全 文 ：第 42 卷第 12 期 中南大学学报(自然科学版) Vol.42 No.12
2011 年 12 月 Journal of Central South University (Science and Technology) Dec. 2011

基于无损检测的超役黄杉和杉木构件的剩余强度分析

张晋 1，王亚超 2, 3，许清风 2，杨小敬 1，李向民 2

(1. 东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京，210096；
2. 上海市建筑科学研究院 上海市工程结构新技术重点实验室，上海，200032；
3. 山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南，250013)

摘要：为了评估超役木构件的损伤状况，确定其剩余强度，对东南大学老图书馆维修加固拆卸下来的一批木梁柱
构件进行无损检测、材性试验研究。首先目测该批超役木构件的腐朽和虫蛀等级，利用射钉仪和木材阻抗仪，对
木材的腐朽和虫蛀状况进行无损检测，并对 2 种仪器的检测结果进行相关性分析。然后截取小段构件制成小试件
进行材性试验，包括顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度，拟合出小试件强度和阻力之间的关系曲线；将剩余大段构件
其余测点的阻力代入关系曲线，得到考虑腐朽和虫蛀影响的小试件强度。分析小试件强度和构件强度的差别，最
终得到考虑腐朽和虫蛀影响的构件剩余强度。结果表明：目测分级大体可行，但部分测点目测等级不可靠；构件
剩余抗拉强度和剩余抗压强度分别为 15.31~25.89 MPa 和 8.46~13.73 MPa。
关键词：无损检测；超役木构件；材性试验；小试件强度；剩余强度
中图分类号：TU366.2 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2011)12−3864−07
 
Residual strength of service-beyond wood members of
douglas fir and cedarwood using non-destructive testing

ZHANG Jin1, WANG Ya-chao2, 3, XU Qing-feng2, YANG Xiao-jing1, LI Xiang-min2

(1. Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education,
Southeast University, Nanjing 210096, China;
2. Shanghai Key Laboratory of New Technology Research on Engineering Structure,
Shanghai Research Institute of Building Sciences, Shanghai 200032, China;
3. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd., Jinan 250013, China)

Abstract: To check service-beyond wood members and determine their residual strength, researches on non-destructive
testing techniques and mechanical tests of service-beyond wood members coming from the old library of Southeast
University were carried out. First of all, the decadent and eaten levels of these members were viewed. Nail gun and
Resistograph were used to test the decay and bitten damages. The correlations between the two kinds of instrument test
data were researched. Secondly, small timber specimens were used to do mechanical tests, including the compressive
strength and the tensile strength. The relationship between the small specimen’s strength and the resistance values were
fitted to curves. According to these curves, the residual strength of small timber specimens was computed. After knowing
the differences between small timber specimens and wood members, the residual strength of these wood members are
obtained eventually. The results show that classification by sight is feasible in general except some measure points. The
residual tensile strengths and compressive strengths of these members are 15.31−25.89 MPa and 8.46−13.73 MPa,
respectively.
Key words: non destructive testing; service-beyond wood members; mechanical test; strength of small timber specimens;
residual strength 

                                                                   
收稿日期：2010−12−29；修回日期：2011−04−02
基金项目：上海市工程结构新技术重点实验室开放课题(2009-KF02)； 国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAJ03A10-02)
通信作者：张晋(1974−)，男，安徽巢湖人，博士，副教授，从事预应力结构体系、木结构体系研究；电话：025-83790931；E-mail：zhangjin0622@139.com
第 12 期 张晋，等：基于无损检测的超役黄杉和杉木构件的剩余强度分析 3865

