尹婷婷 韓振華 許 鵬

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

我國古建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件因生物破壞、環(huán)境或使用年限等影響，容易產(chǎn)生裂縫、蟲蛀、內(nèi)部孔洞等內(nèi)部殘損缺陷，使古建筑的安全存在隱患[1]。對木構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測以評估安全狀況以及合理修繕、加固和保護(hù)古建筑木結(jié)構(gòu)十分必要。目前主要采用目視、敲擊辨聲等粗略判定殘損類型[2]，對木構(gòu)件內(nèi)部殘損的具體形態(tài)信息無法獲取。近年來，針對古建筑木構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測，采用不破壞木構(gòu)件外觀的無損檢測技術(shù)進(jìn)行了大量研究和實踐應(yīng)用，如應(yīng)力波檢測法，鉆入阻抗檢測法或兩者聯(lián)合檢測等[3-7]。但還是存在檢測方法精確度、檢測手段適宜性以及檢測結(jié)果準(zhǔn)確性均缺乏相關(guān)深入研究的問題，以至于針對古建筑木結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測成果至今仍然缺乏廣泛認(rèn)可[8]。本文針對木構(gòu)件常見的主要缺陷，主要研究采用應(yīng)力波無損檢測技術(shù)定性及定量識別和判定木構(gòu)件裂縫、內(nèi)部孔洞等殘損狀況，以提高應(yīng)力波無損檢測技術(shù)對殘損缺陷檢測與識別的準(zhǔn)確性。

1 試驗原理和方法

應(yīng)力波技術(shù)檢測木材內(nèi)部殘損缺陷的原理如圖1所示[9]。通過檢測木構(gòu)件在垂直于木材紋理方向的橫向應(yīng)力波傳播速度，并與同種木材健康材的橫向傳播速度進(jìn)行比較，根據(jù)傳播速度的衰減率來判斷木構(gòu)件的內(nèi)部腐朽狀況。本研究通過模擬木構(gòu)件常見的主要缺陷，判斷應(yīng)力波檢測內(nèi)部殘損的識別情況，分析識別的殘損面積和實際殘損面積之間的數(shù)值關(guān)系與誤差，基于此判斷缺陷檢測的精度并提出針對相應(yīng)樹種的應(yīng)力波檢測殘損面積修正公式，達(dá)到提高對木結(jié)構(gòu)殘損檢測準(zhǔn)確性的目的。

圖1 木材橫向檢測的原理示意

1）木柱截取高100 mm試件若干，先測量花旗松健康材橫向應(yīng)力波波速，得到健康材應(yīng)力波波速及模擬圖像。

2）模擬不同位置和大小的孔洞，將測試過的健康材通過人工挖取孔洞，設(shè)置單因素試驗，研究應(yīng)力波識別及定量檢測孔洞面積大小的能力?？锥疵娣e分別為健康材面積的1/25、1/8、1/4、1/3、1/2，位于中心，5個試件編號依次為KD1—KD5，分別進(jìn)行應(yīng)力波橫向波速測試。設(shè)置單因素試驗，研究孔洞位置與識別和定量評價孔洞大小的關(guān)系，將大小為健康材1/25、1/8、1/4的孔洞，從中心位置依次偏離健康材半徑的1/4、1/3和1/2，編號依次建立為KD1-1、KD1-2、KD1-3，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3。分析是否識別孔洞及成像檢測的面積。

3）模擬不同面積的蟲蛀，將測試過的健康材通過人工密集鉆孔，設(shè)置單因素試驗，研究應(yīng)力波識別及定量檢測蟲蛀面積大小的能力。蟲蛀面積分別為健康材面積的1/25、1/8、1/4、1/3、1/2，位于中心，5個試件編號依次為CZ1—CZ5，分別測試應(yīng)力波橫向波速，分析是否識別孔洞及成像檢測面積。

4）模擬不同寬度和長度的裂縫，將測試過的健康材通過人工挖取十字交叉縫隙。設(shè)置單因素試驗，研究應(yīng)力波識別及定量檢測裂縫長度的能力。裂縫寬設(shè)為30 mm，裂縫長度分別為健康材直徑的1/4、1/3、1/2，位于中心，3個試件編號分別為LF1—LF3。設(shè)置單因素試驗，研究應(yīng)力波識別及定量檢測裂縫寬度的關(guān)系，裂縫長度設(shè)為直徑的1/2（即200 mm），裂縫寬度依次設(shè)置為3、15 mm，編號依次為LF3-2、LF3-3。分析能否識別裂縫以及裂縫的長度等。

