基于應力波和微鉆阻力的古建筑木構件材料力學性能檢測1)

朱 磊 張厚江 孫燕良 閆海成 王喜平

(北京林業大學，北京，100083) (美國農業部林產品實驗室，美國麥迪遜市，WI 53726－2398)

中國是一個歷史悠久的文明古國，存有大量的木結構古建筑。這些木結構古建筑是我國重要的文物和珍貴的歷史文化遺產。在日常維護工作中，木構件材質狀況勘察以及木構件安全性能分析是必不可少的重要環節。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，但勘查結果的準確性很大程度取決于人工經驗，缺乏定量數據。

隨著木材無損檢測技術的研究和發展，包括應力波檢測、超聲波檢測、微鉆阻力檢測等無損檢測技術已逐漸應用于古建筑木構件的檢測和評估。國內外在檢測木構件內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檢測方法的弊端，能用具體數據直觀說明評價古建筑木構件的材質狀況，尤其是內部缺陷狀況。對古建筑木構件材料力學性能檢測方面，段新芳等人［5］對應力波技術檢測古建筑木構件殘余彈性模量進行了初步研究，黃榮鳳等人［6］對微鉆阻力技術檢測古建筑木材腐朽后的力學性能進行了試驗研究。

到目前為止，對比應力波技術和微鉆阻力技術檢測古建筑木構件材料力學性能的檢測效果，還沒有見到報道。筆者以落葉松古建筑木構件材料為試驗對象，定量試驗對比應力波技術與微鉆阻力技術對材料力學性能的檢測效果;并綜合兩種技術，探索較單個技術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。經材種鑒定，4根木料均為落葉松。

1.2 試件

應力波試驗和彎曲試驗試件:根據國標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:根據國標 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

應力波速度檢測:應力波在試件中傳播速度使用匈牙利生產的FAKOPP應力波測量儀(Microsecond Timer)檢測。測定時，先將應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無效，從第二次開始，連續測定3次所得傳播時間讀數的平均值作為該試件的測定結果。然后根據試件長度和應力波傳播時間計算該試件的應力波傳播速度。

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)沒有一一對應關系。儀器利用微型鉆針在電動機驅動下，以恒定速率鉆入木材內部產生的相對阻力，阻力的大小反映出密度的變化，通過微機系統采集鉆針在木材中產生的阻力參數并計算后，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標記每個試件，例如A1、B6、C11、D22。標記確定了試件的寬度、厚度、靜態彎曲試驗時試件的正反向。

③FAKOPP應力波檢測儀測量應力波時間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，在萬能試驗機上做靜態彎曲試驗:得到抗彎彈性模量E、抗彎強度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，在萬能試驗機上做壓縮試驗，得到抗壓強度σc。

⑦用Excel處理、分析數據:數據包括參數A(應力波速度v、微鉆阻力值F)、參數B(抗彎彈性模量E、抗彎強度σb、抗彎強度σb)。將參數A與參數B作線性擬合，得到線性關系。具體包括:v－E關系、v－σb關系、v－σc關系;F－E關系、F－σb關系、F－σc關系。此外還分析了Fv2－E關系，Fv2－σb關系，Fv2－σc關系。

2 結果與分析

2.1 應力波速度與力學性能間的關系

由圖1可知應力波速度v與抗彎彈性模量之間的關系為:E=2.089 4v+1.183 6，相關系數r=0.64。由圖2 可知應力波速度v與抗彎強度之間的關系為:σb=8.560 7v+40.087，相關系數r=0.38。由圖3可知應力波速度v與抗壓強度之間的關系為:σc=5.834 3v+33.776，相關系數r=0.43。總體上，應力波速度v與各力學性能之間相關關系一般。理論上，木構件力學性能可通過應力波檢測方法測得，但準確度不是很理想。

2.2 微鉆阻力值與力學性能間的關系

由圖4可知微鉆阻力值F與抗彎彈性模量之間的關系為:E=0.042F+8.792 2，相關系數r=0.38。由圖 5 可知微鉆阻力值F與抗彎強度之間的關系為:σb=0.304 8F+65.432，相關系數r=0.36。由圖6可知微鉆阻力值F與抗壓強度之間的關系為:σc=0.255F+48.975，相關系數r=0.49。總體上，微鉆阻力值F與各力學性能之間相關關系一般。理論上，木構件力學性能可通過微鉆阻力儀檢測方法測得，但準確度不是很理想。