我国古建筑以及近、现代建筑大多为木结构或砖
木结构。经历了时代变迁及不同使用者的需求变化，
大多数木构件损伤严重。检测评估这些超役木构件的。
损伤状况，确定其剩余强度，并采用合理的方法进行
维修加固，是急需解决的问题。木构件的损伤主要包
括腐朽、虫蛀、木材缺陷、结构变形和自然灾害。其
中，腐蚀和虫蛀是木材中最普遍的 2 种损伤[1−2]。无损
检 测 (Non destructive testing 或 Non destructive
evaluation，简称 NDT 或 NDE)是在不破坏目标物体内
部及外观结构与特性的前提下，利用材料的不同物理
力学或化学性质，对目标物体相关特性进行测试与检
验，尤其是对各种缺陷进行测量。木结构建筑在维修
和保护过程中不能破坏原主体结构，这就需要利用无
损检测方法对木构件进行检测评估，为这类建筑的保
护和维修加固提供技术支撑。国内外木材无损检测技
术的研究主要分为以下几类：基于成像技术、基于信
号技术和基于探针技术的木材无损检测。近年来，国
内外学者在利用无损检测技术检测木构件的损伤状况
方面做了许多工作。日本、美国研究人员[3]在 1992 年
用声发射技术检测木材早期腐朽，研究结果表明：声
发射法可以检测质量损失 1%的木材早期腐朽情况。
Rinn 等[4−5]对不同树种的阻力曲线与 X 线密度曲线作
了比较试验，结果表明：阻抗仪可对年轮宽度大于 0.5
mm 的立木进行年轮与生长率的评价，而对于较窄的
年轮难以进行准确的评定。Raczkowski 等[6]用声发射
技术进行了木材径向压缩测试中腐朽早期阶段的检
测。段新芳等[7]对古建筑木材内部腐朽状况，进行了
无损检测仪(Pilodyn)检测结果的定量分析。作为一门
新兴技术，无损检测技术还存在以下问题：木材是各
向异性材料，但基于信号技术的无损检测方法采用的
是各向同性材料的波传播理论，这对检测的精度造成
了一定的影响；木材无损检测仪器的成本太高，限制
了木材无损检测技术的推广应用；定量化评价木材的
残余力学强度时，大多数无损检测设备都需要有健康
材的参考数据作为判断依据，这需要建立强大的数据
库进行支持，而从实际研究的情况来看，这部分数据
相当匮乏。大部分研究是定性地分析木构件的缺陷和
腐朽虫蛀等损伤状况，仅有个别研究人员定量分析了
个别树种的力学强度和无损检测结果之间的关系，但
对于木构件遭受腐朽和虫蛀损伤后的剩余承载力问
题，无相关研究报道。在木结构建筑的保护和维修加
固过程中，需确切了解腐朽和虫蛀后木构件的剩余强
度，从而确定该构件是否需要加固或更换。本文作者
在定量分析木材的力学强度和无损检测结果的关系
后，进一步研究木构件的剩余强度问题，以便为下一
步的木结构保护和维修加固提供依据，避免盲目地拆
除或更换。

1 超役木结构的无损检测试验

1.1 试验构件
试验试件是东南大学老图书馆加固改造而更换下
来的 6根木梁和 7根木柱(经上海建科院木材实验室树
种鉴定，木梁为松科黄杉属树种，名称为黄杉；木柱
为杉科杉属树种，名称为杉木[8−9])。6 根木梁编号为
BA1~BA3，BB1~BB3，7 根木柱的编号为 C1~C7。每
根木材被分成 2 段，其中，小段做材性试验，剩余大
段做承载力试验(承载力试验研究另文讨论)。木梁、
木柱承载力试验构件长度分别为 3.0 m 和 3.3 m。木梁
构件长度的最小值、最大值和平均值分别为 0.900，
1.105 和 1.060 m；木柱构件长度的最小值、最大值和
平均值分别为 0.58，0.62 和 0.66 m。
1.2 无损检测测点布置
对于大段的木柱，沿长度方向每隔 0.3 m 左右设
置 1 个测点。
对于大段的木梁，由于横截面较宽，因此在宽度
方向上设置 2 个测点，沿长度方向测点间距仍为 0.3 m
左右。在中间纯弯段、以及目测腐朽和虫蛀比较严重
的区段，适当增加测点的密度。
对于拟做小试件材性试验的小段构件(包括木梁
和木柱)，在要截取小试件的部位布设测点，以便分析
检测值和小试件强度之间关系。
1.3 试验方法及检测结果
采用外观法和基于探针技术的 2 种仪器—射钉仪
和木材阻抗仪，对该批木构件进行无损检测试验研究。
1.3.1 外观法
本文采用的外观法主要是目测和锤击。目测法指
通过肉眼观察对构件的性能进行预判，对腐朽和虫蛀
比较严重的区域直接进行评估。锤击法是指用锤子敲
击木材，若锤子没有回弹或有空回声，则表明内部有
比较明显的空洞或腐蚀。参照国家标准《木材天然耐
久性野外试验方法》[10]，对测点处木材的腐朽和虫蛀
程度进行分级如下：等级①，无腐−无虫蛀；等级②，
初腐−无虫蛀；等级③，中腐−无虫蛀；等级④，初腐
−虫蛀；等级⑤，中腐−虫蛀；等级⑥，中腐−严重
虫蛀。
1.3.2 射钉法
试验以预先设定好的能量将 1 个直径为 2 mm 钢
针射入试件中，钢针射入的深度可以通过自带标尺确
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定。对于超役木构件，随着腐朽和虫蛀程度增加，木
材的密度和表面硬度降低，射钉仪的射入深度会相应
增大，因此，钢针射入的深度可用来判断试件的强度。
黄杉各腐朽虫蛀等级的射钉检测结果如表 1 所示。

