一种木材横纹抗拉强度检测装置和现场测试方法

技术领域

本发明涉及木材强度检测技术领域，具体涉及一种木材横纹抗拉强度检测装置和现场测试方法。

背景技术

木结构具有悠久的历史，被广泛应用于世界各地。但木结构建筑在服役期内容易遭受损伤且木材的力学性能离散性较大，在检测和评估时难以了解其安全状况。木材横纹抗拉强度是评估木结构安全性的重要参数之一。传统的检测方法需要通过木材的清样小试件材性试验才能获取木材的横纹抗拉强度，但是在评估既有木结构安全性能时会对结构造成较大的损伤，且花费较长的时间。因而，有必要采取技术措施研发快速便捷的、微损或无损的木材横纹抗拉强度现场测试方法。

发明专利CN110726586A公开了一种木材强度的现场微损取样检测方法，其包括以下步骤:S1、制备取样钻头和钢垫板，在所述钢垫板上开设导向孔，并将取样钻头安装在电钻上；S2、将所述钢垫板放置于木材表面，并与所述木材固定连接；S3、沿着木材竖纹方向，依次间隔地通过所述取样钻头穿过导向孔后转入到木材中获取多个芯样；S4、将芯样进行称重处理得到木材的密度；S5、获取芯样的实验参数，建立回归方程并确定木材强度。该发明可消除传统钻头对木材的炭化，从而有效降低钻孔过程对芯样和木材的损伤并可保证木材强度预测的结果具有较高的精度。但是，该检测方法需要在现场取样后在实验室内完成木材材性的测量和计算，花费时间较长。

发明专利CN110646510A公开了一种敲击法木构件无损检测试验台及方法，包括:机架、敲击装置、木构件固定装置与信号采集装置；所述的机架用于支撑固定敲击装置、木构件固定装置与信号采集装置；所述的敲击装置用于实现试验过程中的自动化敲击；所述的木构件固定装置用于完成对不同尺寸的试验对象的夹紧固定；所述的信号采集装置实现试验中两种信号的同步采集；避免了对试验人员感觉与经验在敲击过程中的过度依赖，对木构件进行自动化敲击检测，节省试验时间，同时可以对力学、宏观声学信号进行同步采集，以进行更加可靠的数据处理与分析，为敲击法无损检测的机理研究提供可靠数据采集方式，为智能化敲击装置的研发提供理论支持。但是，该方法涉及的试验台过大，不利于现场的结构原位检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种木材横纹抗拉强度检测装置和现场测试方法，具有能在现场快速得到试验结果且对木构件受力性能损伤较小等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种木材横纹抗拉强度检测装置，包括架体、连接装置和施力装置；所述的架体设置在待测木构件上，连接装置设置在架体下方，连接装置一端连接待测木构件，另一端连接施力装置；所述的连接装置包括力传感器。所述的施力装置可以缓慢施加拉力，并能连接力传感器读取荷载大小，所述的力传感器的精度不低于5N，最大量程为500N～1000N。施力装置的加载速度可达到2.5mm/min。

进一步地，所述的施力装置固定在架体上方的中心位置，施力装置的底部连接有连接装置。施力装置设置在架体上方的中心位置可以保证架体整体受力平衡，装置不会因偏心受力而产生不必要的倾斜。

所述的连接装置还包括依次设置的万向铰、夹持装置和钢木连接构件，所述的力传感器一端连接万向铰，另一端连接施力装置，所述的钢木连接构件一端连接夹持装置，另一端连接木构件。所述的钢木连接构件底部设置有圆盘，可提高与木构件的连接面积和稳定性。万向铰的设置可以保证当因人工误差或现场条件限制、施力装置中轴线未对准钻孔中心时，钢木连接构件仍可与待测木构件相连，确保测试快速有效地进行。夹持装置和钢木连接构件的设置的优点在于：钻孔完成后，钢木连接构件可以先与环形槽中心的木材通过环氧树脂粘结在一起，在静置等待环氧树脂固化的时间内，可以安装架体，随后再通过夹持装置连接钢木连接构件。简单地来说，夹持装置和钢木连接构件的设置可以使得在有需求的情况下，不同的工序同时进行，加快测试速度。

