應(yīng)力波無損檢測木構(gòu)件材質(zhì)性能的影響因素

尹婷婷 韓振華 許 鵬

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

在我國大力推行碳達(dá)峰、碳中和政策的背景下，木結(jié)構(gòu)將作為綠色低碳建材而得到更多推廣。方木原木、鋸材等結(jié)構(gòu)材的力學(xué)性能直接影響木結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，因而在木結(jié)構(gòu)建筑工程各個(gè)階段，需掌握材料及主要承重構(gòu)件的力學(xué)性能和殘損狀態(tài)。應(yīng)力波無損檢測技術(shù)近年來被廣泛用于木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場對木材力學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)以及木材內(nèi)部缺陷等方面的檢測，其具備傳播距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、無需耦合劑、設(shè)備輕巧便于攜帶等優(yōu)勢[1-5]。

隨著應(yīng)力波無損檢測技術(shù)在木結(jié)構(gòu)檢測領(lǐng)域的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)檢測時(shí)應(yīng)力波的傳播速度受到很多因素的影響，其中應(yīng)力波縱向傳播速度受含水率、檢測方式不同影響顯著[6]，因此探索應(yīng)力波在木材內(nèi)傳播速度的影響規(guī)律對于提高檢測準(zhǔn)確性十分有必要[7]。

本文研究木材含水率、尺寸效應(yīng)以及操作方式對傳播速度的影響，目的在于提高檢測方法的有效性。

1 試驗(yàn)原理和方法

木材應(yīng)力波無損檢測的基本原理是，當(dāng)木材的一端受到敲擊作用時(shí)，木材內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生低頻范圍的機(jī)械波的傳播。通過特定的設(shè)備測定應(yīng)力波傳播時(shí)間（圖1），通過測量敲擊到接收信號傳感器點(diǎn)的距離，計(jì)算出應(yīng)力波在木材中的傳播速度，從不同條件下應(yīng)力波傳播速度的變化差異來判斷應(yīng)力波在木材內(nèi)部傳播速度的影響因素。

圖1 應(yīng)力波檢測清材試件和規(guī)格材

本文設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，通過單因素方差分析各組數(shù)據(jù)的差異，判斷對無損檢測的影響因素。

1）研究含水率對應(yīng)力波傳播速度的影響時(shí)，試驗(yàn)選用花旗松標(biāo)準(zhǔn)清材試件20 mm×20 mm×400 mm，采用絕干法測試試件的初始含水率，計(jì)算出試件的絕干質(zhì)量，再將試件浸泡45 d，通過干燥調(diào)試到不同含水率，選定0、12%、16%、20%、30%、40%、50%含水率值為設(shè)定點(diǎn)，分別測試含水率值和采集試件的應(yīng)力波速率值，以單因素分析法分析不同間距含水率波速間的差異值，分析波速與含水率的關(guān)系。

2）研究測量間距對應(yīng)力波傳播速度的影響時(shí)，試驗(yàn)選用足尺規(guī)格材為研究對象，分析在同一材料中傳感器安裝間距對傳播速度的影響，分別以40、80、160、250、320 cm為設(shè)置間距，以單因素分析法分析不同間距波速間的差異值。

3）研究材料尺寸效應(yīng)對應(yīng)力波傳播速度的影響時(shí)，試驗(yàn)選用足尺規(guī)格材為研究對象，分別先后測量規(guī)格材足尺（330 cm）、規(guī)格材截?cái)酁?0 cm以及規(guī)格材加工為20 cm×20 cm×50 cm標(biāo)準(zhǔn)清材試件的同一部位和尺寸的應(yīng)力波波速，分析同一材料的不同尺寸對應(yīng)力波傳播速度的影響。

4）研究設(shè)備操作參數(shù)對應(yīng)力波傳播速度的影響時(shí)，研究傳感器與木材角度（0°、30°、45°、90°），傳感器敲擊次數(shù)（3次、6次、9次），以及傳感器安裝在同一距離（部位）寬度面、厚度面或端部面等不同位置（圖2，忽略端部的距離差異）對傳播速度的影響，通過單因素方差分析傳播速度的差異，分析不同設(shè)備操作參數(shù)對傳播速度的影響。