表 1 木梁射钉深度检测结果
Table 1 Test result of timber beam with nail gun
等级
平均值
/mm
最大值
/mm
最小值
/mm
标准差
变异
系数/%
① 13.9 16.9 11.5 2.8 21.1
② 15.9 19.8 13.6 4.2 26.4
③ 17.2 23.4 12.5 5.1 29.7
④ 17.8 22.9 13.6 3.1 17.4
⑤ 20.4 29.6 14.4 3.6 17.6
⑥ 26.6 38.2 3.6 13.5

从均值来看，射钉深度随着试件表面腐朽和虫蛀
程度的增加而增加，说明射钉仪的检测结果和目测分
级的结果大体一致。
从最小值来看，虫蛀等级相同、腐朽等级不同时，
射钉没有表现出明显的规律性，且标准差和变异系数
较大，这说明目测的腐朽分级的数据波动性较大。对
同一设备而言，射钉仪的检测结果的误差不会太大，
只能说明某些测点目测的腐朽分级不可靠。
从最大值来看，腐朽等级相同而虫蛀等级不同时，
射钉的变化与目测虫蛀等级具有一致性，标准差和变
异系数也较小，说明目测的虫蛀等级比较可靠。
需要说明的是：射钉仪虽然可以定量分析木材的
腐朽和虫蛀状况，但它确定的只是木材表面有限深度
范围内的情况。当需要全面了解构件内部损伤状况时，
只能通过其他仪器进行检测，例如木材阻抗仪等。
1.3.3 木材阻抗仪
阻抗仪是用一根直径为 1.5 mm 的探针，在电动
机的驱动下，以恒定速率钻入木材内部，电动机的电
压恒定，电流与阻力相关，最终得到阻力随深度变化
的曲线。阻力为钻针钻入过程中所需能量的相对测量
值，与树种、木材含水率等因素相关。木材密度变化
及内部腐朽、裂缝、虫蛀等情况引起的阻力变化均可
在曲线中直观地表现出来。
试验中在使用阻抗仪进行检测时，垂直于年轮方
向向髓心钻针，得到相关的阻力曲线。部分阻力曲线
如图 1 所示。
阻抗仪检测数据结果如表 2 所示。从均值来看，
阻力随着试件腐朽和虫蛀程度的增加而减小，说明阻
抗仪的检测结果与目测分级的结果大体一致。
分析表 1 和表 2 可知：2 种仪器的检测结果的变
异系数都比较大，说明目测分级虽然整体上与仪器的
检测结果一致，但部分测点的目测分级不可靠。无
腐−无虫蛀等级(①级)最大阻力处木材接近健康木材，
认为该值即为健康材阻力，则各等级的阻力残余率[7]
用式(1)表示，结果如图 2 所示。
0
max
V
V
      (1)
式中：ρ 为阻力残余率；V0 为各等级阻力均值；Vmax


(a) 黄杉无腐−无虫蛀部位；(b) 黄杉木节部位
图 1 部分阻抗仪检测曲线
Fig.1 Detected curve in resistograph


1—黄衫；2—杉木
图 2 各等级木材的阻力残余率
Fig.2 Residual rate of resistance value of every grade timber
第 12 期 张晋，等：基于无损检测的超役黄杉和杉木构件的剩余强度分析 3867
表 2 木梁阻力检测结果
Table 2 Test result of timber beam with resistograp
等级 平均值 最大值 最小值 标准差 变异系数/%
① 58 65 48 7.8 13.5
② 46 64 34 8.6 18.7
③ 43 64 32 8.8 20.5
④ 32 63 12 6.3 19.7
⑤ 28 47 12 7.2 25.7
⑥ 9 19 4 2.1 17.5

为①级的最大阻力。
由图 2 可知：黄杉和杉木前 3 级的残余率相差不
大，第 4 级的差别较大，分别为 49.2%和 63.3%；黄
杉第 6 级的残余率较小，仅为 13.8%，说明这些测点
处木材的虫蛀已经相当严重，这与射钉仪检测结果
一致。
1.3.4 检测结果的相关性分析
对射钉深度和阻力做相关性分析，如图 3 所示，
建立黄杉、杉木的射钉深度 y 关于阻力 x 的线性回归
模型，并对回归方程进行显著性检验。可见：二者均
为显著负相关。
由图 3 可知：目测虫蛀比较严重的区域，射钉深