进一步地，所述的钢木连接构件通过环氧树脂与木构件连接。环氧树脂具有粘结力强、机械强度高、达到预期强度的速度较快和不会侵入木材影响木材材性等优点。环氧树脂的粘结强度需大于木材横纹抗拉强度，环氧树脂不能过薄或过厚，过薄的环氧树脂可能导致粘结失效，过厚的环氧树脂不会对检测结果产生影响，但是静置等待其固化的时间会增加，影响试验效率。每次测试时环氧树脂厚度应尽量统一。

所述的架体包括平行且对称设置的支架，分别固定在左右两侧的支架上的第一方钢管和对称固定在左右两侧第一方钢管上的第二方钢管。

进一步地，所述的支架有四根，竖直设置在木构件上，所述的第一方钢管有两根，分别水平连接左右两侧两根相邻的支架，所述的第二方钢管有两根，水平连接左右两侧的两根第一方钢管。

更进一步地，所述的第一方钢管固定在支架的顶部，所述的第二方钢管固定在第一方钢管的顶部，所述的施力装置水平固定在两根第二方钢管中间。

架体的结构设计要点在于要考虑到架体整体的受力方向与施力装置的施力方向一致，结构在该方向上应保证有较强的强度和刚度，避免对测试结果可能存在的影响。

所述的支架外侧底部固定有角钢，支架通过穿过角钢的自攻螺钉固定在木构件表面。角钢可提高支架在木构件上的连接强度和稳定性，穿过角钢的自攻螺钉应较小，型号可采用十字槽或开槽的自攻螺钉C型，螺钉直径小于3mm，长度小于8mm，避免对木构件结构造成较大影响。

一种木材横纹抗拉强度的现场测试方法，使用上述的木材横纹抗拉强度检测装置，具体包括以下步骤：

第一步：通过装有空心钻头的电钻，在木构件表面中性轴附近钻得一环形槽；

第二步：将架体固定在木构件表面，使得架体的中心与环形槽中心对齐；

第三步：将连接装置与环形槽中心的木材通过环氧树脂粘结在一起，并静置使环氧树脂固化；

第四步：通过施力装置施加拉力，将环形槽中心的木材拔出；

第五步：读取拉拔过程中的最大荷载，并换算成木材的横纹抗拉强度。

第一步所使用的空心钻头是市场上常用的木工空心钻头，可打孔深度超过20mm以上，电钻是市场上常用的便携式钻孔机，可在水平表面上打垂直于表面的孔洞。

进一步地，第一步所述的电钻钻孔速度在90r/min以内；

第三步所述的环氧树脂粘结过程为：将圆管形模具插入环形槽中，接着在模具中加入适量环氧树脂，再将钢木连接构件的圆盘端插入模具，与环氧树脂接触，最后静置使环氧树脂固化；

第五步所述的木材的横纹抗拉强度的计算方法为：

式中，σ为木材横纹抗拉强度，单位为MPa；F

电钻钻孔速度不宜过高，避免导致木材碳化和强度降低。本发明所述的木构件包括但不限于木梁和木柱等，打孔位置尽量考虑木构件表面中心轴附近，避免钻孔影响木构件的抗弯性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明通过对木材横纹抗拉强度检测装置的结构设计，架体作为连接支撑构件，施力装置作为施力构件，连接装置作为检测构件，通过各构件的配合使得检测装置在现场即可快速得到较为精确的测试结果；

