古建筑结构健康检测技术研究

古建筑结构健康检测技术研究摘要：现如今古建筑受损严重，随着古建筑保护越来越受到人们的重视，无损检测技术的发展迫在眉睫。本文首先介绍了古建筑保护的重要意义以及其保护现状，然后总结了古建筑基本结构常见的残损形式以及修复措施。最后对用于木构古建筑和砌体古建筑的无损检测技术,其中包括超CT检测、应力波检测、微钻阻力仪、雷达探测、X-射线衍射,就其原理、特点以及适用范围进行了说明与分类对比。文章从古建筑保护的目的和实际意义出发，为今后古建筑结构损伤研究与检测技术的选用奠定了理论基础。关键词：古建筑结构；常见病害；无损检测技术1.引言中国古建筑是中国古代劳动人民智慧与劳动的结晶，它不仅代表着我国的建筑文化，更是中华文明的精神载体和文化依附，在经济、文化、科技方面都具有这重要的价值[1]。我国古建筑的结构材料多以砖木为主，随着时间的推移，由于自然老化作用（风化、雨水侵蚀、火灾及白蚁等生物的虫害蛀蚀），风化后的石砖结构变脆失去强度，甚至会产生砖体剥落；而腐蚀后的木材使结构承载能力大大下降。这些材料的自然损伤会对整体结构的受力产生不同程度的影响。再则，古建筑会长期的饱受战争、自然灾害、城市建设等各种因素的影响，导致很多现存古建筑在材料性能方面出现了不同程度的劣化，例如古建筑地基下沉和构件破裂等致使部分古建筑面临着损坏或损伤积累的问题，从而降低结构的性能甚至完全使结构破坏[2]。因此，现存古建筑结构一般存在地基缺陷、抗震性差、整体强度下降、内部损伤破坏等问题，在制定加固方案前需采取合适的检测手段分析判断存在的损伤，以及问题的严重程度。由于古建筑具有巨大的文物价值，为了尽可能不破坏其结构特征，通常会采用无损检测技术来进行健康检测。因此，越来越多无损检测技术的研究投入到古建筑结构检测的领域之中。古建筑基本结构以及常见残损类型2.1台基台基是一个高出地面用来作为建筑物底座的台子。台基的四面由砖石砌筑，或围有栏杆，内部为夯土，表面由砖石铺砌，形状大多为方形或圆形。其功能不仅是作为建筑物的台座，同时具有防腐、防潮的功能。台基的残损类型常见的有基石破裂、松动甚至缺失脱落等，如图1所示。通常会采用与原台基材料相近或一致的材料进行修补，修补后仍无法达到强度的需要重新整块更换材料，随后采取整体做新或者做旧的办法进行处理。图1台基风化后的剥落、缺失以及破损2.2柱础与柱柱础是中国古建筑柱子下垫的石墩，可分为地下和地上两部分，传递荷载是其主要作用，同时可防止地下潮气对柱脚的侵蚀。一般情况所说的柱础，多指位于地上的那部分。历史上，柱脚经历了从深埋到浅埋再到平摆浮置于柱础之上的逐渐转变。原因是：一方面，木材露明可以减少或防止地下潮气侵蚀；另一方面，如果柱脚深埋嵌固，在水平荷载作用下柱子下部靠近地面处会产生较大的弯矩和剪力，从而使水平荷载更多的传递到建筑上部，使柱架各节点处产生较大的内力，对结构不利[3]。古建筑的柱则是作为主要的受力部件，支于柱础之上，承受整个屋顶的重量。相比以石材料的柱础，木材料的柱更容易受损，柱的受损往往为破裂、糟朽和虫蛀，如图2所示。对于受损较轻的柱体可以采用相同或相似材料修补，受损严重的可能需要更换柱体，不方便更换的则添加辅柱，还会利用化学方法防虫防腐。图2柱体破裂、糟朽以及虫蛀图片2.3墙壁墙壁在古建筑中主要起维护作用。墙体的损坏通常为潮湿和风化后的墙体酥碱剥落、鼓胀或破损开裂等，如图3所示。对于墙体破损、剥落方面，通常采取合适的材料进行剔补；对于墙体鼓胀可采取局部或整体拆除重砌；有时也有墙体倾斜的现象，这时会用高强度材料进行支护。（a）开裂（b）酥碱剥落与破损图3墙体的开裂与剥落、破损2.4梁架中国木结构古建筑以木构架为主要支撑体系，最常见的形式有抬梁式、穿斗式以及混合式三种，此外还有井干式等。梁架类木构件最常发生的损坏莫过于腐朽、过度变形或者折断，如图4所示。对于局部腐朽的梁架类构件，可以采用剔补的方式将腐朽部位剔去，再补上镶料。对于轻微折断可以采用铁件配合螺栓等连接材料进行固定。