花旗松木構(gòu)件內(nèi)部缺陷應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

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(guó)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(chóng)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(duì)木構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)以評(píng)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(duì)木構(gòu)件內(nèi)部殘損的具體形態(tài)信息無(wú)法獲取。近年來(lái)，針對(duì)古建筑木構(gòu)件內(nèi)部缺陷檢測(cè)，采用不破壞木構(gòu)件外觀的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐應(yīng)用，如應(yīng)力波檢測(cè)法，鉆入阻抗檢測(cè)法或兩者聯(lián)合檢測(cè)等[3-7]。但還是存在檢測(cè)方法精確度、檢測(cè)手段適宜性以及檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性均缺乏相關(guān)深入研究的問(wèn)題，以至于針對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)成果至今仍然缺乏廣泛認(rèn)可[8]。本文針對(duì)木構(gòu)件常見(jiàn)的主要缺陷，主要研究采用應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)定性及定量識(shí)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)殘損缺陷檢測(cè)與識(shí)別的準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)原理和方法

應(yīng)力波技術(shù)檢測(cè)木材內(nèi)部殘損缺陷的原理如圖1所示[9]。通過(guò)檢測(cè)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(lái)判斷木構(gòu)件的內(nèi)部腐朽狀況。本研究通過(guò)模擬木構(gòu)件常見(jiàn)的主要缺陷，判斷應(yīng)力波檢測(cè)內(nèi)部殘損的識(shí)別情況，分析識(shí)別的殘損面積和實(shí)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(cè)的精度并提出針對(duì)相應(yīng)樹(shù)種的應(yīng)力波檢測(cè)殘損面積修正公式，達(dá)到提高對(duì)木結(jié)構(gòu)殘損檢測(cè)準(zhǔn)確性的目的。

圖1 木材橫向檢測(cè)的原理示意

1）木柱截取高100 mm試件若干，先測(cè)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(cè)試過(guò)的健康材通過(guò)人工挖取孔洞，設(shè)置單因素試驗(yàn)，研究應(yīng)力波識(shí)別及定量檢測(cè)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(gè)試件編號(hào)依次為KD1—KD5，分別進(jìn)行應(yīng)力波橫向波速測(cè)試。設(shè)置單因素試驗(yàn)，研究孔洞位置與識(shí)別和定量評(píng)價(jià)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(hào)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(shí)別孔洞及成像檢測(cè)的面積。

3）模擬不同面積的蟲(chóng)蛀，將測(cè)試過(guò)的健康材通過(guò)人工密集鉆孔，設(shè)置單因素試驗(yàn)，研究應(yīng)力波識(shí)別及定量檢測(cè)蟲(chóng)蛀面積大小的能力。蟲(chóng)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(gè)試件編號(hào)依次為CZ1—CZ5，分別測(cè)試應(yīng)力波橫向波速，分析是否識(shí)別孔洞及成像檢測(cè)面積。

4）模擬不同寬度和長(zhǎng)度的裂縫，將測(cè)試過(guò)的健康材通過(guò)人工挖取十字交叉縫隙。設(shè)置單因素試驗(yàn)，研究應(yīng)力波識(shí)別及定量檢測(cè)裂縫長(zhǎng)度的能力。裂縫寬設(shè)為30 mm，裂縫長(zhǎng)度分別為健康材直徑的1/4、1/3、1/2，位于中心，3個(gè)試件編號(hào)分別為L(zhǎng)F1—LF3。設(shè)置單因素試驗(yàn)，研究應(yīng)力波識(shí)別及定量檢測(cè)裂縫寬度的關(guān)系，裂縫長(zhǎng)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(hào)依次為L(zhǎng)F3-2、LF3-3。分析能否識(shí)別裂縫以及裂縫的長(zhǎng)度等。

2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

2.1 試驗(yàn)材料

選取常用樹(shù)種花旗松原木柱進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，直徑40 cm。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用匈牙利產(chǎn)FAKOPP 3D Acoustic Tomograph應(yīng)力波檢測(cè)儀。根據(jù)試件截面尺寸選擇12個(gè)傳感器，傳感器探針位置按試件周長(zhǎng)平均分布，逐個(gè)敲擊測(cè)感應(yīng)探針（圖2）。本試驗(yàn)中采用的FAKOPP 3D Acoustic Tomograph通過(guò)設(shè)備自帶的ArborSonic 3D軟件，對(duì)采集到的應(yīng)力波傳播時(shí)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(jì)算機(jī)模擬圖像。通過(guò)顏色（圖3）區(qū)分可以顯示健康材和內(nèi)部殘損，并對(duì)殘損位置和面積進(jìn)行粗略判定。

圖2 設(shè)備及檢測(cè)示意

圖3 應(yīng)力波檢測(cè)顯示顏色圖例

3 結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力波檢測(cè)不同缺陷分析

3.1.1 模擬孔洞測(cè)試結(jié)構(gòu)分析

開(kāi)孔后的試件KD1—KD5及試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像如圖4所示。從KD1-KD5試件的應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像的缺陷位置可見(jiàn)，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(cè)試模擬圖像的缺陷大小可見(jiàn)，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?yàn)镵D1的缺陷面積為1/25（4%），說(shuō)明軟件對(duì)于一定小的缺陷面積檢測(cè)精度不夠。