(a) 黄杉；(b) 杉木
图 3 射钉深度对阻力的线性回归模型
Fig.3 Linear regression of nail value to resistograph value
度均值达到 26.6mm(无虫蛀的射钉深度均值为 17.2
mm)，阻力残余率为 13.8%，2 种仪器的检测结果说明
该处木材遭受严重虫蛀。

2 小试件材性试验

2.1 材性试验
每根木材的顺纹抗压强度试验和顺纹抗拉强度试
验分别取 9 个和 6 个试件。参照国家标准《木材顺纹
抗压强度试验方法》[11]和《木材顺纹抗拉强度试验方
法》[12]，通过试验机对试件匀速加载直至试件破坏。
2.2 小试件强度与阻力的关系曲线
将小试件强度和阻力回归分析，得到小试件的强
度 y 关于阻力 x 的关系曲线。

3 考虑腐朽虫蛀影响的小试件强度

对于做承载力试验的大段木梁、木柱，将各测点
的阻力代入图 4 的曲线中，可得到各点考虑腐朽和虫
蛀影响的小试件抗压强度和抗拉强度，结果如图 5 所
示。将梁 BA1 划分为许多小区间，每个小区间布设 1
个测点，该点的强度就代表这个小区间的强度。其余
构件类同。各木梁、木柱所有测点的强度统计分析如
表 3 所示。
对我国 14 种新木材、20 个采集地、73 项试验数
据进行假设检验(检验的显著水平 α=0.05)后认为新木
材小试件强度的概率分布可以采用服从正态分布的假
设[13]。对于旧木材小试件强度的概率分布，目前缺乏
统计参数，谢启芳[14]建议：旧木材小试件强度同样假
设服从正态分布。对得到的小试件强度进行统计分析，
得到小试件强度的频率分布直方图(图 6)。虽统计数据
有限，但所得的直方图仍具有单峰、近似对称的形式，
故可以采用服从正态分布的假设。
材料强度按照概率分布的 0.05 的分位值确定[15]，
即小试件强度标准值由下式确定：
k f f f f1.645 (1 1.645 )f                (2)
式中：μf 为材料强度均值；σf 为材料强度标准差；δf
为材料强度变异系数。
将表 3 中的小试件材料强度平均值及标准差代入
式(2)，得到考虑腐朽虫蛀影响的小试件强度标准值，
如表 4 所示。
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(a) 黄杉的抗压强度−阻力关系曲线；(b) 杉木的抗压强度−阻力关系曲线；
(c) 黄杉的抗拉强度−阻力关系曲线；(d) 杉木的抗拉强度−阻力关系曲线
图 4 木材强度与阻力关系曲线
Fig.4 Relationship between timber strength and resistance

表 3 木材所有测点的小试件强度
Table 3 Strength of all measuring point in small timber specimens
构件编号 测点数
抗压强度
均值/MPa
抗压强度
标准差
抗压强度均值区间
估计(α=0.05)
抗拉强度
均值/MPa
抗拉强度
标准差
抗拉强度均值区间
估计(α=0.05)
BA1 28 46.06 9.47 [42.61，50.51] 43.87 8.26 [41.11，48.62]
BA2 28 54.68 6.40 [52.20，57.17] 53.31 4.81 [51.45，55.18]
BA3 26 50.88 6.10 [48.42，53.35] 50.12 5.66 [47.83，52.41]
BB1 25 49.77 6.43 [47.11，52.42] 49.02 6.31 [46.41，51.63]
BB2 25 52.82 7.80 [49.60，56.30] 51.40 6.63 [48.66，54.13]
BB3 27 51.10 9.18 [47.47，54.73] 49.56 7.69 [46.52，52.60]
C1 16 37.89 4.68 [35.40，40.38] 53.68 7.24 [49.82，57.53]
C2 16 39.80 4.99 [37.12，42.44] 57.85 9.58 [52.75，62.95]
C3 16 37.92 6.02 [34.71，41.13] 54.14 8.72 [49.49，58.78]
C4 18 40.26 3.63 [38.45，42.06] 57.49 6.92 [54.05，60.93]
C5 16 38.76 4.49 [36.37，41.16] 55.08 7.35 [51.16，58.99]
C6 17 42.42 2.54 [41.11，43.72] 58.79 8.63 [54.35，63.23]
C7 18 41.59 3.43 [39.89，43.30] 57.54 7.56 [53.78，61.30]

