侯艷芳 王鑫 侯婷婷 郭靖 張艷

摘 要：針對(duì)應(yīng)力波、阻抗儀和雷達(dá)波等無(wú)損檢測(cè)方法的基本原理和特點(diǎn)，以及實(shí)際的研究和應(yīng)用狀況，從模態(tài)參數(shù)識(shí)別和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)處理兩個(gè)方面闡述了基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別方法、損傷識(shí)別的原理和在古建筑木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。從無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別兩個(gè)方面，歸納和總結(jié)了古建筑木結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)方法和新研究進(jìn)展，并對(duì)研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：古建筑木結(jié)構(gòu);無(wú)損檢測(cè);動(dòng)力特性;損傷識(shí)別

中圖分類號(hào)：TU366.2?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）01-0123-05

Research progress of damage detection methods

of ancient timber structures

HOU Yanfang1，WANG Xin2，HOU Tingting3，GUO Jing1，ZHANG Yan1

（1.School of Civil Engineering，Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，Shaanxi China;

2.School of Civil Engineering，Tianshui Normal University，Tianshui，741001，Gansu China;

3.School of Management，Xi′an University of Architecture and Technology，Xi′an 710055，China）

Abstract：In this paper，the damage detection methods and the latest research progress of ancient timber structures were summarized from two aspects：non-destructive testing technology and damage identification based on dynamic characteristics.The basic principles and characteristics of non-destructive testing methods，such as stress wave，resist graph and radar wave，as well as their practical research and application were introduced.This paper studied the damage identification method based on structural dynamic characteristics from two aspects of modal parameter identification and vibration response signal processing，and expounded the principle of damage identification and its application in ancient timber structures.In the end，the research direction of the damage identification method of ancient timber structure was prospected，which provided a reference for further research.

Key words：ancient timber structure;non-destructive testing;dynamic characteristics;damage identification

中國(guó)古建筑萌芽于原始社會(huì)末期，經(jīng)歷漫長(zhǎng)的積累和發(fā)展，逐漸形成了自己獨(dú)特的風(fēng)格和體系，是中國(guó)古代文化也是人類建筑寶庫(kù)中一份珍貴的遺產(chǎn)[1]。中國(guó)古建筑善于利用木材，其優(yōu)點(diǎn)是從采伐到施工都較便利，并且能防御地震。木結(jié)構(gòu)古建筑歷經(jīng)千年歲月的洗禮，多次經(jīng)受大地震的侵襲和考驗(yàn)，至今仍屹立不倒，成為中國(guó)建筑史上一部又一部的經(jīng)典作品。但木材本身具有易腐蝕、易發(fā)生火災(zāi)、易受雨水侵蝕和蛀蟲傷害等缺點(diǎn)，在千百年歲月的長(zhǎng)河中，由于木材本身物理性能的退化、自然環(huán)境以及人為破壞等原因，使得木結(jié)構(gòu)古建筑出現(xiàn)開裂、糟朽、蟲蛀、拔榫和彎曲變形等不同類型的破壞，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材質(zhì)性能下降，進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的殘損和破壞[2-3]。為了使這些彌足珍貴的建筑遺產(chǎn)能夠世代相傳，許多學(xué)者對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)與識(shí)別展開了相關(guān)的研究工作，取得了大量的成果。本文從無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別兩個(gè)方面歸納和總結(jié)了古建筑木結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)方法和新研究進(jìn)展，對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的損傷識(shí)別方法的研究方向進(jìn)行了展望，為進(jìn)一步的研究提供參考。

1 無(wú)（微）損檢測(cè)技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)（Non-destructive Testing，簡(jiǎn)稱NDT），是在不損壞被檢測(cè)物體的內(nèi)部組織和使用性質(zhì)的前提下，對(duì)材料的完整性和相關(guān)物理力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試和檢驗(yàn)的科學(xué)技術(shù)方法[4]。使用最早的無(wú)損檢測(cè)方法是目測(cè)法，該方法主要是通過(guò)肉眼觀察木材表面的腐朽、開裂、蟲蛀等缺陷。該方法需要操作人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)，得出的結(jié)論亦具有主觀性;人工敲擊的操作方式具有簡(jiǎn)單、快速、便捷的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)缺陷的位置和幾何尺寸的預(yù)測(cè)精度有限，存在人為主觀因素影響，檢測(cè)結(jié)果的可靠性和靈敏度較差[5-6]。

近年來(lái)，隨著光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用于古建筑木構(gòu)件的損傷檢測(cè)中。這些技術(shù)多是基于振動(dòng)波原理和射線原理而開展的，如應(yīng)力波檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、雷達(dá)波檢測(cè)等[7]。