腐蚀或折断的情况较为严重以致影响到结构受力时，一般就需要更换材料了[4]。（a）变形与开裂（b）糟朽图4梁架类木构件受损图2.5斗栱斗栱是中国木构架建筑结构的一个关键性部件。斗拱的典型残损问题包括开裂、松动、缺失、糟朽、变形等，其常见受损如图5所示。对于斗拱零件轻微开裂、松动，通常可用药剂粘接，严重则配合铁件加固连接；若斗拱糟朽、缺失或破损，通常采用局部剔补和替换，严重则采取整体替换；就腐朽现象，通常涂刷化学防腐药剂防止木材腐烂与朽化[5]（a）斗拱开裂（b）斗拱错位闪歪（c）斗拱糟朽（d）后檐隔架斗拱缺失图5斗拱受损图片2.6屋顶中国古建筑“大屋顶”作为古建筑最突出的外形特征，不仅结构优美且具有非常大的重量。一方面，大质量的屋盖为梁架中构件间的榫卯连接方式提供了较大的压力，使得构件间的摩擦力及阻尼大大增强；另一方面，纵横向较大的刚度为柱架的顶部提供了约束，使柱架的稳定性和整体性也大大提升[6]。屋顶除了漏雨问题的整修，经常还需对屋顶外形边角进行整修，包括檐头整修、瓦件、脊件添补加固、屋脊整修等。主要是为了防止雨水渗入屋内，使木构架受潮腐烂，影响其受力性能。屋顶受损如图6所示，（a）檐口变形糟朽，勾头滴水破损严重（b）屋顶破损漏雨图6屋顶受损2.7卯榫卯榫本身不是整体结构，榫头和卯口之间有间隙，受力时各构件之间会产生相互滑动和错动。榫卯连接具有明显的半刚性特征，既能抵抗一定的弯矩，又能承受一定的水平作用力并产生水平位移，由于具有特殊的结构，水平荷载作用下榫卯节点处会同时受到弯矩、剪力及轴向力的复合作用。这种纯木半刚性结构在受力后会合理变形从而承受较大的载荷，榫头与卯口的摩擦及挤压变形也能在古建筑受到地震时够耗散一定的地震能量。卯榫常见的问题有榫头和卯口的变形、糟朽、开裂以及拔榫、原有加固件失效等，损坏多由外力作用、材料老化和木材材性缺陷引起的，这些损坏会影响到榫卯结构的受力，严重则会使结构完全丧失支撑和连接的功能。对于这些问题，通常采用铁件的加固或做辅件支撑来增加结构的强度，其损害图如图7所示[7]。（a）拔榫（b）榫头歪闪变形（c）榫头糟朽（d）榫头裂开（e）加固件松动图7榫卯常见损坏图古建筑结构健康检测技术无损检测是在对检测对象内部和外观结构及性能不造成破坏的前提下，利用材料的不同物理和化学性质，对目标物体相关特性(如形状、位移、应力、光学特性、流体性质、力学性质等)进行有效的测试与检验。无损检测技术不仅克服了传统检测技术对结构造成损伤的弊端，并能将古建筑木构件的材质状况尤其是内部缺陷状况用具体数据直观评价。3.1皮罗钉检测技术皮罗钉检测技术是一种用于检测木材表面腐朽状况的检测技术[8]~[10]。其原理通过向木材表面以固定力度射入钢钉，根据射入的深度来判断木材的腐朽程度。射入深度与木材的硬度、密度有关，入射深度越大，则表面腐朽程度愈高。黄荣凤、伍艳梅[11]等人利用皮罗钉检测法对故宫武英殿前殿修复后替换下的木构件进行过腐朽程度的试验。它能有效的检测木材表面0-40mm范围内的表面腐蚀状况，但其局限于某一点腐朽程度的定性判断，不能作为一种定量的检测手段，可以作为一种判断腐朽部位的辅助检测手段。3.2微钻阻力检测技术微钻阻力仪以恒定速率将微型钻针钻入木材内部，过程中记录下钻针所受阻力的大小并以阻力曲线图像的形式呈现出来。阻力大小与材料的密度、硬度有关，相比发生腐朽的部位，健康部位的阻力要更大，故可以根据阻力曲线的下降趋势及波动幅度来判断木构件受损位置以及受损程度[12]。德国FrankRinn[13]~[15]利用微钻阻力仪对不同木材进行过健康检测，通过形成的微钻阻力曲线判断其各部位腐朽程度。黄荣凤，王晓欢[16]等人利用微钻阻力仪对故宫维修换下的旧木进行过相关试验，测得了气干密度、抗弯强度和顺纹抗压强度与微钻阻力值的关系，实现了木结构腐朽程度检测的定量分析。微钻阻力仪对腐朽、空洞、裂纹等缺陷的检测有较高的准确性，能精准反应内部残损信息并定位残损位置。