阻力仪与应力波的应用和保护技术

无损检测

    木材属于世界四大建筑材料之一（砌块、石材、木材、钢混）。相对来说，它具有取材、加工方便的优势。一般建筑的取材遵循就近取材原则。

    目前，针对古建筑木构件的检测大多仍然停留在传统的目测阶段，但无损检测新技术也已经开始应用。

    其中木质针测阻力仪与应力波断层扫描仪技术常被用于古建筑保存状态的检测。

PART I  存在问题

    中国木结构建筑大量使用了木材为基础的建造材料，其建筑特点是：

    以木材作为房屋的主要承重构架，在地基上起立柱，与柱网之上逐层架设横向梁枋，再于梁枋之上铺设屋架，从而形成整个承重体系。

    这些起结构作用的木头称之为大木，另有门、窗起围护作用的木头称之为小木。

中国传统古建筑木结构图示

    在江浙地区，木构件建筑所使用的木材，主要树种为楠木、柏木、栗木和杉木，另外还会使用香樟、榉木等等。

    木材的自身生物特性使得其为各向异性材料，即其性能在不同方向上具有不同的数值，带有天生的力学缺陷。

    同时，木结构建筑易遭受虫蛀伤害，在自然环境下发生变形、糟朽。

    这种由于木构件材质变化而引起的物理力学性能衰减，使得木构架建筑在日常使用中，容易产生不易察觉的损伤，而最终致使建筑整体破坏。

屋面破损之后的木屋架

PART II  常规检测方法

    目前，针对古建筑木构件的检测仍然停留在传统的目测阶段，通过对木构件的视觉观察与敲击，听取声音的方式，人工判断毁损状况，具有较大依靠检测人员的经验，以及不精确的问题。

    《GB50165-92古建筑木结构维护与加固技术规范》是迄今为止，惟一一部涉及到古建筑木结构勘察检测、评估鉴定、维修加固及工程验收全过程的技术规范。该规范1992年颁布，时间较早，并且关于检测的内容较多的只涉及到定性层面，而缺乏对木构病害做出精准定量化的标准。

规范中关于检测的部分内容

PART III  新技术应用

    目前，木质针测阻力仪与应力波断层扫描仪技术，已经被应用到古建筑的木结构保存状态的检测上来。

    这两样仪器早先被发明，用于对活力木的健康状况进行调查。

    像其他无损/微损检测技术一样，科学家慢慢发现此项技术也能够对木结构建筑的木材质量做出保存现状的评判。

阻力仪对活力木进行健康状态检测

    阻力仪的技术原理为：

    仪器前端接触被测物，将一根直径为3mm的金属探针以匀速的方式钻入被测物，仪器记录路径上所遭遇的阻力变化曲线，用于探知被测物内部的密度变化，可对木材内部的裂缝、腐朽、虫蛀进行判断。

    应力波仪的技术原理为：

    依据应力波射线的原理，利用发射、接受系统，在被测对象的一端发射，同时在另一端接受。通过多路径、多角度地扫描被测物，然后利用计算机反演成像技术，呈现被测物内部应力波波速变化，进而对被测物做出质量评价。