1.1 應(yīng)力波

目前，國(guó)內(nèi)外木結(jié)構(gòu)古建筑的無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛、適用性最高的是應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)[8]。其原理是使用脈沖錘敲擊安裝在被測(cè)木構(gòu)件上的發(fā)射端傳感器，在應(yīng)力的作用下，木材內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力波，通過(guò)測(cè)量應(yīng)力波在木材橫截面中不同方向的傳播時(shí)間，反演計(jì)算出應(yīng)力波在木材內(nèi)部單元的傳播速度，生成木材的斷層圖像，從而能夠直觀、準(zhǔn)確地檢測(cè)出木材內(nèi)部缺陷的大小與位置[9-10]。應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有傳播距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、不需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，在木結(jié)構(gòu)古建筑的無(wú)損檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得了大量研究成果[11]。

有學(xué)者提出了活樹縱向-徑向（LR）面波速的解析模型，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)應(yīng)力波試驗(yàn)，確定了健康樹和缺陷樹的應(yīng)力波速度模式，所提出的應(yīng)力波速度模型可用于診斷城市樹木內(nèi)部缺陷，提高了樹木檢測(cè)中三維層析圖像的準(zhǔn)確性[12];還有使用應(yīng)力波技術(shù)對(duì)塔爾寺大金瓦殿的梁、脊檁、檁、承椽檁、房椽等5種木構(gòu)件的動(dòng)彈性模量進(jìn)行了測(cè)定[13-14];分析了應(yīng)力波在古建筑木材中傳播速度的影響因素及其影響規(guī)律[15]。

1.2 阻抗儀

阻力儀是一種近似無(wú)損或微創(chuàng)的檢測(cè)設(shè)備，其工作原理是：在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，以恒定的速率將探針刺入木材內(nèi)部，記錄探針在鉆入材料內(nèi)部過(guò)程中所受到的阻力，顯示出阻力曲線圖像，使用者結(jié)合木材學(xué)知識(shí)，判斷出木材的密度、年輪數(shù)以及木材內(nèi)部的腐朽、裂縫、空洞等具體狀況[16-17]。使用阻力儀可對(duì)不同類型的木材進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)阻力曲線的變化和下降對(duì)木材內(nèi)部腐朽的狀況進(jìn)行判斷[18-19]。

在古建筑木構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)中，阻力儀主要用于判斷木構(gòu)件內(nèi)部的狀況，如可以根據(jù)木構(gòu)件的密度判斷其木材的材質(zhì)狀況，以及腐朽、蟲蛀、裂縫的情況和空洞的位置等[20]。中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所于2004年首次將木材阻力儀用于古建筑的維護(hù)勘查中，對(duì)古建筑木構(gòu)件的材質(zhì)狀況進(jìn)行了勘測(cè)[21];對(duì)故宮武英殿維修時(shí)替換下來(lái)的100～130年的落葉松進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)阻力值與木材物理力學(xué)性能的關(guān)系，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了定量分析[22-23];對(duì)北京市古建筑常用的木材落葉松進(jìn)行檢測(cè)，先使用應(yīng)力波檢測(cè)儀初步判斷了木構(gòu)件缺陷的大小和位置，再結(jié)合微鉆阻力儀進(jìn)一步檢測(cè)了缺陷的尺寸和類型[24]。

1.3 雷達(dá)波

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR）無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是利用高頻電磁波的反射來(lái)檢測(cè)被探測(cè)物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)[25]。目前，該項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用于林業(yè)領(lǐng)域的植物根系探測(cè)[26-27]、活立木內(nèi)部缺陷的檢測(cè)[28]等，在木材特別是古建筑木構(gòu)件內(nèi)部的殘損檢測(cè)方面僅部分學(xué)者開展了一些探索性研究。雷達(dá)波檢測(cè)應(yīng)用于木材無(wú)損檢測(cè)時(shí)，由于木材內(nèi)部空洞、腐朽等缺陷位置與木材本身具有不同的介電性、導(dǎo)磁性等物理特性，因而對(duì)電磁波有不同的波阻抗，電磁波在不同介質(zhì)的交界面上會(huì)發(fā)生反射，反射的電磁波脈沖其強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的介電性能而變化，通過(guò)記錄反射波的到達(dá)時(shí)間、幅度等信息可以推斷木材內(nèi)部的殘損情況[29]。

有學(xué)者利用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)松柏類、針葉類樹木樹皮表面孔洞以及樹木內(nèi)部的缺陷進(jìn)行了探測(cè)[30];闡述了探地雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)的分析，區(qū)分了原木的缺陷部分和良好部分，并利用MATLAB算法找到了探地雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)缺陷的位置和大小[31]。