圖4 不同孔洞大小試件及應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像

編號(hào)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(hào)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(cè)結(jié)果如圖5～圖7所示。KD1-1、KD1-2、KD1-3試件的應(yīng)力波測(cè)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(cè)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(shuō)明應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)可以較準(zhǔn)確地反映出孔洞在截面中的相對(duì)位置，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像同樣也可以顯示缺陷的面積變化。說(shuō)明缺陷的位置不是影響應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果的因素，缺陷面積是影響應(yīng)力波定性和定量檢測(cè)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(cè)試模擬圖像

圖6 KD2不同偏離中心位置試件及應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像

圖7 KD3不同偏離中心位置試件及應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像

綜上，應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果分析

開(kāi)孔后的試件LF1—LF3及試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像如圖8所示。對(duì)于模擬的寬度為30 mm，LF1試件的應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像中，長(zhǎng)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(cè)試模擬圖像中，長(zhǎng)為直徑1/3、1/2的十字形裂縫可顯示缺陷及其相對(duì)位置，同時(shí)，隨著裂縫長(zhǎng)度的增加，缺陷顯示面積增加，但應(yīng)力波檢測(cè)軟件不能按試件缺陷形狀顯示缺陷的形狀。說(shuō)明應(yīng)力波檢測(cè)軟件可識(shí)別裂縫缺陷的存在，但無(wú)論缺陷的形狀如何，其應(yīng)力波檢測(cè)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(shí)別出缺陷的不同幾何形狀。因此可判斷，應(yīng)力波測(cè)試儀自帶軟件對(duì)缺陷形狀的識(shí)別精確度不高。

圖8 不同裂縫長(zhǎng)度試件及應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像

開(kāi)孔后的試件LF3、LF3-2、LF3-3及試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像如圖9所示。從圖9可知，對(duì)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(zhǎng)200 mm的內(nèi)部裂縫，應(yīng)力波檢測(cè)軟件都可以檢測(cè)出缺陷的存在，顯示缺陷的相對(duì)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(zhǎng)度和寬度都會(huì)影響應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)對(duì)裂縫的識(shí)別，可能是因?yàn)槿毕菝娣e的增大。

圖9 不同裂縫寬度試件及應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像

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

3.1.3 模擬蟲(chóng)蛀測(cè)試結(jié)果分析

開(kāi)孔后的試件CZ1—CZ5及試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像如圖10所示。從圖10可知，對(duì)于模擬的蟲(chóng)蛀，應(yīng)力波檢測(cè)軟件基本上不能識(shí)別缺陷的存在。文獻(xiàn)[8]指出，應(yīng)力波測(cè)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(yàn)表明對(duì)于大面積密集的模擬蟲(chóng)蛀，應(yīng)力波檢測(cè)軟件基本上不能識(shí)別?？赡苣M試件與實(shí)際情況存在差別，如蟲(chóng)眼密度，需要進(jìn)一步研究。

圖10 不同蟲(chóng)蛀大小試件及應(yīng)力波測(cè)試模擬圖像

3.2 應(yīng)力波檢測(cè)缺陷面積分析

以模擬孔洞缺陷面積為研究對(duì)象，孔洞實(shí)際面積與應(yīng)力波檢測(cè)的孔洞面積測(cè)試結(jié)果如表1所示。可知，在軟件默認(rèn)參數(shù)設(shè)置條件下，應(yīng)力波檢測(cè)圖像模擬出的檢測(cè)面積和實(shí)際模擬的孔洞面積間存在較大誤差。以實(shí)際孔洞面積為應(yīng)變量（y），以開(kāi)孔后測(cè)量缺陷面積為自變量（x），進(jìn)行回歸分析，所得應(yīng)力波測(cè)量缺陷面積與實(shí)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(cè)試結(jié)果

圖11 缺陷實(shí)際面積與應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)面積關(guān)系

從圖11可知，模擬出的實(shí)際孔洞面積和應(yīng)力波檢測(cè)的孔洞面積之間有統(tǒng)計(jì)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(qiáng)相關(guān)，通過(guò)回歸分析，得到p＝0.000 465＜0.001，具有非常顯著的意義。可見(jiàn)，通過(guò)應(yīng)力波檢測(cè)的孔洞面積可以推測(cè)木構(gòu)件的實(shí)際孔洞面積。

4 結(jié)語(yǔ)

1）應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)可以識(shí)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(duì)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(duì)于模擬的蟲(chóng)蛀，應(yīng)力波檢測(cè)軟件基本上不能識(shí)別。

2）應(yīng)力波檢測(cè)不能識(shí)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(duì)于一定小的缺陷面積檢測(cè)精度不夠。缺陷面積是影響應(yīng)力波定性和定量檢測(cè)的關(guān)鍵因素。

3）實(shí)際孔洞面積和模擬出的檢測(cè)面積之間有統(tǒng)計(jì)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(lái)需要研究不同樹(shù)種所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)與實(shí)際缺陷的調(diào)整系數(shù)，建立樹(shù)種數(shù)據(jù)庫(kù)，從而運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)條件下對(duì)應(yīng)力波檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析。