基于應(yīng)力波和微鉆阻力的古建筑木構(gòu)件材料力學(xué)性能檢測1)

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) (美國農(nóng)業(yè)部林產(chǎn)品實驗室，美國麥迪遜市，WI 53726－2398)

中國是一個歷史悠久的文明古國，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)。目前我國多采用定性的目視鑒別與簡單敲擊的方法，這種操作方式雖簡便易行，但勘查結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度取決于人工經(jīng)驗，缺乏定量數(shù)據(jù)。

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

到目前為止，對比應(yīng)力波技術(shù)和微鉆阻力技術(shù)檢測古建筑木構(gòu)件材料力學(xué)性能的檢測效果，還沒有見到報道。筆者以落葉松古建筑木構(gòu)件材料為試驗對象，定量試驗對比應(yīng)力波技術(shù)與微鉆阻力技術(shù)對材料力學(xué)性能的檢測效果;并綜合兩種技術(shù)，探索較單個技術(shù)檢測精度更高的檢測方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用木材是從北京圓明園正覺寺鼓樓上拆下來的舊木材。北京圓明園正覺寺建成于乾隆三十八年(1773年)。4根木料分別編號為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(長度)，B的尺寸為240 mm(直徑)×3 200 mm(長度)，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)力波試驗和彎曲試驗試件:根據(jù)國標(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的無疵試件。

壓縮試驗試件:根據(jù)國標(biāo) GB/T 1935—2009［9］，在前面彎曲試驗后的每個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 試驗所用試件匯總

1.3 試驗方法

應(yīng)力波速度檢測:應(yīng)力波在試件中傳播速度使用匈牙利生產(chǎn)的FAKOPP應(yīng)力波測量儀(Microsecond Timer)檢測。測定時，先將應(yīng)力波測量儀的兩個探針插入試件兩端，探針與試件長度方向夾角為45°。第一次敲擊的傳播時間讀數(shù)無效，從第二次開始，連續(xù)測定3次所得傳播時間讀數(shù)的平均值作為該試件的測定結(jié)果。然后根據(jù)試件長度和應(yīng)力波傳播時間計算該試件的應(yīng)力波傳播速度。

微鉆阻力檢測:檢測儀器采用德國Rinntech公司開發(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，是代表微鉆過程中軸向阻力和扭矩阻力的綜合阻力值大小，與常見的力單位(N)或扭矩單位(Nm)沒有一一對應(yīng)關(guān)系。儀器利用微型鉆針在電動機(jī)驅(qū)動下，以恒定速率鉆入木材內(nèi)部產(chǎn)生的相對阻力，阻力的大小反映出密度的變化，通過微機(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 試驗步驟

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

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

③FAKOPP應(yīng)力波檢測儀測量應(yīng)力波時間T，計算出速度v。

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

⑤測量試件寬度和厚度，在萬能試驗機(jī)上做靜態(tài)彎曲試驗:得到抗彎彈性模量E、抗彎強(qiáng)度σb。

⑥每個試件各切割出一個20 mm×20 mm×30 mm的壓縮試件，測量寬度和厚度，在萬能試驗機(jī)上做壓縮試驗，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?？傮w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)性能可通過應(yīng)力波檢測方法測得，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)性能可通過微鉆阻力儀檢測方法測得，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)性能可通過應(yīng)力波檢測加微鉆阻力儀檢測方法測得，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，也就是說應(yīng)力波速度v、微鉆阻力值F、波阻模量ESR，每一個單一參數(shù)即可同時反映木構(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)力波檢測結(jié)合微鉆阻力儀檢測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)性能非破損檢測方法。從本研究試驗數(shù)據(jù)來看，應(yīng)力波檢測方法在推算木構(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方法;而在推算抗壓強(qiáng)度方面，則微鉆阻力檢測方法的準(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)性能非破損檢測方法。

［1］尚大軍，段新芳，楊中平.應(yīng)力波無損檢測技術(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.

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［5］段新芳，王平，周冠武，等.應(yīng)力波技術(shù)檢測古建筑木構(gòu)件殘余彈性模量的初步研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報，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結(jié)果的定量分析［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，29(6):167－171.

［7］中國林業(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)度試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［8］中國林業(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定方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［9］中國林業(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)度試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.