古建筑木構(gòu)件缺陷檢測方法發(fā)展現(xiàn)狀

廖春暉，張厚江，黎冬青，孫燕良

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083)

我國是四大文明古國之一，大量的木結(jié)構(gòu)古代建筑是中國歷史文化的傳承。同時，作為國家重要的文物和珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，古建筑受到國家的重點保護(hù)。我國的古代建筑多為木結(jié)構(gòu)或者內(nèi)部使用大量木材的建筑，被世界各國譽為三大建筑體系之一和唯一以木結(jié)構(gòu)為主的建筑體系。而木材的缺點在于它是一種生物材料，由各種纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有機物組成，長期使用的過程中，有害生物容易迅速繁殖，是木材發(fā)生腐朽蟲蛀，其物理力學(xué)性能降低，最終造成木結(jié)構(gòu)的損毀［1］。

木材無損檢測是一種新興的、綜合性的木材非破壞性檢測技術(shù)，可在不破壞木材及木質(zhì)復(fù)合材料本身形狀、原有結(jié)構(gòu)和動力狀態(tài)以及最終用途的前提下，對木材的缺陷和腐朽情況以及基本物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定［2］，因而在古建筑木結(jié)構(gòu)缺陷檢測方面具有重要的現(xiàn)實意義。相比傳統(tǒng)的檢測方法，無損檢測方法能夠在不破壞檢測對象原有特性的前提下進(jìn)行檢測，并且能夠連續(xù)的在短時間內(nèi)獲得檢測結(jié)果，這也是無損檢測方法最大的特點。

1 傳統(tǒng)檢測方法

1.1 目測法［3］

目測法是最古老也是最簡單的無損檢測方法，這種無損檢測方法至今仍在使用，對于判斷和驗證無損檢測結(jié)果有很大的幫助。利用這種方法對一些如破裂碎片、機械破壞、后期腐朽和嚴(yán)重的蟲蛀等情況進(jìn)行觀察判斷，根據(jù)檢測結(jié)果來確定檢測對象是否存在缺陷。

1.2 其他微損檢測法

一些微小損壞的檢測方法經(jīng)常與目測法和辨別聲音結(jié)合著應(yīng)用:

(1)通過辨別錘子敲擊檢測對象時發(fā)出的聲音判斷木構(gòu)件或原木是否存在空洞、裂紋、腐朽等缺陷。

(2)除去部分待檢測部位的樹皮，檢查其木材表面的硬度大小，根據(jù)檢測結(jié)果對該樹木的腐朽程度進(jìn)行初步判斷［3－4］。

(3)利用生長錐獲取木心來檢測其腐朽深度，很多類似的微損檢測法也可以為目測法提供信息幫助。

現(xiàn)階段針對我國木結(jié)構(gòu)古建筑的缺陷檢測，大多采用目測法或敲擊辨聲法來判斷木結(jié)構(gòu)中的空洞、裂紋、腐朽等缺陷。這些方法的檢測結(jié)果有時不夠準(zhǔn)確，過于依賴檢測人員的經(jīng)驗。

2 近年新發(fā)展的檢測方法

2.1 應(yīng)力波檢測方法

先將連接在顯示儀上的兩個鋼釘 (傳感器)垂直釘入木材或木質(zhì)構(gòu)件中 (相隔一段距離)，利用錘子輕輕撞擊其中一個鋼釘以獲得木結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力波，根據(jù)檢測到應(yīng)力波的傳播時間計算其傳播速度，判斷木結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在缺陷［5］。由于木構(gòu)件的交叉連接點會對應(yīng)力波產(chǎn)生阻滯從而使結(jié)果不準(zhǔn)確，所以該技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)的缺陷檢測中尚難應(yīng)用。

2.2 皮羅釘檢測方法

皮羅釘檢測法是一種檢測木質(zhì)材料表面腐朽狀況的工具，在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。其測定原理是利用之前設(shè)置好的能量把一根鋼針打入被測木材中，由于木材存在腐朽狀況，因而其表面木質(zhì)會有軟化現(xiàn)象，而且程度不一。根據(jù)鋼釘進(jìn)入木材的深度判斷被測木材表面硬度的下降程度，從而檢測和評估木材材質(zhì)表面的腐朽狀況，結(jié)果也比較可靠，但是這種檢測方法只能對木材表面的腐朽情況進(jìn)行判斷。在對木結(jié)構(gòu)古建筑勘察檢測時，通常會與其他檢測方法綜合應(yīng)用［6］。黃榮鳳、伍艷梅等人［7］利用皮羅釘檢測法故宮武英殿前殿維修時替換下來的柱、五架梁、單雙步梁爪柱等局部腐朽的舊木構(gòu)件進(jìn)行試驗。實驗結(jié)果顯示隨著木材腐朽程度的加深，木材密度降低，徑向、弦向打入深度顯著加大，各腐朽等級間差異極顯著。

