專利名稱：一種古建筑落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種古建筑落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法，屬于木材科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
古建筑木構(gòu)件材料力學(xué)性能包括彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等。且彈性模量與抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度間成統(tǒng)計(jì)線性關(guān)系。北京明清木結(jié)構(gòu)古建筑的梁、柱等主要承重構(gòu)件， 大部分是落葉松材。采用非破損方法，于木結(jié)構(gòu)古建筑現(xiàn)場(chǎng)，快速檢測(cè)出落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能，是制訂木結(jié)構(gòu)古建筑保護(hù)、修繕?lè)桨傅那疤岷突A(chǔ)。傳統(tǒng)的木材力學(xué)性能檢測(cè)，大都是采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)規(guī)定尺寸的木材試樣進(jìn)行加載、破壞性試驗(yàn)測(cè)得。這種方法檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、條件苛刻，是一種破壞性檢測(cè)。這種檢測(cè)方法不能滿足古建筑木構(gòu)件力學(xué)性能檢測(cè)需求。實(shí)際需要的是在不破壞木構(gòu)件的前提下，于現(xiàn)場(chǎng)方便、快捷地檢測(cè)出木構(gòu)件關(guān)鍵部位材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)。本發(fā)明利用應(yīng)力波技術(shù)和微鉆阻力技術(shù)的組合，檢測(cè)古建筑落葉松木構(gòu)件的材料力學(xué)性能。應(yīng)力波技術(shù)檢測(cè)落葉松木構(gòu)件中應(yīng)力波的傳播速度，微鉆阻力技術(shù)檢測(cè)落葉松木構(gòu)件材料密度。兩者在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)落葉松木構(gòu)件都是非破損檢測(cè)。綜合兩者檢測(cè)結(jié)果， 能夠及時(shí)準(zhǔn)確地得到落葉松木構(gòu)件被檢測(cè)部位材料的彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種古建筑落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法， 以實(shí)現(xiàn)在不破壞木構(gòu)件的前提下，現(xiàn)場(chǎng)方便、快捷地檢測(cè)出木構(gòu)件關(guān)鍵部位材料的彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等主要力學(xué)性能指標(biāo)。本發(fā)明一種古建筑落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法，具體步驟如下(1)確定木構(gòu)件上需要力學(xué)性能檢測(cè)的部位，通常是承受應(yīng)力比較大的部位。(2)將應(yīng)力波測(cè)量?jī)x的兩個(gè)探針沿木構(gòu)件長(zhǎng)度方向插入木構(gòu)件。兩探針插入點(diǎn)之間的距離為100 300mm，探針與試件長(zhǎng)度方向夾角為45°。如果木構(gòu)件表面有外包層，則探針需要穿透外包層。用小錘敲擊發(fā)射極探針，從讀數(shù)表上讀取應(yīng)力波傳播時(shí)間。第一次敲擊的傳播時(shí)間讀數(shù)無(wú)效，從第二次開(kāi)始，連續(xù)敲擊測(cè)定三次所得的應(yīng)力波傳播時(shí)間讀數(shù)的平均值作為測(cè)定結(jié)果。然后用兩探針插入點(diǎn)間距除以所述的應(yīng)力波傳播時(shí)間平均值，計(jì)算出應(yīng)力波傳播速度。(3)將微鉆阻力儀的鉆針垂直于木構(gòu)件表面方向鉆入。微鉆阻力儀自動(dòng)記錄微鉆阻力值。(4)根據(jù)測(cè)量得到的微鉆阻力和應(yīng)力波傳播速度，按照以下三個(gè)公式計(jì)算出材料彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。彈性模量:E = 0. 0038FV2+5. 6
抗彎強(qiáng)度σ b = 0. 0189Fv2+47. 0