圖1 應力波速度v與抗彎彈性模量之間的關系

圖2 應力波速度v與抗彎強度之間的關系

圖3 應力波速度v與抗壓強度之間的關系

圖4 微鉆阻力值F與抗彎彈性模量之間的關系

圖5 微鉆阻力值F與抗彎強度之間的關系

圖6 微鉆阻力值F與抗壓強度之間的關系

2.3 波阻模量與材料力學性能間的關系

根據彈性模量經驗公式:E=ρv2，其中ρ為密度，v為應力波速度，本研究嘗試用微鉆阻力值(F)和應力波速度(v)平方值的乘積Fv2來推算古建筑木構件力學性能，現將Fv2定義成應力波—微鉆阻力模量，以下統稱為波阻模量，記作ESR。圖7、圖8、圖9所示是波阻模量ESR與各力學性能之間的推算關系。

圖7 波阻模量ESR與抗彎彈性模量之間的關系

圖8 波阻模量ESR與抗彎強度之間的關系

圖9 波阻模量ESR與抗壓強度之間的關系

由圖7可知波阻模ESR與抗彎彈性模量之間的關系為:E=0.003 8Fv2+7.179 1，相關系數r=0.71。由圖 8 可知波阻模量ESR與抗彎強度之間的關系為:σb=0.020 2Fv2+60.569，相關系數r=0.55。由圖9可知波阻模量ESR與抗壓強度之間的關系為:σc=0.015 5Fv2+46.156，相關系數r=0.69。總體上，波阻模量ESR與各力學性能之間相關關系比較好。木構件力學性能可通過應力波檢測加微鉆阻力儀檢測方法測得，且準確度較理想。

從表2方差分析結果可以看出，參數A(應力波速度v、微鉆阻力值F及波阻模量ESR)與參數B(抗彎彈性模量E、抗彎強度σb、抗彎強度σb)均存在極其顯著的線性相關關系，也就是說應力波速度v、微鉆阻力值F、波阻模量ESR，每一個單一參數即可同時反映木構件材料各力學性能的變化，即3種方法都可作為古建筑木構件材料非破損檢測方法。又由表2可知應力波速度v、微鉆阻力值F與抗彎彈性模量的相關系數分別是0.64、0.38，而波阻模量ESR與抗彎彈性模量的相關系數為0.71;應力波速度v、微鉆阻力值F與抗彎強度的相關系數分別是0.38、0.36，而波阻模量ESR與抗彎強度的相關系數為0.55;應力波速度v、微鉆阻力值F與抗壓強度的相關系數分別是0.43、0.49，而波阻模量ESR與抗彎彈性模量的相關系數為0.69。不難看出結合了應力波速度v和微鉆阻力值F的波阻模量ESR與各力學性能之間相關關系更好，它比單一參數推算古建筑木構件力學性能有著更高的準確度。所以應力波檢測結合微鉆阻力儀檢測方法可以作為一種同樣便捷、適用、準備度更高的木構件材料力學性能檢測方法。

表2 3種方法回歸方程公式參數

3 結論與討論

應力波、微鉆阻力檢測兩種方法推算木構件材料力學性能都有一定的準確度，分別可作為古建筑木構件力學性能非破損檢測方法。從本研究試驗數據來看，應力波檢測方法在推算木構件材料抗彎彈性模量、抗彎強度方面的準確度要略高于微鉆阻力檢測方法;而在推算抗壓強度方面，則微鉆阻力檢測方法的準確度略高。

結合了應力波和微鉆阻力兩種方法的波阻模量檢測方法推算木構件力學性能有比單一方法更高的準確度，它是本研究所要尋找的一種便捷、適用、準確度更高的十分理想的古建筑木構件材料力學性能非破損檢測方法。

［1］尚大軍，段新芳，楊中平.應力波無損檢測技術及其在木結構古建筑保護中的應用［J］.世界林業研究，2008，44(1):1－3.

［2］Perllerin R F，Ross Robert J.Nondestructive evaluation of wood［M］.Madison:USDA Forest Products Society，2002.

［3］Ross Robert J，Brashaw Brian K，Wang Xiping，et al.Wood and timber condition assessment manual［M］.Madison:USDA Forest Products Society，2004.

［4］Frank Rinn.Resistographic inspection of construction timber，poles and trees［J］.Pacific Timber Engineering Conference，1994(2):468－478.

［5］段新芳，王平，周冠武，等.應力波技術檢測古建筑木構件殘余彈性模量的初步研究［J］.西北林學院學報，2007，22(1):112－114.

［6］黃榮鳳，王曉歡，劉秀英.古建筑木材內部腐朽狀況阻力儀檢測結果的定量分析［J］.北京林業大學學報，2007，29(6):167－171.

［7］中國林業科學研究院木材工業研究所.GB/T 1936.1—2009木材抗彎強度試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［8］中國林業科學研究院木材工業研究所.GB/T 1936.2—2009木材抗彎彈性模量測定方法［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［9］中國林業科學研究院木材工業研究所.GB/T 1935—2009 木材順紋抗壓強度試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，2009.