2.3 超聲波檢測方法

用超聲波對古建筑作缺陷檢測的方法與用聲應(yīng)力波基本相同。其測定原理與應(yīng)力波檢測儀相似，不同點在于應(yīng)力波檢測法是利用敲擊鋼釘產(chǎn)生機械波，而超聲波檢測法是依靠其探測頭自己產(chǎn)生的超聲波來進(jìn)行檢測。根據(jù)不同的 (傳播時間、速度、頻率、能量峰值)超聲波參數(shù)，檢測木結(jié)構(gòu)便面的缺陷和結(jié)構(gòu)腐朽等。Tiitta等［8］采用貝葉斯(Bayes)理論，K－近鄰方法 (K-Nearest Neighbor)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 (Neural Network)三種方法分別對超聲波檢測腐朽進(jìn)行研究，并收集了腐朽材檢測中波速、衰減、波型、頻率四種信號，對采樣單一信號和多信號進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述三種方法都能較好地檢測腐朽情況。中國林業(yè)科學(xué)院研究所［9］已經(jīng)應(yīng)用過超聲波檢測法對大鐘寺博物館某鐘架結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗，檢測此鐘架是否存在空洞、腐朽、裂縫等缺陷，并與目測勘探結(jié)果對比，檢測結(jié)果比較準(zhǔn)確。

2.4 微鉆阻力檢測方法

微鉆阻力儀的測定原理是將一根長約45 cm的鉆頭，在通電情況下勻速加力打入木結(jié)構(gòu)內(nèi)部，另一端，與鉆頭連接的電池組會自動打印出記錄紙，記錄鉆頭進(jìn)入木材內(nèi)部的阻抗曲線 (一般是兩條)，其中阻力大小和被測木材的密度直接相關(guān)。根據(jù)得到的記錄結(jié)果判斷木材內(nèi)部具體位置的木材密度、缺陷等情況，為判斷木結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在空洞、裂紋、腐朽等缺陷提供可靠的科學(xué)依據(jù)。微鉆阻力儀是一種近似無損的檢測設(shè)備，在對古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行缺陷檢測時，在盡可能小的程度破壞古建筑的情況下快速獲得被測木結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷狀況。賀軍勝等人利用德國RINN TECH公司最新生產(chǎn)的木材阻抗圖波儀Resistograph 3450-P/S對北京故宮咸若館的金柱、檐柱、山柱和中柱等進(jìn)行勘測，然后根據(jù)木材阻力數(shù)據(jù)繪制出咸若館木結(jié)構(gòu)在不同高度上的腐朽狀況簡圖，并進(jìn)一步得出其結(jié)構(gòu)的腐朽現(xiàn)狀［10］。黃榮鳳、王曉歡［11］等人用微鉆阻力儀對故宮武英殿維修時替換下來的局部舊木構(gòu)件進(jìn)行了相關(guān)實驗。用目測法將試件劃分為未腐朽及4個腐朽等級，共5個等級，測定了試件的氣干密度、抗彎強度和順紋抗壓強度，并對抗彎強度試件進(jìn)行了阻力儀檢測，結(jié)果表明，隨著腐朽程度的加深，木材密度、抗彎強度、順紋抗壓強度及阻力儀檢測值均顯著降低，5個腐朽等級間差異顯著。與此同時，國外學(xué)者在他們發(fā)表的研究報告中也提到阻抗儀對腐朽、空洞及裂紋等缺陷較高的診斷能力和檢測可靠性［12－13］。

2.5 應(yīng)力波斷層成像法

應(yīng)力波斷層掃描儀主要由傳感器和計算系統(tǒng)組成。該儀器原主要用于樹木內(nèi)部缺陷的檢測，引進(jìn)后用于古建筑木結(jié)構(gòu)材質(zhì)狀況的勘查。其工作原理:通過敲擊安裝在被檢測木構(gòu)件上的傳感器，使之產(chǎn)生應(yīng)力波，根據(jù)應(yīng)力波的傳播速度，經(jīng)計算機處理，直接顯示木構(gòu)件內(nèi)部缺陷的圖像，用以判定木材內(nèi)部質(zhì)量［14］。應(yīng)力波斷層掃描儀是針對樹木設(shè)計的，由于樹木與古建筑木結(jié)構(gòu)的含水率不同，此技術(shù)還不能完美的應(yīng)用在古建筑木構(gòu)件缺陷檢測當(dāng)中。李華、劉秀英［14］等人以楠木立柱為實驗對象，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波斷層儀能清晰的檢測出立柱的缺陷圖形，與立柱實際缺陷形狀、位置相吻合。

在斷層成像儀器的使用當(dāng)中發(fā)現(xiàn)［15］，當(dāng)樹木心材的主要缺陷是腐朽時儀器往往會低估其缺陷程度，但是當(dāng)樹干中存在裂縫時，儀器會高估其腐朽的程度。這是斷層成像儀器目前存在的缺陷，而這一缺陷在古建筑木結(jié)構(gòu)缺陷檢測時可能也會造成檢測結(jié)果不真實的情況，這是檢測人員當(dāng)前急需解決的一個重要問題。

3 結(jié)束語

在古建筑木結(jié)構(gòu)缺陷檢測中，先進(jìn)的無 (微)損檢測技術(shù)已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的定性目測法和簡單敲擊法成為我國主要采用的技術(shù)手段。應(yīng)力波檢測、超聲波檢測、微鉆阻力檢測，三維斷層成像等技術(shù)在缺陷檢測中都較為常用，不過每種技術(shù)都存在一定的缺陷，這需要在今后的檢測當(dāng)中采用多種方法聯(lián)合檢測，提高檢測結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，讓無損檢測技術(shù)在古建筑缺陷檢測中得到更好的應(yīng)用。

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