2.本发明现场测试方法简单，仅需对待测木构件钻环形槽并将检测装置固定在木构件上，测试更为便捷快速；

3.本发明在木构件表面中性轴附近钻环形槽，并控制电钻钻孔转速，避免钻孔影响木构件抗弯性能、木材碳化以及强度降低等，对木构件受力性能损伤较小；

4.本发明通过对架体结构的设计和支架外侧底部角钢的设置，使检测装置整体结构更为稳定，便于提高测试的精度和准确性；

5.本发明通过万向铰、夹持装置、钢木连接构件、环氧树脂的设置，使得木材横纹抗拉强度检测装置与现场测试方法相匹配，能适应多种工程实际情况；

6.本发明检测装置的构造简单，方便携带和拆装，便于工程推广。

附图说明

图1为本发明木材横纹抗拉强度检测装置的现场测试的状态图；

图2为架体的正视图；

图3为架体的俯视图；

图4为架体的侧视图；

图5为连接装置的结构示意图；

图中：10-木构件，20-架体，21-支架，22-角钢，23-第一方钢管，24-第二方钢管，30-连接装置，31-力传感器，32-万向铰，33-夹持装置，34-钢木连接构件，40-施力装置，50-环氧树脂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种木材横纹抗拉强度检测装置，如图1所示，包括架体20、连接装置30和施力装置40，架体20通过底部外侧设置的角钢22固定在待测木构件10上。施力装置40固定在架体20上方的中心位置，施力装置40底部连接有连接装置30，连接装置30底部通过环氧树脂50连接木构件10。

如图2～4所示，架体20包括平行且对称设置的四根支架21，支架21竖直固定在木构件10上，两根第一方钢管23分别水平固定在左右两侧的两根支架21顶部，两根第二方钢管24水平固定在左右两侧的两根第一方钢管23的顶部。在每根支架21的底部外侧均设有角钢22，十字槽或开槽的C型自攻螺钉穿穿过角钢22，将支架21固定在木构件10上。

如图5所示，连接装置30包括依次相连的力传感器31、万向铰32、夹持装置33和钢木连接构件34，力传感器31为S型拉力传感器，精度为5N，最大量程为500N～1000N，可选用上海久制传感仪器有限公司的产品S型拉压力传感器U10A，其中型号U10A-50kg和U10A-100kg的最大量程为500N和1000N，精度分别为0.25N和0.5N，满足要求。力传感器31顶部连接施力装置40，底部连接万向铰32，万向铰32可保证当因人工误差或现场条件限制、施力装置中轴线未对准钻孔中心时，钢木连接构件仍可与待测木构件相连，确保测试快速有效地进行。万向铰32底部连接夹持装置33，夹持装置33连接钢木连接构件34，夹持装置33和钢木连接构件34可使得在有需求的情况下，不同的工序同时进行，加快测试速度。钢木连接构件34底部设有圆盘，可与环氧树脂50粘结在一起，通过环氧树脂50与木构架10连接。施力装置40加载速度可达到2.5mm/min，最大拉力可达3000N以上。

一种木材横纹抗拉强度的现场测试方法，具体包括以下步骤：

第一步：通过装有空心钻头的电钻，在木构件10表面中性轴附近钻得一环形槽，空心钻头内径为10mm，外径为12mm，即壁厚为2mm，电钻钻孔速度为80～90r/min，钻得的环形槽内径深度为8～16mm，环形槽中心的木材半径为5mm；

第二步：将架体20固定在木构件10表面，使得架体20的中心与环形槽中心对齐；

第三步：将连接装置30与环形槽中心的木材通过环氧树脂50粘结在一起，将内径为10mm，外径为12mm，即壁厚为2mm的圆管形模具插入环形槽中，在模具中倒入适量环氧树脂50，再将钢木连接构件34的圆盘端插入模具，与环氧树脂接触，最后静置5min左右使环氧树脂固化；

第四步：通过施力装置40缓慢施加拉力，将环形槽中心的木材拔出；

第五步：读取拉拔过程中的最大荷载，并换算成木材的横纹抗拉强度，公式为：

式中，σ为木材横纹抗拉强度，单位MPa；F

本发明测试方法通过便携的检测装置，在现场可以快速测得木构件的横纹抗拉强度。测试方法属于力学试验，相比其他无损或微损检测方法(如应力波检测法和超声波检测法等)有更高的精度和易操作性。相比国家标准《木材横纹抗拉强度试验方法(GB/T 14017-92)》，本发明测试方法的试件横纹抗拉横截面形状和尺寸有所不同，检测结果可能不一致，但可以通过预先研究标定本发明测试方法的结果与国家标准试验结果的线性关系，从而为本发明的使用者提供更直观的数据。需要强调的是，本发明测试方法是现场微损测试，适用于可以接受低损伤检测的建筑，例如历史保护建筑中的木构件等。而国家标准《木材横纹抗拉强度试验方法(GB/T14017-92)》所需要的试件整体尺寸过大，在既有建筑检测时是难以运用该标准的试件方案进行取样和检测的。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。