約1.5mm的鉆針進(jìn)入木構(gòu)件內(nèi)部。
檢測小組利用Picus 3應(yīng)力波樹木斷層畫像診斷儀檢測樓內(nèi)其他柱，根據(jù)應(yīng)力波的傳播速度以及含水率，計(jì)算出柱子構(gòu)件的彈性模量以及力學(xué)性能，對建筑內(nèi)木構(gòu)件的質(zhì)量做出評判。
御書樓內(nèi)該柱自應(yīng)力波速在3768-4522之間，計(jì)算出柱子構(gòu)件的平均彈性模量為6385.
5.2 故宮立柱缺陷檢測
檢測人員使用PD 500針測儀分別在不同高度處
對立柱構(gòu)件內(nèi)做缺陷檢測，
獲取肉眼無法看到的內(nèi)部，彌補(bǔ)認(rèn)為判斷的缺陷；
如下為檢測結(jié)果，圖中紅色區(qū)域阻力值很小，木柱內(nèi)存在缺陷。
先進(jìn)的木質(zhì)無損檢測技術(shù)用于古建筑木構(gòu)件檢測，彌補(bǔ)人為判斷的缺陷，對于材料內(nèi)部隱蔽部位可以通過數(shù)據(jù)科學(xué)的判斷，并且通過數(shù)據(jù)、圖表較好的反應(yīng)被測物體內(nèi)部的強(qiáng)度變化，腐朽、蟲蛀等殘損情況?？茖W(xué)對木材保存現(xiàn)狀進(jìn)行評估，為后期修繕工作提供重要的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐和評判依據(jù)。
六、古建筑木構(gòu)件無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
