古建木结构损伤机理与安全评估综述

　　摘要：中国古建为东方独立系统，数千年来继承演变，流布及广大的区域。近年来随着长期环境腐蚀、地震灾害和人为作用等影响，越来越多的古建木结构都存在不同程度的变形和损伤，严重者甚至濒临垮塌。因此揭示结构服役过程中的损伤机理，对结构的损伤程度进行合理评价能够帮助管理者全面地了解结构的安全状态，更好地实现在役古建木结构的维护修缮工作。

　　关键词：古建筑;木结构;损伤机理

　　1.引言

　　我国的古建筑历史悠久，其宏伟富丽和精雕细琢等特点在世界上享有极高的

　　声誉，是中国乃至世界上非常珍贵的历史文化遗产。不同于西方砖石为主的建筑

　　体系，我国的古建筑大多以木材为主要用材，在千百年的演变过程中已经形成了

　　自己所特有的建筑结构体系和风格，对韩国、日本等亚洲国家的建筑风格產生深

　　远的影响。然而现如今，由于各种环境的侵蚀和大量人为破坏，大量的古建筑在

　　服役过程中都己遭受到不同程度的损坏，因此各地仅存的古木建筑就成了不可再

　　生且需要重点保护的珍贵宝藏。

　　由于木材非常容易受到环境温度、湿度和真菌的影响，因此现存的古建木结构筑都存在着不同程度的虫蛀、腐朽和开裂等损伤，有些甚至己经频临倒塌失效，急需抢修和维护。另外在高烈度地震断裂带的建筑在几百年的服役过程中常承受历次地震的反复作用，全身或多或少存在着累积损伤。

　　2.古建木结构损伤机理

　　作为建筑材料，木材具有特别高的可压缩性，柔韧性，抗张强度，抗震性，在受到压缩和弯曲时具有出色的可塑性，并且强度与密度之比很高。 但同时，它也有其自身的缺点：由于它是一种生物材料，因此其耐火性和耐腐蚀性很差，并且其力学性能是各向异性的，且易受到木节、含水率等的影响。木结构建筑常见的破坏方式有开裂、腐朽、变形过大等，而构件的破坏会直接影响结构的力学性能，在木构件的关键受力位置出现损伤情况会危及整个结构的力学安全性能。

　　在木材的加工和使用中，外部空气温度和湿度的变化导致木材各部分的水分和干燥度不同，从而导致内部和外部纤维的收缩不一致，从而导致木质纤维分离。 随着时间的流逝，产生裂缝，并沿垂直方向分开垂直收缩，木梁在外载荷作用下会因木材材质的下降引起抗拉、抗压、抗弯和抗剪性能的降低，使得在外力作用下原有的干缩裂缝不断加深变宽，这对所有结构的安全性能构成了隐患。古建筑中的现有木结构已经受洗数百至数千年，在此期间，它们已受到自然天气和生物破坏以及人为破坏，且长期处于变化的外界环境中，受温湿度变化的影响非常明显，调查显示，古建筑中许多木结构都有各种收缩裂缝。

　　3.古建木结构评估方法研究现状

　　3.1 古建筑抗震构造评估方法

　　1)目测、尺量法：他们中的大多数指的是使用可见性，敲击，直尺等传统方法来评估古建筑的安全性能。这种方法可以确定明显的问题，例如结构变质，蛀虫，腐蚀，结点松动，连接等，并且被许多经验丰富的技术人员使用。

　　2)阻力仪法：这种方法是测试木结构而不损坏它们的一种方法，可以通过该方法测量确定用肉眼无法确定的结构问题，例如间隙，坍塌和裂缝。张晓芳等[1]利用阻力仪完成了部分古建筑材质状况的勘查工作，对木构件空洞、节子等状况有较好的勘查结果。

　　3)应力波法：这是无损检测木材内部结构的另一种方法。同时，可以检测多个不同位置的木材截面的状况，并获得不同位置和截面的断层图像。这可以由计算机处理以生成显示木材基本状态的3D图。段新芳等[2]已经对应力波技术进行了初步研究，以检测古建筑中木质部件的残余模量，结果表明，应力波的无损检测可以有效地确定参与的木质构件力学强度。