2 試驗材料和設(shè)備

2.1 試驗材料

選取常用樹種花旗松原木柱進(jìn)行無損檢測，直徑40 cm。

2.2 試驗設(shè)備

試驗采用匈牙利產(chǎn)FAKOPP 3D Acoustic Tomograph應(yīng)力波檢測儀。根據(jù)試件截面尺寸選擇12個傳感器，傳感器探針位置按試件周長平均分布，逐個敲擊測感應(yīng)探針（圖2）。本試驗中采用的FAKOPP 3D Acoustic Tomograph通過設(shè)備自帶的ArborSonic 3D軟件，對采集到的應(yīng)力波傳播時間數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行處理，得到木構(gòu)件截面內(nèi)部情況計算機(jī)模擬圖像。通過顏色（圖3）區(qū)分可以顯示健康材和內(nèi)部殘損，并對殘損位置和面積進(jìn)行粗略判定。

圖2 設(shè)備及檢測示意

圖3 應(yīng)力波檢測顯示顏色圖例

3 結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力波檢測不同缺陷分析

3.1.1 模擬孔洞測試結(jié)構(gòu)分析

開孔后的試件KD1—KD5及試驗測得的應(yīng)力波測試模擬圖像如圖4所示。從KD1-KD5試件的應(yīng)力波測試模擬圖像的缺陷位置可見，ArborSonic 3D 軟件可較準(zhǔn)確地反映出孔洞在截面中的位置；從KD1—KD5試件的應(yīng)力波測試模擬圖像的缺陷大小可見，ArborSonic 3D軟件可顯示缺陷面積的占比，隨著模擬孔洞面積增加，缺陷顯示面積增加。其中KD1的缺陷顯示不明顯，KD2—KD5（1/8、1/4、1/3、1/2）缺陷面積可很好地顯示，因為KD1的缺陷面積為1/25（4%），說明軟件對于一定小的缺陷面積檢測精度不夠。

圖4 不同孔洞大小試件及應(yīng)力波測試模擬圖像

編號KD1—KD3孔洞從中心位置依次偏離中心健康材半徑的1/4、1/3和1/2，編號依次建立為KD1-1、KD1-2、KD1-3，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3的檢測結(jié)果如圖5～圖7所示。KD1-1、KD1-2、KD1-3試件的應(yīng)力波測試模擬圖像中，缺陷同樣顯示不明顯，相同大小的孔洞在不同位置都不能顯示。KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3試件的應(yīng)力波測試模擬圖像中，隨著孔洞位置設(shè)置的偏移，缺陷顯示的位置也相應(yīng)偏移，說明應(yīng)力波無損檢測可以較準(zhǔn)確地反映出孔洞在截面中的相對位置，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3應(yīng)力波測試模擬圖像同樣也可以顯示缺陷的面積變化。說明缺陷的位置不是影響應(yīng)力波檢測結(jié)果的因素，缺陷面積是影響應(yīng)力波定性和定量檢測的關(guān)鍵因素。

圖5 KD1不同偏離中心位置試件及應(yīng)力波測試模擬圖像

圖6 KD2不同偏離中心位置試件及應(yīng)力波測試模擬圖像

圖7 KD3不同偏離中心位置試件及應(yīng)力波測試模擬圖像

綜上，應(yīng)力波無損檢測可較準(zhǔn)確和直觀地反映孔洞在截面中的位置和占比，缺陷面積是影響應(yīng)力波定性和定量檢測的關(guān)鍵因素，當(dāng)孔洞面積小于一定值，缺陷顯示和占比不明顯。

3.1.2 模擬裂縫測試結(jié)果分析

開孔后的試件LF1—LF3及試驗測得的應(yīng)力波測試模擬圖像如圖8所示。對于模擬的寬度為30 mm，LF1試件的應(yīng)力波測試模擬圖像中，長為直徑1/4的十字形裂縫不能明顯顯示，LF2、LF3試件的應(yīng)力波測試模擬圖像中，長為直徑1/3、1/2的十字形裂縫可顯示缺陷及其相對位置，同時，隨著裂縫長度的增加，缺陷顯示面積增加，但應(yīng)力波檢測軟件不能按試件缺陷形狀顯示缺陷的形狀。說明應(yīng)力波檢測軟件可識別裂縫缺陷的存在，但無論缺陷的形狀如何，其應(yīng)力波檢測模擬圖像皆顯示為截面近似圓形或不規(guī)則的殘損孔洞，不能識別出缺陷的不同幾何形狀。因此可判斷，應(yīng)力波測試儀自帶軟件對缺陷形狀的識別精確度不高。

