木结构可能会因耐久性问题导致失效,目前我国对木结构耐久性的研究远落后于其他结构,尤其是结构、构件层面的耐久性问题。2015年版的《民用建筑可靠性鉴定标准》新增了混凝土结构、钢结构和砌体结构的耐久性评估方法,唯独缺失木结构耐久性评估。2018年更新的《建筑结构可靠性设计统一标准》中建议出现以下现象时需要关注木结构的耐久性状态:腐朽、虫蛀、白蚁侵害、翘曲变形和干缩裂缝现象,但对各项指标等级并未做出明确指引。腐朽和干缩裂缝是在役木结构最常见的结构损伤,这两者也是木结构耐久性评价的重要指标。因此,本文将基于木材腐朽和干缩裂缝的成因,以环境温湿度为主要考虑因素,采用理论分析、实体试验、现场检测与有限数值模拟相结合的方法,对这两者进行研究。木材阻抗仪检测是目前较为公认的木构件腐朽检测方法,然而目前的阻抗仪检测规程尚不能定量判断表面腐朽深度,也就无法定量计算构件的剩余承载力。要想获得较为准确的腐朽深度,首先需要弄清健康材中不同材质与阻力曲线的对应关系。因此,本文第二章根据不同材质木材的密度特点及其对应阻力曲线的特征,提出了木材材质的波形判别分区法;针对一般健康材心材区的阻力均值要高于边材区阻力均值的特征,在波形判别分区的基础上提出了区域阻力均值分析法,以初步判别构件是否存在心腐;然后在此基础上,首次提出了基于阻抗率的推进法来实现表层腐朽界限的定量判别。在阻抗率推进计算时,从构件外表面起,每次划分向内推进一个年轮(波峰或波谷),将外表面至该分界点之间的区间视为可能腐朽区。若腐朽只发生在边材区域,应将边材区的剩余区域作为可能健康区;当表层腐朽深入心材后,则以心材区剩余区域作为可能健康区。比较推进过程中阻抗率的变化发现:在真实腐朽界限处总是存在阻抗率的极小值或突变值,将其对应位置作为腐朽/健康材的临界点,可以得到腐朽深度。最后,为实现对在役木构件损伤现状的有效评价,结合现有规程提出了一套木材阻抗仪检测时应遵循的步骤。现有理想环境下木材腐朽试验均只有腐朽后木材力学性能变化数据,尚无针对腐朽深度变化的数据分析。为给复杂的自然环境下构件腐朽深度演化研究提供基础,本文第三章参照木材力学性能测试的相关规范,设计制作了一批尺寸较小的试样,将其置于理想温湿环境下进行了单面人工加速腐朽试验。对经历不同腐朽时间的木试样进行现象观察,测定了木试样的失重率、名义力学性能退化率和单面腐朽深度。结果表明:试样的失重率对于腐朽的敏感性并不高,木材力学性能变化对腐朽的敏感性明显较强;在腐朽第84天时,腐朽试样的名义抗弯弹性模量、名义抗弯强度、名义顺纹抗压强度的退化率分别达到了20%、15%和14%。最后,基于单面均匀腐朽和腐朽部分的木材顺纹抗压强度为健康材对应值10%的假定,利用名义顺纹抗压强度退化率随腐朽时间的变化关系,以及无损检测得到的理想环境腐朽84天试样的腐朽深度,建立了理想环境下木材腐朽深度的时变模型。干缩裂缝在构件剪切面上的深度对剩余承载力有重要影响,为研究不同环境湿度下木构件横截面上的含水率分布及干缩裂缝深度变化情况,本文第四章设计了两组不同尺寸的圆形截面木构件进行室内加速试验。通过调节环境箱内的相对湿度,使试件在试验过程中发生吸湿和解湿,在特征时间点测定和记录试件横截面上的含水率分布情况、干缩裂缝深度、位置和形态。结果表明:在解湿阶段,构件横截面含水率随时间呈指数下降趋势,含水率沿径向近似二次多项式分布;试验过程中产生的干缩裂缝均为TR型裂缝,裂纹起裂、扩展基本都发生在解湿阶段;可以将干缩裂缝的发展以相对深度0.8为界分为快速发展阶段和稳定发展阶段;在快速发展阶段,裂缝相对深度随时间线性增长;无初始裂缝的试件中裂纹扩展速率明显高于有初始裂缝的试件,但裂缝初始深度对扩展速率的影响并不明显;对于多裂缝构件,尽管各裂缝出现时间不同,但其开展速率却几乎一致。本文第五章首先对木构件中湿度传递、裂纹起裂和扩展机理进行了分析。借助菲克第二定律、结合现有热力学知识,分析了木构件中的瞬态湿度传递。采用线弹性模型分析了起裂条件,基于断裂能释放率准则判定裂纹扩展;然后利用试验数据确定了后续有限元分析需要的各项参数。在理论分析的基础上,提出了先利用热传递分析模块进行湿度传递模拟,再将湿度传递计算结果文件导入湿度应力及裂纹扩展的分析模型中,利用静力分析模块及其包含的XFEM功能进行相应计算的有限元建模分析方法。通过比较有限元结果与第四章试验结果,验证所提有限元方法的有效性。最后利用有限元方法探究了不同循环参数环境下的裂纹扩展情况,结果表明:外界相对湿度变化对应的平衡含水率均值越低,含水率稳定后构件各层含水率的降低幅度越大,裂纹扩展会越快,但各层含水率达到稳定的时间与幅值无明显关系;周期的长短对于裂纹的扩展速率有显著影响,同等条件下周期越长,裂纹扩展越慢。由于木结构剩余耐久年限预测需要基于木结构构件的损伤演化模型才能获得,而构件损伤的演化规律则与其所处环境息息相关。所以,本文第六章基于对腐朽和干缩裂缝演化影响因素的分析,设定了腐朽起始时间、腐朽程度因子、环境因子、腐朽深度变化速率、湿度扩散系数折算系数等参数,并提出了具体的计算方法,以此初步建立了自然环境下木构件的腐朽深度和干缩裂缝深度演化模型。通过对乌鲁木齐、北京、南京、勐腊和拉萨这五个代表城市具体环境数据的实例分析,讨论了我国主要环境气候下木构件的腐朽及干缩裂缝的演化规律,对各地木构件的腐朽深度、干缩裂缝深度达到规范所述残损点标准的年限进行了预测。结果表明:每天的温度波动越大,腐朽程度因子和环境因子值受环境数据取样时间间隔的影响会越明显;对自然环境下干缩裂缝进行有限元软件分析时,需要先根据各地实际温度对试验得到的湿度扩散系数计算公式进行折减,再将相应参数输入软件,对有限元分析得到的扩展速率还需要用系数0.4进行修正;北京、南京和勐腊木构件分别在123~293年、22~45年和6~7年内达到腐朽残损点标准;乌鲁木齐、北京、南京和拉萨木构件分别在1~4年、1~3年、2~3年和1~2年内达到干缩裂缝残损点标准,勐腊木构件则不会发生裂纹扩展。