抗壓強(qiáng)度σ。=0. 0155Fv2+38. 8這里，E為材料彈性模量(GPa)，σ b為抗彎強(qiáng)度(MPa)，σ。為抗壓強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)為微鉆阻力(Resi)，ν為應(yīng)力波傳播速度(km/s)。也就是說(shuō)，在木結(jié)構(gòu)古建筑現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)定到F、 V，即可計(jì)算出落葉松木構(gòu)件材料的彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。本發(fā)明一種古建筑落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)及功效在于(1)綜合應(yīng)力波和微鉆阻力兩種測(cè)量信號(hào)，測(cè)得木構(gòu)件材料力學(xué)性能；比采用單一應(yīng)力波或微鉆阻力信號(hào)，檢測(cè)準(zhǔn)確度高。(2)具有便攜性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。(3)適于古建筑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，非破損、快速得到被檢測(cè)部位材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)。(4)為木結(jié)構(gòu)古建筑的保護(hù)和修繕，提供可靠的數(shù)據(jù)支持。(5)本檢測(cè)方法適用其它樹(shù)種的木構(gòu)件材料力學(xué)性能檢測(cè)，只是彈性模量、抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與Fv2間計(jì)算公式，要通過(guò)預(yù)試驗(yàn)給予修正。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。對(duì)各向同性材料來(lái)講，其彈性模量與該材料的密度和應(yīng)力波在其中的傳播速度密切相關(guān)E = P ν2。這里，E為材料彈性模量(Pa)，P為材料密度(kg/m3)，ν為應(yīng)力波傳播速度(m/s)。木材是各向異性材料，木材彈性模量與密度和應(yīng)力波傳播速度間的關(guān)系應(yīng)當(dāng)為 E = f (P ν2)。這里f代表線性函數(shù)關(guān)系，即木材彈性模量是一個(gè)以P ν2為自變量的線性函數(shù)。在木材力學(xué)性能指標(biāo)中，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度與彈性模量間成統(tǒng)計(jì)線性關(guān)系，所以木材抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也是以P ν2為自變量的線性函數(shù)。微鉆阻力技術(shù)是基于檢測(cè)木材各部位相對(duì)密度，進(jìn)而檢測(cè)樹(shù)木內(nèi)部缺陷的目的而出現(xiàn)的。它利用微型鉆針以恒定速率鉆入木材內(nèi)部，采集鉆針在鉆入中產(chǎn)生的阻力值。由于鉆針直徑很小(一般< 3mm)，孔痕對(duì)整個(gè)木構(gòu)件的使用性能沒(méi)有負(fù)面影響，屬于非破損檢測(cè)技術(shù)。發(fā)明者發(fā)現(xiàn)可以利用這一技術(shù)檢測(cè)木材的絕對(duì)密度，即微鉆阻力值F可以代表木材的密度值P。這樣，可以用Fv2代替P ν2作為計(jì)算木材彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的自變量。經(jīng)過(guò)一系列預(yù)試驗(yàn)，得到古建筑落葉松材力學(xué)性能計(jì)算公式如下。彈性模量E= 0. 0038FV2+5. 6抗彎強(qiáng)度οb = 0. 0189FV2+47. 0抗壓強(qiáng)度σ。=0. 0155Fv2+38. 8這里，E為材料彈性模量(GPa)，σ b為抗彎強(qiáng)度(MPa)，σ。為抗壓強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)為微鉆阻力(Resi)，ν為應(yīng)力波傳播速度(km/s)。也就是說(shuō)，在木結(jié)構(gòu)古建筑現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)定到F、 V，即可計(jì)算出落葉松木構(gòu)件材料的彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。本發(fā)明中微鉆阻力檢測(cè)推薦采用德國(guó)Rirmtech公司開(kāi)發(fā)的微鉆阻力儀，或德國(guó) IML公司生產(chǎn)的微鉆阻力儀。應(yīng)力波速度檢測(cè)推薦采用匈牙利制造的FAKOPP應(yīng)力波測(cè)量?jī)x，或德國(guó)IML公司生產(chǎn)的Micro Hammer應(yīng)力波測(cè)量?jī)x。具體步驟如下(1)確定木構(gòu)件上需要力學(xué)性能檢測(cè)的部位，通常是承受應(yīng)力比較大的部位。(2)將應(yīng)力波測(cè)量?jī)x的兩個(gè)探針沿木構(gòu)件長(zhǎng)度方向插入木構(gòu)件。兩探針插入點(diǎn)之間的距離為100 300mm，探針與試件長(zhǎng)度方向夾角為45°。如果木構(gòu)件表面有外包層，則探針需要穿透外包層。用小錘敲擊發(fā)射極探針，從讀數(shù)表上讀取應(yīng)力波傳播時(shí)間。第一次敲擊的傳播時(shí)間讀數(shù)無(wú)效，從第二次開(kāi)始，連續(xù)敲擊測(cè)定三次所得的應(yīng)力波傳播時(shí)間讀數(shù)的平均值作為測(cè)定結(jié)果。然后用兩探針插入點(diǎn)間距除以所述的應(yīng)力波傳播時(shí)間平均值，計(jì)算出應(yīng)力波傳播速度。(3)將微鉆阻力儀的鉆針垂直于木構(gòu)件表面方向鉆入。微鉆阻力儀自動(dòng)記錄微鉆阻力值。 (4)根據(jù)測(cè)量得到的微鉆阻力和應(yīng)力波傳播速度，按照以下三個(gè)公式計(jì)算出材料彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。