　　4)三维激光扫描法：三维激光扫描可用于测量整个古代建筑结构的异常或难以测量的部分。王莫等[3]采用三维激光扫描技术，先后完成了古代重要建筑的三维数据收集工作，并在大量的实践中深入地研究了三维数据处理的核心原则和方法。

　　5)有限元法：根据古建筑的木结构构件和节点的实际情况创建一个有限元模型，从理论上评估设防烈度下的结构抗震性能。周乾等[4]研究了汶川地震对古建筑的破坏原因，并结合增强技术，传统方法和有限元分析方法，对故宫的部分古建筑进行了力学性能评估。

　　6)试验法：这是通过现场或模型测试评估结构的地震结构的一种方法。李世温、李铁英等[5]从应县木塔的动态性来源于现场环境振动试验数据，分析应县木塔基土的稳定性和应县木塔损坏的主要类型及机理，提出了古建木结构双参数地震破坏准则。

　　3.2 模糊数学综合评估方法

　　模糊综合评价法是一种基于模糊数学相关理论的实用方法。最显着的优点是，它可以将各种定性数据转换为定量数据，同时获得对评估对象的总体评估以及每个级别的特定条件。 这样可以提高数据利用率。 基本思想是选择与评估目标相关的关键因素，并使用隶属函数和隶属级别识别原则进行合理，全面的评估。 它包括一个单级综合评估模型和一个多级综合评估模型。对于古建筑，地震的影响因素更为复杂，适合采用综合，多层次的评估模型。潘毅等[6]使用模糊数学理论对应力程度进行评估，该方法可以综合评估地震后古木建筑的破坏情况，以及该方法的评估模型和评估程序。地震后对古木建筑的破坏是地震的良好基础。 应采取哪些维护措施作为决策的基础。郭小东等[7]基于灰色系统理论和模糊数学，提出了一种评估古木建筑安全性的方法，并得出结论：采用灰色模糊分析法对古建筑木结构安全性进行了评估。易于使用和可靠。可以创建并方便评估数据库系统以及属性和权重向量，并推广应用。

　　3.3 基于层次分析法评估方法

　　层次分析法过程是组织和分层复杂的问题，将每个级别分为多个因素，并对层次结构进行建模。使用分级分析过程评估古建筑中木结构的安全性，古建筑的安全级别可以被视为一个总体目标：子单元，组件和结构以及安全性，它可以分为三个层次，分目标的安全性等级由下一层次的各个因素决定。徐帅等[8]通过层次分析法快速评估古建筑木材结构安全性，可以有效减少评估和鉴定工作量，提高工作效率，保证结果的可靠性。

　　4.讨论与展望

　　(1)从以上各种评估方法来看，每种方法都有其优势，并且可以在评估古代建筑中木结构的安全性方面发挥作用。

　　(2)将上述方法用于各种评估方法仍然存在问题。 例如，评估方法之间没有必要的联系，并且单独使用每种方法时都有一定的限制。

　　(3)随着科学技术的发展和研究水平的提高，古建筑安全状况的评价方法越来越完善，评价结果将与古建筑的实际情况更加吻合。此外，技术的全面应用将使对古建筑的地震结构进行更智能的评估。

　　5.结论

　　本文采用综述的方法，描述了古代木结构的破坏原理和安全评估的方法。对以后保护和修缮古建筑提供可靠的依据。

　　参考文献

　　[1]张晓芳，李华，刘秀英，等.木材阻力仪检测技术的应用[J].木材工业，2007，21(2)：4l-43.

　　[2]段新芳，王平，周冠武，高超英. 应力波技术检测古建筑木构件残余弹性模量的初步研究[J]. 西北林学院学报，2007(01)：112-114.

　　[3]王莫. 三维激光扫描技术在故宫古建筑测绘中的应用研究[J]. 故宫博物院院刊，2011(06)：143-156+163.

　　[4]周乾，闫维明，纪金豹，等.汶川地震古建筑震害研究[J].北京工业大学学报，2009，35(3)：330-337.

　　[5]李铁英，魏剑伟，张善元，等.应县木塔实体结构的动态特性试验与分析[J].工程力学，2005，22(1)：141-146.

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