木结构古建筑现场无损检测技术

一、材料性能检测 

材料力学性能现场检测测区或取样位置应布置在构件无缺陷、无损伤且具有代表性的 部位，当构件存在缺陷、损伤或性能劣化现象时，检测报告应予以描述。

1.1 木材物理性能检测

 1.1.1 木材含水率 

每个样品距两端 200mm 处及中部设置测试部位，对于规格材或其他木构件，每个测 试部位的四个面中部测量；对于胶合木构件，应在构件两侧测定每层层板的含水率。

设备：FMC木材水分仪

1.1.2 木材密度

测量方法：微钻阻力仪检测法

选择木构件无缺陷的良好部位。对承重弯曲载荷的构件，宜选择产生拉应力ZD部位 或其中间部位下表面；对承受轴向载荷的构件，宜选择沿高度方向的不同部位。每个构件应 至少钻取 3 个测点，3 个测点不应位于同一横截面，沿构件木材横纹方向钻入，并垂直于构 件表面。

采用阻力仪检测法检测木材密度时，宜采用现场取样试验进行修正

圆形截面                                                       矩形截面

图一    典型截面阻力仪检测示意

ρ9 = 3.8536FX + 354.9

式中：Fx—含水率 x% 时的微钻阻力值（示值）； ρ9—含水率 9% 时的木材密度（kg/m3）

1.2 木材力学性能检测

1.2.1 木材抗弯强度和抗弯弹性模量

       木材受横向静力载荷作用时所产生的ZD弯曲应力为木材抗弯强度。木材受力弯曲时， 在比例极限内应力与应变之比，则为抗弯弹性模量。现场检测木材抗弯强度、抗弯弹性模量 可采用阻力仪和应力波检测法（木结构现场检测技术标准 JGJ/T488）. 测量方法： 1）微钻阻力检测法； 微钻阻力检测法检测木构件力学性能时，每个构件应至少钻取 3 个测点，取三者平均 值作为试件的阻力值，3 个测点不应位于同一横截面（图一）。 2）应力波检测法 应力波测量仪的两个探针应沿被测木构件长度方向插入其表层，记录两探针插入点间 距，两探针间距宜为 600mm，探针与试件长度方向夹角应为 30°—45°（图二）。

图二 构件纵向应力波检测示意

1—应力波检测仪；α—探针与试件长度方向夹角；L—测点距离

落叶松力学性能检测按下列公式计算：

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%时的应力波速度（km/s）;

F9—含水率9%时的微钻阻力值（示值）；

ρ9—含水率9%时的密度（kg/m3）；

Vx—含水率x%时的应力波速度（km/s）;

Fx—含水率x%时的微钻阻力值（示值）；

Ex—含水率9%时的抗弯弹性模量（Gpa）；

σb9—含水率9%时的抗弯强度（MPa）;

MCxv—含水率x%，适用含水率范围6%-16%

二、缺陷检测

木构件缺陷检测应分为裂缝、腐朽、虫蛀等项目。木构件缺陷等级按下表规定执行。

2.1 裂缝检测 

2.1.1 表面裂缝。 

表面裂缝宽度直接采用塞尺或直尺测量。 

2.1.2 内部裂缝。 

内部或隐蔽裂缝宽度宜采用阻力仪检测法。

2.2 腐朽检测

2.2.1 表面腐朽。

表面腐朽通过目测法判断，采用肉眼观察或尺规测量。

2.2.2 内部腐朽。

内部腐朽采用探针检测法、阻力仪检测法、应力波检测法、雷达波等非破坏性检测方法。

探针检测法：

用于表层0-40mm范围内的木材内部腐朽检测，同一木构件在腐朽和未腐朽部分分别进行探针检测，且检测方向应相同。腐朽程度检测分级按下表执行。

探针打入深度增加率按如下公式计算：（精确到0.1%）

Rp = (L1-L0)/L0* 100%

式中：Rp——探针打入深度增加率（%）；

L0——未腐朽部位的探针打入深度（mm）;

L1——腐朽部位的探针打入深度（mm）.

探针检测法——PILODYN皮罗钉木材检测仪

用来测量活树及木质构件，如电线杆、打桩和木梁等的木材强度及腐朽状况的有用工具。检测使用无损的方法，不会对测量对象造成大的破坏。

阻力仪检测法：

可用于0-500mm或0-1000mm范围内的深层腐朽检测，腐朽程度分级按下表规定执行：

根据腐朽部位的阻力平均值和未腐朽部位阻力平均值计算阻力值降低率。阻力值降低率按下式计算，精确到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。

阻力值曲线判别木材缺陷的参考方法：

区段分类	典型阻力值曲线	典型曲线特征分析
无缺陷区		曲线总体较为平稳、均匀并呈现连续的波峰-波谷现象，通常，波峰处木材密度较大，波谷处木材密度相对较小
腐朽虫蛀区		曲线中相对阻力值明显下降，但过渡期坡度较缓。相对阻力值下降越多说明该区段木材腐朽越严重
裂缝或空洞区		曲线中相对阻力值发生突降，曲线坡度非常陡，且相对阻力值接近于零，说明该区段为裂缝或空洞

应力波检测法：

用于构件全截面腐朽检测，木构件腐朽面积精确测量宜采用应力波断层成像与阻力仪结合的检测方法。

应力波检测方法：选择待测断面，记录断面详细尺寸、形状及位置。传感器均匀布置，相邻传感器间隔不应大于100mm，木构件直径或宽度不小于300mm时，传感器数量不宜少于10个。

