古建筑木构件材质性能与残损检测关键技术研究

发布时间：2018-11-21 08:30

【摘要】：木结构建筑是中国古代建筑的主体。由于木材的生物质特性和长期暴露于自然环境中的现状,使得古建筑中的木构件在使用过程中,会面临材质性能降低和内部残损等风险。这些风险不仅会对古建筑的整体结构安全性构成隐患,而且还会使大量携带有原真历史信息的标本性构件快速消逝。因此,通过适宜合理的检测勘查技术手段,尽可能真实准确地获取古建筑木构件的材质性能信息和残损信息,对评判其安全健康状况、实施预防性保护、进行科学合理修缮、构建保护信息数据平台等,都至关重要且十分迫切。在分析论述以上现状及目前国内外相关研究成果的基础上,以古建筑中拆卸下的旧木构件为主要研究对象,通过试验的方法,着重开展基于无损检测技术的,针对木构件材质性能与内部残损的,适宜性的检测技术流程和数据统计方法研究。首先,从宏观—中观—微观三个层面,即对木结构古建筑发展历程的研究(宏观层面)、对结构用木材特性的研究(中观层面)和对古建筑木构件残损类型及成因的研究(微观层面),分别探讨了中国木结构古建筑及其组成构件的相关基础理论知识。研究内容主要包括中国木结构古建筑的发展历程、组成部分,木构件受力特点及材料要求,结构用木材的特性及中国木结构古建筑常用的木材树种勘查,影响木构件耐久性的若干因素,以及木构件常见的残损缺陷形态等。从而对研究的对象进行了深入的剖析。进而,列举介绍了几种主要应用于木材的无损检测技术的工作原理及其主要设备类型,并通过设备优选试验,结合木材特性及现场检测要求,确定了以应力波检测技术和微钻阻力检测技术相结合的主要研究手段。本文的主体试验通过两部分试验模型设计,分别研究了对古建筑木构件的材质性能和内部残损的检测技术方法:1)通过对清材试件分别进行无损检测和传统力学试验的方法,建立了无损检测数据对木材主要材质性能(木材密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度)之间的关联特征关系模型,并尝试运用不同的数据统计方法(线性回归模型、信息扩散模型)进行预测,以考察其预测的可行性和精度。在此基础上,研究了不同条件(木材年代、木材含水率、钻针速率)对无损检测数据的影响规律,分别建立换算关系,以应对不同条件下的现场检测需求。2)通过逆向模拟试验的方法,在旧木构件的截面中心位置分别人工挖凿不同面积比例的截面贯穿型孔洞和筛状孔洞,以模拟现实中空洞和腐朽的残损形态,对其进行应力波检测,考察应力波二维图像对其分别的识别精度,并对比真实挖凿面积和应力波检测面积,建立了二者的函数关系。进而,基于对应力波不同传播路径波速衰减规律的分析,尝试运用马氏(Mahalanobis)距离判别模型,对截面孔洞的面积比例进行判别。基于微钻阻力交叉进针的方法,通过对阻力曲线衰减段的分析计算,对应力波检测出的内部孔洞面积进行精确化修正。最后,基于试验的研究成果,并结合现场检测工作的实际情况,建立了木结构古建筑现场检测技术流程,包括检测范围和内容、抽样方法、检测手段的确定,以及具体的现场操作流程,并以天坛长廊的检测工作为例详细介绍之。针对保护工作中数据的应用现状,开发架构了一套古建筑保护数字化信息平台系统,实现了古建筑信息数据(包括检测数据)的网络化应用;针对现场检测中遇见的操作难题,研发了一种专门用于微钻阻力仪现场检测的支架装置,尝试解决了测量误差较大、人力持举疲劳和无法有效固定的问题。
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【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU366.2;TU317
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本文编号：2346441