第 12 期 张晋，等：基于无损检测的超役黄杉和杉木构件的剩余强度分析 3869


1—上半段抗压强度；2—上半段抗拉强度；
3—下半段抗压强度；4—下半段抗拉强度
图 5 试件 BA1 各测点所代表区间的强度
Fig.5 Strength of interval that represented by
each measuring point in BA1


(a) 抗压强度；(b) 抗拉强度
图 6 黄杉小试件强度的概率分布直方图
Fig.6 Distribution histogram of strength of small specimens
表 4 各试件考虑腐朽虫蛀影响的小试件强度标准值
Table 4 Strength standard value of small timber specimens
considering decay and bitten damages
构件编号
抗压强度
标准值/MPa
抗拉强度
标准值/MPa
BA1 27.19 23.70
BA2 44.15 45.40
BA3 40.85 40.81
BB1 39.19 38.64
BB2 39.99 40.49
BB3 36.00 36.91
C1 30.19 41.77
C2 31.59 42.09
C3 28.02 39.80
C4 34.29 46.11
C5 31.37 42.99
C6 38.24 44.59
C7 35.95 45.10

4 考虑腐朽虫蛀影响的构件剩余
强度

构件强度与小试件强度有很大的不同：小试件基
本无缺陷、尺寸小、试验时荷载为瞬时作用，而构件
有缺陷(主要是木节和裂缝，且缺陷大小和位置都是随
机的)、尺寸大并承受长期荷载等，因此，《木结构设
计手册》[13]规定构件强度 fQ按下式计算：
fQ=KQ f (3)
KQ=KQ1KQ2KQ3KQ4 (4)
式中：KQ 为由小试件强度转化为构件强度的折减系
数；f 为考虑腐朽虫蛀影响的小试件强度；KQ1为天然
缺陷影响系数；KQ2为干燥缺陷影响系数；KQ3为长期
受荷折减系数；KQ4为尺寸影响系数。
影响系数KQ1~KQ4的统计值汇总如表5所示[13−14]。
将表 5 中各影响系数代入式(4)，得 KQ；将表 4
中的小试件强度标准值和 KQ 代入式(3)，得到各构件
考虑腐朽虫蛀影响的构件剩余强度如表 6 所示。

表 5 各影响系数的统计值
Table 5 Statistical value of influence coefficient
参数 顺纹受拉 顺纹受压 受弯 顺纹受剪
KQ1 0.78 0.64 0.73 0.97
KQ2 1.00 0.90 0.85 0.82
KQ3 0.72 0.72 0.72 0.72
KQ4 1.00 0.75 0.89 0.90
中南大学学报(自然科学版) 第 42 卷 3870
表 6 考虑腐朽虫蛀影响的构件剩余强度
Table 6 Residual strength of wood members when consider
decay and bitten damages
构件编号 剩余抗压强度/MPa 剩余抗拉强度/MPa
BA1 8.46 15.31
BA2 13.73 25.50
BA3 12.70 22.92
BB1 12.19 21.70
BB2 12.44 22.74
BB3 11.20 20.73
C1 9.39 23.46
C2 9.83 23.64
C3 8.71 22.35
C4 10.67 25.89
C5 9.76 24.14
C6 11.89 25.04
C7 11.18 25.33

5 结论

(1) 随试件腐朽及虫蛀程度的增加，射钉深度增
加、阻抗减小，检测结果与目测分级结果大体一致。
但是，对于同一目测等级的试件，2 种仪器的检测结
果的变异系数都比较大，说明部分测点的目测分级并
不可靠。
(2) 建立了黄杉、杉木的射钉深度 y 关于阻力 x
的线性回归模型，并对回归方程进行显著性检验。二
者均为显著负相关。
(3) 拟合了小试件强度和阻力之间的关系曲线，
并对各回归方程进行显著性检验，均呈显著相关。
(4) 将构件各测点的阻力代入关系曲线，得到考
虑腐朽虫蛀影响的小试件强度；分析小试件强度和构
件强度的差别，最终得到考虑腐朽虫蛀影响的构件剩
余抗拉强度和抗压强度分别为 15.31~25.89 MPa 和
8.46~13.73 MPa。
(5) 超役木构件的保护、加固措施的确定，不能
仅仅考虑其剩余强度，还必须考虑到其使用环境与剩
余强度的衰退程度，以保证其具有必要的耐久性。

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(编辑 赵俊)