但其只能反应一条直线上的木构件健康状况，不能准确得到一个截面的健康状况，故需要在多个位置设置探针才能提高检测的可靠性，这会对木结构造成轻微损伤[17]。3.3应力波检测技术应力波检测的基本原理是通过敲击作用(机械作用)在木材内部产生应力波(机械波)，然后通过特定的设备和装置测定应力波传播速度。由于木材的腐朽和内部缺陷会影响应力波在木材中的传播速度，应力波在腐朽或缺陷部位中的传播时间比在正常部位中的传播时间长，据此以二维或三维图像将内部受损情况呈现出来[18]。岳小泉,王立海[19]等人以杉木为例就应力波检测技术在检测不同缺陷时的成像效果进行了研究，图8为应力波成像图。陈方翔[20]等人将TKriging和TIDW算法引入应力波成像的三维可视化之中，以提高成像的精度。图8应力波成像应力波检测法不受被测木材形状和尺寸的限制，另外传感器和被测木材之间不需要使用耦合剂，且检测仪器携带相对方便，因此被广泛应用于木材的缺陷检测及力学性能检测[21]。另外，应力波图像中无法区分腐蚀和空洞，同时应力波对小缺陷的类型、位置判断也不够准确。3.4超声波检测技术超声波检测技术可以根据所测的超声波参数包括传播时间、传播速度、能量峰值、频率等来检测木构件的表面缺陷、材料的腐朽程度以及开裂和老化程度。超声波检测可以形成直观清晰的超声CT剖面图，从而比较直观地反映木构件裂隙发育和内部空洞分布情况[22]。马宏林，相建凯[23]等人利用超声波检测技术对西岳庙东碑亭内柱进行结构健康检测，其CT检测图像如图9。可以根据各部位超声波速度清楚判断出柱体的受损部位，声波速度较快的部位结构较为健康，波速较低的部位则可能存在裂缝或腐朽等受损情况。MohammadSadeghTaskhiri[24]等人以桉树为对象，在超声波检查中结合超声波信号的波速、振幅、波形等多种参素以提高超声波检测识别缺陷的准确性。Bucur[25]利用超声波技术对木材质量进行检测分析。M.J.MoralesConde[26]等人利用超声波检测技术对塞维利亚的一座木构古建筑的木材进行了物理性能以及健康程度的评估。FernandoTallavo[27]等人利用纵波速度、传输因子等参数提高了超声波检测对木杆健康检测的准确度。图9西岳庙东碑亭西南内柱剖面成像结果超声波检测不受被测构件形状的限制，且检测速度快，设备体积小、质量轻，现场检测便利，其应用较为广泛。但超声波检测无法直观获取缺陷具体形状，且超声波检测大多只对与某个剖面进行测量，将剖面上下结构健康状况近似地看作一致。3.5雷达探测技术HoleHole雷达探测技术其原理是通过记录电磁波发射到接收这一过程中的双程时间t和幅度、波形资料，随后形成图像资料来分析结构的损伤部位，以判断建筑结构的健康状况。由于空气与土石的介电常数有较大差异，当电磁波在古城墙中透射与反射时，如遇到破损或开裂的部分，最终接收到的发射信号也会有较明显的差异，在最终形成的雷达探测图中便能较为清楚地判断出城墙中的空洞、裂缝以及它们的位置和大小[28]。下图10为孙建超[29]等人利用雷达探测技术在鸡鸣驿古城墙健康检测中的应用，图像中纵坐标代表垂直高度，横坐标代表水平位置。RemoteSensing[30]等人将雷达探测技术用于灾后建筑的结构受损检测之中，分析了建筑损伤的程度以及潜在发展趋势。MichalJanku[31]等人利用雷达技术对混凝土内部空洞的尺寸和深度进行了检测。KyriakosLabropoulos[32]等人利用雷达探测技术对圣墓教堂钟楼的裂缝状况进行了评估检测。HoleHole图10古城墙的空洞情况雷达探测技术操作简单，并具有较高的测量精度，使用过程基本不受测量场地限制，而且检测速度较快，较为适用于古建筑砌体结构的检测。但其在潮湿和低温环境下会对测量精度有一些影响，且技术成本高。3.6X射线探伤检测X射线探伤技术利用X射线在不同介质中的衰减程度不同的原理，通过检测器接收最终透射射线强度，并将最终检测结果绘制在胶片上。检测过程中，分别将X射线探伤仪和检测器放在所测结构的两端，若结构有破损、裂缝、腐蚀等损伤，则射线在穿过正常部位和损伤部位会经历不同程度的吸收和散射，由于射线衰减程度不一样，在检测器胶片上的“灰度”值也自然不一样[33]。