彈性模量E= 0. 0038FV2+5. 6抗彎強(qiáng)度οb = 0. 0189FV2+47. 0抗壓強(qiáng)度σ。=0. 0155Fv2+38. 8這里，E為材料彈性模量(GPa)，σ b為抗彎強(qiáng)度(MPa)，σ。為抗壓強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)為微鉆阻力(Resi)，ν為應(yīng)力波傳播速度(km/s)。也就是說(shuō)，在木結(jié)構(gòu)古建筑現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)定到F、 V，即可計(jì)算出落葉松木構(gòu)件材料的彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。具體實(shí)施例1北京某木結(jié)構(gòu)古建筑中，某落葉松橫梁尺寸(寬X高X長(zhǎng))為 120X200X 1800mm。橫梁承受彎曲變形載荷，中間部位應(yīng)力最大，需要檢測(cè)材料力學(xué)性能。 經(jīng)應(yīng)力波檢測(cè)，其應(yīng)力波傳播速度為4. 478km/s ；經(jīng)微鉆檢測(cè)阻力值為46Resi。經(jīng)計(jì)算，得到該部位材料彈性模量為9. lGPa，抗彎強(qiáng)度為64. 4MPa，抗壓強(qiáng)度為53. IMPa0
權(quán)利要求
1.一種古建筑落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法，其特征在于具體步驟如下(1)確定木構(gòu)件上需要力學(xué)性能檢測(cè)的部位，通常是承受應(yīng)力比較大的部位；(2)將應(yīng)力波測(cè)量?jī)x的兩個(gè)探針沿木構(gòu)件長(zhǎng)度方向插入木構(gòu)件；用小錘敲擊發(fā)射極探針，從讀數(shù)表上讀取應(yīng)力波傳播時(shí)間；第一次敲擊的傳播時(shí)間讀數(shù)無(wú)效，從第二次開(kāi)始，連續(xù)敲擊測(cè)定三次所得的應(yīng)力波傳播時(shí)間讀數(shù)的平均值作為測(cè)定結(jié)果；然后用兩探針插入點(diǎn)間距除以所述的應(yīng)力波傳播時(shí)間平均值，計(jì)算出應(yīng)力波傳播速度；(3)將微鉆阻力儀的鉆針垂直于木構(gòu)件表面方向鉆入，微鉆阻力儀自動(dòng)記錄微鉆阻力值；(4)根據(jù)測(cè)量得到的微鉆阻力和應(yīng)力波傳播速度，按照以下三個(gè)公式計(jì)算出材料彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度彈性模量E = 0. 0038FV2+5. 6 抗彎強(qiáng)度Qb = 0. 0189FV2+47. O 抗壓強(qiáng)度σ c = 0. 0155FV2+38. 8這里，E為材料彈性模量(GPa)，σ b為抗彎強(qiáng)度(MPa)，σ。為抗壓強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)為微鉆阻力(Resi)，ν為應(yīng)力波傳播速度(km/s)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種古建筑落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法，其特征在于兩個(gè)探針插入點(diǎn)之間的距離為100 300mm，探針與試件長(zhǎng)度方向夾角為45°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種古建筑落葉松木構(gòu)件材料力學(xué)性能非破損檢測(cè)方法。它利用應(yīng)力波傳播技術(shù)和微鉆阻力技術(shù)，通過(guò)被檢測(cè)部位應(yīng)力波速度v和微鉆阻力值F的測(cè)定，計(jì)算獲得木構(gòu)件被檢測(cè)部位材料彈性模量、抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。本發(fā)明有如下特點(diǎn)和效果(1)綜合應(yīng)力波和微鉆阻力兩種測(cè)量信號(hào)，測(cè)得木構(gòu)件材料力學(xué)性能；比采用單一應(yīng)力波或微鉆阻力信號(hào)，檢測(cè)準(zhǔn)確度高。(2)具有便攜性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。(3)適于古建筑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，非破損、快速得到被檢測(cè)部位材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)。(4)為木結(jié)構(gòu)古建筑的保護(hù)和修繕，提供可靠的數(shù)據(jù)支持。(5)本檢測(cè)方法適用其它樹(shù)種的木構(gòu)件材料力學(xué)性能檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N3/00GK102175769SQ201010602090
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者劉西瑞, 吳江, 孫燕良, 張厚江, 朱磊, 王喜平, 閆海成 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)