采用雷達(dá)波樹木無(wú)損探測(cè)技術(shù)與樹木雷達(dá)分析軟件，對(duì)頤和園內(nèi)6棵古柳的內(nèi)部異常情況進(jìn)行雷達(dá)波探測(cè)成像試驗(yàn)。結(jié)果表明：雷達(dá)波成像解析結(jié)果準(zhǔn)確且與實(shí)際情況相符程度高，表明樹木雷達(dá)系統(tǒng)可以對(duì)樹木內(nèi)部異常分布情況進(jìn)行高效無(wú)損的檢測(cè)、成像和解析[32]。

2 基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別

基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別是通過(guò)對(duì)比分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的改變來(lái)判定結(jié)構(gòu)性能的變化，并且可以采用一定的技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)構(gòu)建損傷識(shí)別指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別和定位，甚至可以進(jìn)一步量化結(jié)構(gòu)的損傷程度?；诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別方法更側(cè)重于評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體性能，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法只是局限于結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測(cè)的不足[33]。

2.1 古建筑木結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別

結(jié)構(gòu)的阻尼、頻率和振型等是能夠反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的主要振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，而結(jié)構(gòu)損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度或質(zhì)量的損失，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)發(fā)生變化[34-35]。

有學(xué)者定義了古建筑木構(gòu)件榫卯節(jié)點(diǎn)的半剛性特點(diǎn)，通過(guò)建立西安北門箭樓木結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，確定了半剛性節(jié)點(diǎn)剛度的范圍;并對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析，得到了箭樓的前六階振動(dòng)模態(tài)[36]。還有學(xué)者分別采用環(huán)境激勵(lì)法和錘擊法對(duì)韓國(guó)首爾傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)東大門的動(dòng)力特性進(jìn)行研究，獲得了結(jié)構(gòu)的固有頻率和相位信息[37]。將隨機(jī)減量法與ITD法相結(jié)合，有效識(shí)別了某藏式古建筑木結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的模態(tài)頻率和阻尼比[38]。通過(guò)對(duì)西安鐘樓進(jìn)行實(shí)際振動(dòng)監(jiān)測(cè)，得到了木結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)，采用小波和奇異值理論相結(jié)合的方法，對(duì)鐘樓木結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別[39]。

2.2 基于振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)處理的損傷識(shí)別

模態(tài)參數(shù)識(shí)別需要對(duì)激勵(lì)進(jìn)行測(cè)量或假設(shè)其為白噪聲激勵(lì)，不適用于激勵(lì)未知情況下的損傷檢測(cè)[40]。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生改變，因此可以利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的變化來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，交通激勵(lì)荷載引起的微幅振動(dòng)對(duì)古建筑的損傷影響越來(lái)越大，越來(lái)越多的學(xué)者開展了交通激勵(lì)荷載下基于振動(dòng)響應(yīng)的古建筑損傷識(shí)別方法研究。

以西安鐘樓為工程依托，建立了隨機(jī)激勵(lì)作用下古木框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)上各測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行小波包分解，并建立小波包能量曲率差的損傷識(shí)別指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷定位分析[41-42];構(gòu)建了能量比偏差和能量比方差兩個(gè)損傷識(shí)別敏感性指標(biāo)，研究了不同小波函數(shù)和小波包分解層次對(duì)鐘樓木結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別，結(jié)果表明：兩個(gè)指標(biāo)都能有效地識(shí)別損傷，且具有一定的抗噪聲干擾能力[43]。對(duì)木框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬與瞬態(tài)分析，采用隨機(jī)共振理論對(duì)各節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，并對(duì)降噪后的動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行小波分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)木框架損傷單位的損傷定位[44]。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，古建筑木結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別研究得到了快速的發(fā)展，越來(lái)越多的方法被應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別和安全評(píng)估中并取得一定的成果，但仍存在較多問(wèn)題需要不斷研究：

（1）尋找古建筑木結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的新原理和新方法，進(jìn)一步提高木結(jié)構(gòu)古建筑無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的實(shí)用性和先進(jìn)性;

（2）目前，大多研究是以數(shù)值模擬為主，通過(guò)建立有限元模型模擬結(jié)構(gòu)的損傷，模型簡(jiǎn)單，不能全面反映古建筑木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn);另一方面，損傷主要以構(gòu)件為主，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的研究還較少;

（3）目前的研究主要是定性的評(píng)價(jià)，損傷程度的量化和壽命的評(píng)估還沒(méi)有做到，尚不能為木結(jié)構(gòu)古建筑的維護(hù)和加固提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，有待進(jìn)一步的研究。

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