下图11为梁益定[34]等人利用X射线检测获得的混凝土结构浇灌缺陷图，图中套筒内钢筋周围的黑度明显高于其他部位，故此处存在灌浆缺陷。TetsuyaSuzuki[35]~[36]等人利用X射线探伤就冻融的混凝土结构的开裂等损伤进行了成像检测。图11X射线探伤图X射线检测虽检测结果较为精准，也较为适用于大面积建筑结构的检测.但是其设备质量较大，不利于携带，而且射线辐射较强，对人体危害大，检测过程中要保证较大的范围内没有人员，相应的技术成本也比较高。3.7声发射技术声发射技术广泛应用于土木工程之中，它在木结构和砌体结构中都较为适用，是一种有效的健康监测技术，原理图12如下。其通过在建筑结构中布置传感器来监测结构的变形、破损、开裂等问题，当结构在外载作用下发生任何形变、位移，局部会将产生弹性应变能转化为弹性波释放，传感器最后再将弹性波转变为声信号。通过对声信号的分析，将会对建筑结构的损伤部位进行准确定位，与此同时对受损程度进行一个综合评估[37]。ArashBehnia[38]等人提出了新的监测参数值并强调了人工智能在声发射技术基于砌体结构健康监测的应用。ElsVerstryngea,GiuseppeLacidogna[39]等人利用声发射技术监测了意大利的三座中世界古塔的结构，就裂纹的发展以及定位进行了现场试验。HarisAlexakis[40]等人利用声发射技术对砌体结构在循环荷载下的劣化进行监测试验，以便在变形显著前预警。图12声波发射技术原理图声波发射技术监测灵敏度高，对结构产生的微小损伤都较为敏感，但其也容易受到噪音的干扰。其对同性材料受损定位的精度要高于混合材料，同时对损伤的定量化也有待进一步的深入研究。3.8古建筑结构各项检测技术的特点根据对比，各无损测量技术的特点如下表1所示：表1古建筑无损检测技术的优缺点检测技术优点缺点适用范围皮罗钉检测技术操作简单，仪器携带便捷。仅做浅层表面点检测，不能定量木结构的浅层点检测微钻阻力仪接触式测量，准确度高只能反应一条直线上的健康状况，也会对木构件造成轻微损伤木结构的深层线检测应力波检测技术不受检查对象外形与尺寸限制，不需要耦合剂无法区分腐蚀和空洞，对小缺陷定位不够准确木结构的深层面检测超声波检测技术不受检查对象外形与尺寸限制，检测快速、便捷无法直观获得缺陷具体形状，检测面局限于截面木结构的深层面检测雷达探测技术测量精度高，测量速度快潮湿和低温环境下对精度有影响，且技术成本高砌体结构的空间缺陷检测X射线检测测量精度高成本高，伤害大，仪器质量大不利于携带砌体结构的空间缺陷检测声发射技术监测灵敏度高较为适用于古建筑砌体结构的损伤检测，检测面积也通常较大容易受噪音影响，对混合结构测量精度较低用于建筑结构长期的健康监测各无损技术都有自己的优缺点以及适用范围，皮罗钉检测技术常用来缺陷浅层的点探测；微钻阻力仪则用作缺陷深处的线探测；应力波和超声波检测则常用来进行缺陷深处的面探测；雷达和X射线检测技术更多用于深层空间结构却显得检测，声发射技术则更多用于结构长期的受损监测。因此，在古建筑检测中，单一的检测技术应用起来往往是难以到达检测效果的，有时多种无损检测技术结合也会有很好的互补效果，例如应力波检测技术就会经常跟微钻阻力技术结合起来应用。应力波可以通过二维图片对损伤定性，微钻阻力仪可以通过一维直线定量，两者结合使得对损伤程度和位置的判断更加精准。4.结论在千百年来古建筑一直面临着许多自然或人为因素的危害及损坏，对古建筑的损伤检测也便有了巨大的现实意义。无损检测技术作为一种对古建筑结构损伤程度极小的健康检查方法，在古和建筑健康检测领域具有较高的应用价值。此外，为了更好地对古建筑进行保护与修复，越来越多的古建筑结构现状以数据的形式被记录于数据库之中，形成数字文化遗产。在利用无损技术进行结构受损检测后，借助于这些文化遗产数据，通过计算机3D模拟和复原技术与各种修复手段相配合，修复效果将大大提升。