应力波仪对活力木进行健康状态检测

PART Ⅳ  研究现状

    西方国家在无损检测领域应用较早，技术发展较为成熟，但研究重心多倾向于近代建筑，检测对象不管是从结构形式上还是材料上，都与中国传统的木结构建筑有较大区别。

国外无损检测应用

    在我国，无损检测技术也经历了从检测活力木和木材产品，逐步发展到应用于木结构建筑的检测勘察上这样的一个过程。

    近年来的一些实验、应用结果表明：阻力仪与应力波仪能够有效检测古建筑木构件虫害、腐朽、裂隙的等病害。

阻力仪与应力波仪对故宫木柱进行保存现状检测

    将阻力仪与应力波仪结合使用，可以将双方优势进行互补，克服应力波仪对腐朽、空洞、裂缝等缺陷区分不够精确的缺点，以及阻力仪数据覆盖面窄的不足。

通过互补，可更快捷、准确地判定一定区域面积内的缺陷，避免对材料的浪费和木构件的破坏。

两项技术实验结果对比综合分析，有助于提高检测精确度

    两项设备被开发用于对活力木的健康状况评估应用，而木构件与活力木存在一定的区别，将技术应用到木构件的健康状况检测中，需注意以下不同的影响因素：

§  树种

    不同树种的内部密度结构有着较大的差异。因此，对应的阻力值和应力波波速也各不相同。对于不同的树种木材不可采取相同的参数评判标准。

§  含水率

    含水率同样对两项检测技术的数值结果产生较大影响，相对于活力木来说，木构件的木材属于气干材质，含水率较低。另外，由于所处的具体环境不一样，也会存在着不同的含水率。因此在对比数据时，需考虑到含水率的因素。

§  年代

    各项研究表示，木材年代对检测结果的影响不显著。

PART Ⅴ  存在问题

    当前，较多的试验表明：阻力仪与应力波仪对古建筑木构件可完成较为准确的定性检测，但对于定量检测，以及在检测广泛的树种木材适宜性方面，仍旧缺乏相关深入的研究，以至于针对古建筑木构件内部缺陷及力学性能的检测成果至今仍然缺乏广泛认可。

PART Ⅵ  试验

试验1—上海交大梧桐树

    我们分别对活力木与建筑中的木构件进行了试验，以验证技术的效能。

    试验对象1为上海交大体育场边一棵梧桐树，直径约为45cm，目测有严重的虫蛀现象。

    测试同时使用了两种技术，检测高度分别为1100、1500 mm。

    检测点位平均布置在东南西北4个方向。

    检测结果证明：两种仪器能够很好地检测对象内部健康状况，应力波仪能区分出大致的腐朽部位，而阻力仪能够细致地区分不同的病害类型。

被测梧桐树及检测结果

试验2—上海交大北四楼

    试验对象2为上海交大北四楼内木构件，包含木门框、木地板、木柱。由于现场条件限制，只使用了阻力仪。

    结果显示：阻力仪能够对较薄厚度的木构件进行检测，结果直观、清晰地展示了被测物内部密度变化形态。

北四楼被测对象（木门框、木地板、木柱）

现场木地板检测；健康与不健康结果对比

现场木柱检测；结果呈现较为均匀的密度分布，整体强度较高

木楼梯现场测试；结果呈现为规律的自然木材早晚材密度高低变化，整体分布平均，无较低失力处，健康状况良好

木门框现场测试；健康与不健康门框结果对比

    通过测试发现，该技术用于古建筑木构件时，具有检测效果好与效率高的优势，数据结果能够直观、较好地反应被测物体内部的强度变化，从而得知保存状况，并且能够立即在现场获取检测结果。

    同时技术应用于木构件的缺点为具有一定的破坏性，检测过程中会对被测对象产生轻微的破坏作用。另外对被测对象的形状也有一定的要求，需钻透被测物，因此要正反面无遮挡。

    目前，国内古建筑勘察除了目测法等较为传统的方法，并无更科学的方法，而阻力仪与应力波仪很好地填补了空缺，能够科学地对木材保存现状进行评估，因此具有广阔的应用前景。

    但检测数据取决于木材使用树种以及含水率，因此，检测结果根据不同的环境会出现较大的变量，检测准确度还需通过大量的实践来验证、提高。

PART Ⅶ  发展趋势

    通过对目前技术应用的现状研究发现：

    目前，针对古建筑木构件的调查，仍然存在着较大的不足，将来的发展趋势有以下几点：

§  通过综合优化多种检测设备和数据采集的技术方法，以提高检测数据精度和有效性。

§  由单一构件的残损信息检测，向包含了全面整体的木构架形态信息检测方向发展。

§  检测仪器趋向小型化，以更好地适应于古建现场应用。

    摘自上海交大建筑遗产保护中心网