圖2 傳感器相同距離不同位置布置

2 試驗(yàn)材料和設(shè)備

2.1 材料種類

花旗松標(biāo)準(zhǔn)清材，樟子松規(guī)格材（100 mm×25 mm×3 300 mm）。

2.2 測試方法

應(yīng)力波波速測定采用匈牙利生產(chǎn)的ARBORSONIC應(yīng)力波測量儀檢測。測定時(shí)，2個(gè)傳感器探針按照設(shè)置的間距插入材料兩端，傳播時(shí)間取敲擊次數(shù)平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 含水率對無損檢測值的影響

試驗(yàn)中將各個(gè)試件浸泡至含水率為60%～70%，再進(jìn)行干燥，干燥至相應(yīng)含水率點(diǎn)，測試6個(gè)試件含水率，采集試件的應(yīng)力波速率值，測量結(jié)果如圖3所示。

格雷馬斯借鑒了普洛普對民間故事的研究，他認(rèn)為文學(xué)敘述與語言學(xué)的句子一樣，可以加以結(jié)構(gòu)分析，并把普洛普的“功能說”發(fā)展為“行動(dòng)元模式”理論。其中，行動(dòng)元被認(rèn)為是具有多種功能的結(jié)構(gòu)單位④。

圖3 含水率與應(yīng)力波波速關(guān)系

由于各個(gè)試件在浸泡和干燥過程中不能完全均勻同步，每個(gè)試件的含水率不能完全一樣，并且測試時(shí)含水率不能完全按照設(shè)置點(diǎn)設(shè)置，因而按照實(shí)際含水率的點(diǎn)測試和記錄。從圖3各個(gè)試件的含水率與波速的關(guān)系可知，木材的應(yīng)力波波速與含水率呈負(fù)相關(guān)，隨著木材含水率的增加，應(yīng)力波的波速下降。因此在測量傳播速度時(shí)應(yīng)檢測相應(yīng)含水率的值。

3.2 傳感器測量間距對無損檢測值的影響

在足尺規(guī)格材中，傳感器從同一端同一位置布置，另一端分別布置傳感器測量間距為40、80、160、250、320 cm，測量傳播速度結(jié)果見表1。

表1 足尺規(guī)格材傳感器不同間距的傳播速度

通過對不同傳感器間距傳播速度值（V40、V80、V160、V250和V320）進(jìn)行單因素方差分析，得到F＝6.535 6＞Fcrit＝2.557 2，且p＝0.000 2＜0.05，5組數(shù)據(jù)具有顯著差異性，說明傳感器測量距離對傳播速度檢測具有顯著性影響。其中，平均值顯示，隨著測量間距的增加，測量速度增加。這與文獻(xiàn)[8]中木材試件長度對應(yīng)力波傳播參數(shù)有顯著影響，且應(yīng)力波的傳播速度與木材長度均呈正相關(guān)的結(jié)論基本一致。

通過對V160、V250和V320進(jìn)行單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，得到F＝0.196 3＜Fcrit＝3.315 83，且p＝0.82＞0.05，說明3組數(shù)據(jù)不具有顯著差異性，說明達(dá)到一定長度后，傳感器測量距離對傳播速度不具有顯著性影響。

3.3 尺寸效應(yīng)對無損檢測值的影響

首先在足尺規(guī)格材上測量應(yīng)力波傳播速度，再在規(guī)格材上截?cái)?0 cm的規(guī)格材測量傳播速度，然后在截?cái)嗟?0 cm規(guī)格材上鋸制20 cm×20 cm×50 cm標(biāo)準(zhǔn)清材試件測量傳播速度，測量間距均為40 cm，測量結(jié)果見表2。