为了更好的保护古建筑，相关新技术的投入也值得更多学者的研究与学习。5.参考文献[1]何岩,王萌.古建筑保护的意义和措施[J].建筑科学与工程,2017(1):27-27.[2]刘娇.我国古建筑保护面临的问题及对策分析[J].中华名居,2013(11):104-105.[3]李鹏飞.多层殿堂式木结构古建筑尚友阁的结构及抗震性能研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.[4]丁鸣.古建筑常见损坏及修缮[J].城市建设理论研究，2011(32):1-1.[5]周乾,杨娜.故宫古建榫卯节点典型残损问题分析[J].水利与建筑工程学报,2017(5):13-19.[6]张锡成.地震作用下木结构古建筑的动力分析[D].西安建筑科技大学,2013.[7]周乾,杨娜,闫维明.故宫古建筑斗拱典型残损问题分析[J].四川建筑科学研究,2017(1):22-27.[8]CormDJ．ComparisonofthePilodynandtorsiometermethodsfortherapidassessmentofwooddensityinlivingtrees[J]．NewZealandJForSci，1978，8(3)1384—391．[9]OoughG，BarbesRD．AcomparisonofthreemethodsofwooddensityassessmentinaPinuselliottiiprogenytest[J]．SouthAfricanForestry，1984，128(1)：22—25．[10]WattMS，GamettBT，WalkerJcF．TheuseofthePilodynforassessingouterwooddensityinNewZealandradiatapine[J].ForestProductsJournal，1996，46(11／12)：101—106．[11]黄荣凤,伍艳梅,李华,刘秀英.古建筑旧木材腐朽状况皮罗钉检测结果的定量分析[J].林业科学,2010,46(10):114-118.[12]TomaszP.Nowak,JerzyJasieńko,KatarzynaHamrol-Bielecka.Insituassessmentofstructuraltimberusingtheresistancedrillingmethod–Evaluationofusefulness.2016,102:403-415.[13]FrankRinn，Catalogofrelativedensityprofilesoftrees，Polesandtimberderivedfromresistographmicro-drilings[R]．Preceedingsofthe9thInternationalSymposiumonNondestructiveTestingofWood．1993：6l一67．[14]FrankRinn.Resistographicinspectionofconstructiontimber,Polesandtrees[J]．PacificTimberEngineeringConference，1994(2)：468—478．[15]FrankRinn．Drillresistancemeasurementsonstandingtreesandtimber[J]．ProceedingoftheXⅢlmekoWorldCongress，1994(3)：2145—2150．[16]黄荣凤,王晓欢,李华,刘秀英.古建筑木材内部腐朽状况阻力仪检测结果的定量分析[J].北京林业大学学报,2007(06):167-171.[17]朱磊,张厚江,孙燕良,闫海成.基于应力波和微钻阻力的古建筑木构件材料力学性能检测[J].东北林业大学报，2011（10）：81-83.