图三 典型截面阻力仪检测示意

传感器布置完成后，逐个敲击传感器振动销，每个传感器敲击次数不少于5次。

主要木构件应在构件中部或勘察发现缺陷的周边位置进行延伸检测，有明显缺陷的区域，应在该区域增加检测次数，确定缺陷范围。

当采用应力波断层检测仪获取木构件断面的彩色图像时，图像的颜色直观显示木构件的健康状况，图像的颜色分布由波速值大小决定。蓝色—紫色—绿色—棕色—黑色表示波速由低值逐渐增大至高值。

图四 应力波扫描结果

应力波和阻力仪结合检测法：

应力波和阻力仪结合使用，对断面缺陷面积大小进行偏差修正。

使用应力波对断面检测成像后，使用阻力仪在木构件断面进行单路径缺陷长度修正，按照以下公式进行：

式中：Ai——应力波检测的缺陷面积（mm2）；

Ar——阻力仪修正的缺陷面积（mm2）；

Lr1——单路径（第1条路径）上阻力仪检测缺陷长度（mm）;

Lr2——单路径（第2条路径）上阻力仪检测缺陷长度（mm）;

Li1——第1条路径上对应的应力波检测缺陷长度（mm）；

Li2——第2条路径上对应的应力波检测缺陷长度（mm）；

三、虫蛀检测

虫蛀检测包含两部分内容：

一是检测构件内部是否存在虫蛀孔，如果仅有虫蛀孔洞，而没有白蚁活动迹象，则虫蛀空洞实际上是缺陷的一种形式，对木构件及结构的影响主要体现在截面面积的缺损，参考缺陷检测方法。

二是寻找木构件中是否存在白蚁活体并确定其活动区域，如果存在白蚁活体活动迹象，则有可能对构件及建筑主体结构造成不可估量的危害，必须进行全面检测和治理，可通过温度、湿度、雷达等多种形式进行白蚁活体探测。

白蚁检测

T3i白蚁探测仪可快速探测、确认和追踪白蚁的存在及活动轨迹。T3i白蚁探测仪整合白蚁雷达传感器、远程激光热度传感器和湿度传感器于一体，通过三种测量功能对白蚁进行探测、追踪和定位。

四、检测仪器方案

4.1 微钻阻力技术

在电动机驱动下，仪器的微型钻针以恒定速度钻入木构件内部，产生相对阻力，阻力的大小反应出木质密度的变化，已有很多实验证实木质密度和微钻阻力之间有显著的统计学上线性关系，微钻阻力越大，则密度越大，表示木构件结构完整，否则，木质有损伤；微机系统采集钻针在木质中产生的阻力参数，在软件上将数据可视化显示。微型钻针直径1.5mm，长度从300mm 至1000mm 不等，适合各种尺寸构件。

IML-PD系列针测仪

    PD 系列针测仪采用两种阻力记录模式测量，有效避免测量高密度树种时的误差。高密度木构件可能即使内部木质受损，其残存的木质仍具有较大的步进阻力，但其旋转阻力会减小。可对木质内部的裂缝、腐朽、虫蛀进行判断。

RESISTOGRAPH R系列针测仪

   R 系列针测仪通过探针钻入木材记录旋转阻抗，通过蓝牙打印机 1：1 实时显示测量 结果，测量过程中根据木材状态自动调整钻头速度，无需人工干预，极大提高木质裂缝、腐 朽、虫蛀检测的效率和准确性。

4.2 应力波无损检测技术

Picus 3应力波断层画像诊断仪

无损检测因虫害或者自然衰退导致木构件木质腐烂情况，测量时将传感器固定在预检测的断层上，使用专业设计的电子锤敲击每个检测点，应力波在木构件内部传播，如果构件内部的介质不同，应力波传播的速度就不同，比如在实木中传播快，受损木质或空洞中传播慢，进而可以判断木构件内部的健康状况，检测结果可视化显示。

断面上每个位置的应力波传播速度都有数据，结合上文中的公式，获取木构件的密度(kg/m3)、抗弯强度（Gpa）、抗弯弹性模量(Mpa)等参数；结果以不同颜色表示木构件的缺陷情况，如裂缝、腐朽。

五、案例分享

5.1“平湖秋月”御书楼检测

 检测方法：

1）Resistograph 微钻阻力仪检测

2）picus 3应力波断层画像诊断仪检测

检测小组利用微钻阻力仪对木构件的腐朽、虫蛀等缺陷进行检测，

涉及到柱、梁等构件。检测时一根直径约1.5mm的钻针进入木构件内部。

检测小组利用Picus 3应力波树木断层画像诊断仪检测楼内其他柱，根据应力波的传播速度以及含水率，计算出柱子构件的弹性模量以及力学性能，对建筑内木构件的质量做出评判。

御书楼内该柱自应力波速在3768-4522之间，计算出柱子构件的平均弹性模量为6385.

5.2 故宫立柱缺陷检测

检测人员使用PD 500针测仪分别在不同高度处

对立柱构件内做缺陷检测，

获取肉眼无法看到的内部，弥补认为判断的缺陷；

如下为检测结果，图中红色区域阻力值很小，木柱内存在缺陷。

先进的木质无损检测技术用于古建筑木构件检测，弥补人为判断的缺陷，对于材料内部隐蔽部位可以通过数据科学的判断，并且通过数据、图表较好的反应被测物体内部的强度变化，腐朽、虫蛀等残损情况。科学对木材保存现状进行评估，为后期修缮工作提供重要的基础性数据支撑和评判依据。