表2 相同測量間距不同尺寸的傳播速度

通過對不同尺寸的同一種材料，測量相同間距的應(yīng)力波傳播速度（V320、V50、V清材）進(jìn)行單因素方差分析，得到F＝1.963 5＜Fcrit＝3.354 1，且p＝0.15＞0.05，說明3組數(shù)據(jù)不具有顯著差異性，即用相同間距測量不同尺寸的材料對傳播速度不具有顯著性影響，波速隨著規(guī)格材長度的增大沒有一定的規(guī)律。文獻(xiàn)[9]研究表明，動(dòng)態(tài)彈性模量隨著規(guī)格材長度的增大沒有一定的規(guī)律，與本文結(jié)論也一致。

3.4 設(shè)備操作參數(shù)對無損檢測值的影響

3.4.1 清材試件

表3 清材試件不同測量次數(shù)和角度的傳播速度

通過對不同測量角度V（3，30）、V（3，45）、V（3，90）進(jìn)行單因素方差分析，得到F＝52.499 1＞Fcrit＝3.22，且p＝3.76×10－12＜0.05，3組數(shù)據(jù)具有顯著差異性，說明測量角度對傳播速度具有顯著性影響。其中，30°和45°平均值接近，90°速度降低明顯。

3.4.2 規(guī)格材足尺試件

足尺規(guī)格材不同角度和同一距離（部位）不同位置應(yīng)力波傳播速度檢測值見表4。

表4 規(guī)格材不同角度和同一部位不同位置應(yīng)力波傳播速度

通過對不同角度（V端部0°、V30°、V45°和V90°）進(jìn)行單因素方差分析，得到F＝14.831 1＞Fcrit＝2.866 2，且p＝1.9×10－6＜0.05，4組數(shù)據(jù)具有顯著差異性，說明傳感器測量角度對傳播速度具有顯著性影響。其中，平均值顯示，隨著角度的增加，測量速度減小，其中V端部0°、V30°、V45°比較接近，V90°明顯較小。所以測試時(shí)，應(yīng)考慮傳感器的角度，與木材的夾角不要大于45°。

根據(jù)測量過程中的數(shù)據(jù)收集，盡管小于45°時(shí)測量數(shù)據(jù)接近，但是在端部位置0°傳感器接收信號好于45°。所以測試時(shí)，選擇木材上部插入探針，與木材的夾角不要大于45°。選擇在木材端部插入探針，與木材的不應(yīng)大于45°，盡量平行于端部插入。

通過對同一距離（或部位）不同位置V45°、V側(cè)向45°、V端部45°進(jìn)行單因素方差分析，得到F＝0.113 3＜Fcrit＝3.354，且p＝0.89＞0.05，3組數(shù)據(jù)不具有顯著差異性，說明傳感器在木材上相同距離（或部位）安裝，測得不同位置（或點(diǎn)）對傳播速度不具有顯著性影響。

4 結(jié)語

通過研究，得到以下結(jié)論：

1）通過對含水率與波速的關(guān)系分析可知，花旗松木材的應(yīng)力波波速與含水率呈負(fù)相關(guān)，隨著木材含水率的增加，應(yīng)力波的波速下降，因而給定傳播速度時(shí)應(yīng)標(biāo)注含水率。

2）通過對不同傳感器間距的應(yīng)力波傳播速度進(jìn)行單因素方差分析，得到傳感器測量距離對傳播速度具有顯著性影響，隨著測量間距的增加，檢測的傳播速度增加，在測量足尺材料和原木力學(xué)性能時(shí)應(yīng)予以區(qū)分測量間距。

3）通過對不同尺寸的材料、相同間距的應(yīng)力波傳播速度進(jìn)行單因素方差分析，得到了不同尺寸的材料對傳播速度不具有影響、波速隨著材料長度的增大沒有一定的規(guī)律的結(jié)論。

4）通過對設(shè)備操作參數(shù)進(jìn)行研究可知，測量3次、6次和9次對傳播速度不具有顯著性影響，測量時(shí)敲擊3次即可。通過對傳感器不同角度分析得知，隨著角度的增加，測量速度減小，測試時(shí)傳感器與木材的夾角不要大于45°。通過對同一距離（或部位）的不同位置進(jìn)行分析，測得不同位置對傳播速度不具有影響。

5）波速如何轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)含水率時(shí)的波速及其與材料性能的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。