[18]QiwenQiu,RenyuanQin,JoshH.M.Lam,etal.Aninnovativetomographictechniqueintegratedwithacoustic-laserapproachfordetectingdefectsintreetrunk.2019,156:129-137.[19]岳小泉,王立海,王兴龙,刘泽旭,荣宾宾,葛晓雯.空洞缺陷形状对杉木圆盘电阻与应力波断层成像效果的影响[J].南京林业大学学报,2016（40）：131-137.[20]陈方翔.木材内部缺陷三维应力波成像方法研究[D].浙江农林大学,2015.[21]朱磊,张厚江,孙燕良,闫海成.古建筑木构件无损检测技术国内外研究现状[J].林业机械与木工设备,2011(3):25-27.[22]BucurV..Ultrasonic,hardnessandx-raydensitometricanalysisofwood[J].BucurV.,1985,23(6).[23]马宏林,相建凯,张刚,马涛,闰蓓,吴崇,李战.超声CT方法检测古建筑木构件缺陷研究[J].文物保护与考古科学,2018(6):74-80.[24]MohammadSadeghTaskhiri,MohammadHadiHafezi,RobinHarle,DeanWilliams,TribikramKundu,PaulTurner.Ultrasonicandthermaltestingtonon-destructivelyidentifyinternaldefectsinplantationeucalypts[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2020,173.[25]BucurV.Ultrasonictechniquesfornondestructivetestingofstandingtrees.[J].Ultrasonics,2005,43(4).[26]M.J.MoralesConde,C.RodríguezLiñán,P.RubiodeHita.Useofultrasoundasanondestructiveevaluationtechniqueforsustainableinterventionsonwoodenstructures[J].BuildingandEnvironment,2014,82.[27]FernandoTallavo,GiovanniCascante,MaheshD.Pandey.Anovelmethodologyforconditionassessmentofwoodpolesusingultrasonictesting[J].NDTandEInternational,2012,52.[28]NursenIşık,FatmaMeralHalifeoğlu,Süleymanİpek.Nondestructivetestingtechniquestoevaluatethestructuraldamageofhistoricalcitywalls.2020,253.[29]孙建超.地质雷达在古建筑无损检测中的应用[J].实用科技,2015(4):222-222.[30]PinglanGe,Areviewonsyntheticapertureradar-basedbuildingdamageassessmentindisasters,RemoteSensingofEnvironment,240(2020).[31]MichalJanků,PetrCikrle,JiříGrošek,OndřejAnton,JosefStryk.Comparisonofinfraredthermography,ground-penetratingradarandultrasonicpulseechofordetec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