圖8 不同裂縫長度試件及應(yīng)力波測試模擬圖像

開孔后的試件LF3、LF3-2、LF3-3及試驗測得的應(yīng)力波測試模擬圖像如圖9所示。從圖9可知，對于模擬的不同裂縫寬度十字形裂縫，寬度分別為30、3、15 mm，長200 mm的內(nèi)部裂縫，應(yīng)力波檢測軟件都可以檢測出缺陷的存在，顯示缺陷的相對位置，并且隨著裂縫寬度的增加，模擬圖像缺陷顯示明顯，缺陷面積占比更大。因此可以判斷，裂縫長度和寬度都會影響應(yīng)力波無損檢測對裂縫的識別，可能是因為缺陷面積的增大。

圖9 不同裂縫寬度試件及應(yīng)力波測試模擬圖像

綜上，應(yīng)力波無損檢測可以識別裂縫為缺陷以及其相對位置，但不能明確判斷或顯示為裂縫。裂縫長度和寬度影響識別能力，裂縫越大，缺陷顯示越大。

3.1.3 模擬蟲蛀測試結(jié)果分析

開孔后的試件CZ1—CZ5及試驗測得的應(yīng)力波測試模擬圖像如圖10所示。從圖10可知，對于模擬的蟲蛀，應(yīng)力波檢測軟件基本上不能識別缺陷的存在。文獻(xiàn)[8]指出，應(yīng)力波測試儀能夠較準(zhǔn)確地分辨出構(gòu)件內(nèi)部仍有木材纖維組織松散相連的狀態(tài)，但本試驗表明對于大面積密集的模擬蟲蛀，應(yīng)力波檢測軟件基本上不能識別?？赡苣M試件與實際情況存在差別，如蟲眼密度，需要進(jìn)一步研究。

圖10 不同蟲蛀大小試件及應(yīng)力波測試模擬圖像

3.2 應(yīng)力波檢測缺陷面積分析

以模擬孔洞缺陷面積為研究對象，孔洞實際面積與應(yīng)力波檢測的孔洞面積測試結(jié)果如表1所示?？芍?，在軟件默認(rèn)參數(shù)設(shè)置條件下，應(yīng)力波檢測圖像模擬出的檢測面積和實際模擬的孔洞面積間存在較大誤差。以實際孔洞面積為應(yīng)變量（y），以開孔后測量缺陷面積為自變量（x），進(jìn)行回歸分析，所得應(yīng)力波測量缺陷面積與實際缺陷面積關(guān)系回歸模型及相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和決定系數(shù)如圖11所示。

表1 孔洞面積測試結(jié)果

圖11 缺陷實際面積與應(yīng)力波無損檢測面積關(guān)系

從圖11可知，模擬出的實際孔洞面積和應(yīng)力波檢測的孔洞面積之間有統(tǒng)計上的線性關(guān)系。其回歸方程為y＝1.235 3x＋3.711 8，決定系數(shù)為R2＝0.965，決定系數(shù)R2＞0.5，為強相關(guān)，通過回歸分析，得到p＝0.000 465＜0.001，具有非常顯著的意義?？梢?，通過應(yīng)力波檢測的孔洞面積可以推測木構(gòu)件的實際孔洞面積。

4 結(jié)語

1）應(yīng)力波無損檢測可以識別孔洞和裂縫缺陷的存在，能較準(zhǔn)確地反映出在截面中的相對位置。可以顯示缺陷面積的占比，隨著孔洞面積或裂縫缺陷增大，缺陷顯示面積增加。因此，可用于木構(gòu)件內(nèi)部殘損的定性判斷。但對于模擬的蟲蛀，應(yīng)力波檢測軟件基本上不能識別。

2）應(yīng)力波檢測不能識別出缺陷的不同幾何形狀，圖像皆顯示為截面內(nèi)部的近似圓形殘損孔洞，對于一定小的缺陷面積檢測精度不夠。缺陷面積是影響應(yīng)力波定性和定量檢測的關(guān)鍵因素。

3）實際孔洞面積和模擬出的檢測面積之間有統(tǒng)計上的線性關(guān)系，其回歸方程為y＝1.235 3x＋3.711 8，決定系數(shù)為R2＝0.965，線性關(guān)系顯著。

4）未來需要研究不同樹種所對應(yīng)的檢測與實際缺陷的調(diào)整系數(shù)，建立樹種數(shù)據(jù)庫，從而運用于現(xiàn)場條件下對應(yīng)力波檢測數(shù)據(jù)的分析。