應(yīng)力波和超聲波檢測(cè)在木拱廊橋安全評(píng)估中的應(yīng)用

鄭益鋒,王宇航,林睿睿,岳小泉,盛 葉,陳開(kāi)鋒

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院,福州 350000)

木拱廊橋作為傳統(tǒng)建筑的代表之一,在世界各地都有著廣泛的應(yīng)用和深厚的文化底蘊(yùn).然而,由于年代久遠(yuǎn)和材料老化等因素的影響,木拱廊橋存在著一定的安全隱患,給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了潛在的威脅.因此,對(duì)木拱廊橋進(jìn)行科學(xué)的安全評(píng)估和定期的檢測(cè)是非常必要和重要的.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛將應(yīng)力波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)的檢測(cè)領(lǐng)域.

2007年,尚大軍等[1]綜合論述了應(yīng)力波技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用和存在的問(wèn)題,并提出了今后關(guān)于木結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的研究方向.2015年,劉佳等[2]提出了古建筑木結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷與損傷的若干關(guān)鍵現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù),對(duì)某寺廟的古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)部缺陷與損傷檢測(cè).2016年,LING等[3]通過(guò)不同的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究未受損的鐵木活樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)值,研究發(fā)現(xiàn)在未受損的鐵木活樹(shù)中測(cè)量直徑與最小應(yīng)力波呈線性關(guān)系.同年,戴儉等[4]應(yīng)用應(yīng)力波檢測(cè)儀對(duì)榆木材進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),研究發(fā)現(xiàn)木材缺陷與波速衰減呈線性關(guān)系.2019年,張艷霞等[5]運(yùn)用應(yīng)力波微秒計(jì)及阻抗儀,對(duì)貴州某村落四棟古建筑中的部分木樁進(jìn)行了檢測(cè),為木結(jié)構(gòu)古建筑提供質(zhì)量檢測(cè)依據(jù)和技術(shù)支撐.2020年,孫麗萍等[6]從力學(xué)性能檢測(cè)、內(nèi)部缺陷檢測(cè)、應(yīng)力波傳播速率3個(gè)角度,對(duì)木材的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié),并對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展前景提出展望.同年,CHENG等[7]提出一種信息擴(kuò)散模型以預(yù)測(cè)落葉松彈性模量的方法,該模型為木材無(wú)損檢測(cè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).2022年,孫曉楠等[8]利用應(yīng)力波探測(cè)儀,對(duì)北墘村古建筑的部分木橫梁構(gòu)件進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)研究,將無(wú)損檢測(cè)方法由定性研究向定量研究方向轉(zhuǎn)化.

相對(duì)于應(yīng)力波檢測(cè),應(yīng)用超聲波對(duì)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)也有研究實(shí)例.2002年,EMERSON R等[9]開(kāi)發(fā)一種超聲檢測(cè)技術(shù),用于木材在物理性能發(fā)生重大損傷之前識(shí)別木材的缺陷.張?zhí)鸬萚10]利用Sylvatest-Duo超聲波檢測(cè)儀對(duì)健康杉木材和含有不同孔洞缺陷尺寸的杉木材進(jìn)行測(cè)試,得到超聲波傳播速度與不同孔洞直徑的定量關(guān)系.2019年,蔣昊等[11]探索了空氣耦合式超聲波的節(jié)子缺陷檢測(cè)新方法,并采用自行研制的空氣耦合式超聲波檢測(cè)儀對(duì)杉木鋸材試樣進(jìn)行檢測(cè).2022年,WU等[12]評(píng)估了使用GW的基本反對(duì)稱(chēng)模式檢測(cè)結(jié)構(gòu)紅橡木中不同大小的內(nèi)部損傷的能力.同年,梁星宇等[13]綜合論述了木材無(wú)損檢測(cè)超聲波檢測(cè)法的發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)技術(shù)方向.

應(yīng)用其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)可為應(yīng)力波和超聲波檢測(cè)木結(jié)構(gòu)缺陷提供參考.2018年,GE等[14]利用基于X射線扇形束掃描原理構(gòu)建了CT成像系統(tǒng)來(lái)識(shí)別木材裂紋和結(jié)節(jié)的形狀和位置.2023年,ZHANG等[15]利用THz-TDS技術(shù)檢測(cè)4種木材,為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域提供新的思路.

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在文物保護(hù)和修復(fù)領(lǐng)域中的作用越來(lái)越重要,特別是在木結(jié)構(gòu)古建筑的研究中,應(yīng)力波和超聲波檢測(cè)已被廣泛應(yīng)用,從定性研究向定量研究方向轉(zhuǎn)化.相較于其他木結(jié)構(gòu)古建筑,木拱廊橋作為河上建筑,長(zhǎng)期處于干濕轉(zhuǎn)換的高濕環(huán)境中,其承重木柱容易發(fā)生腐朽、綠霉等缺陷,導(dǎo)致安全隱患.木拱廊橋以其獨(dú)特的編木形式、雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成為中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的珍寶,對(duì)其進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)至關(guān)重要.由于數(shù)據(jù)檢測(cè)難度大,傳統(tǒng)的有損檢測(cè)方式并不適用,應(yīng)力波和超聲波無(wú)損檢測(cè)則能夠有效降低數(shù)據(jù)檢測(cè)難度.本文以福州市閩侯縣遠(yuǎn)濟(jì)橋的承重木柱作為研究對(duì)象,通過(guò)進(jìn)行應(yīng)力波和超聲波檢測(cè),評(píng)估其健康狀況,確定安全等級(jí),旨在為其他木拱廊橋的保護(hù)、修繕和維護(hù)工作提供技術(shù)借鑒.

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

遠(yuǎn)濟(jì)橋[16],又稱(chēng)石陌橋,福建省級(jí)保護(hù)文物.始建于清光緒壬辰年(1892年),修復(fù)于2007年,位于閩侯縣白沙鎮(zhèn)聯(lián)坑村,橋身橫跨大目溪,東西走向.廊橋木柱的樹(shù)種為杉木(Cunninghamia lanceolata).就地取材以?xún)砂妒趲r石為橋臺(tái),由三節(jié)拱木系統(tǒng)與五節(jié)木拱構(gòu)架飛架之間,橋面橫鋪木板.橋廊共有4柱9檁抬梁式構(gòu)架,橋身共有13楹56柱.兩側(cè)設(shè)木護(hù)欄,檐下至木拱架外側(cè)施風(fēng)雨板.全長(zhǎng)33m,寬5m,橋身距溪底20 m.

遠(yuǎn)濟(jì)橋區(qū)域內(nèi)雨量充沛,空氣濕潤(rùn),易造成木結(jié)構(gòu)內(nèi)外部缺陷.通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)濟(jì)橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),發(fā)現(xiàn)多種缺陷,包括綠霉、腐朽、裂痕、蟲(chóng)蛀和孔洞等,見(jiàn)圖1.

圖1 遠(yuǎn)濟(jì)橋木柱缺陷

1.2 研究方法

木材應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)是一種不損傷木材的方法,通過(guò)應(yīng)力波微秒計(jì)來(lái)判斷木材腐朽情況以及計(jì)算木材的彈性模量.在遠(yuǎn)濟(jì)橋的檢測(cè)中,采用了橫向應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè).當(dāng)木材內(nèi)部完好無(wú)損時(shí),應(yīng)力波會(huì)沿著最短路徑傳播.但當(dāng)木材內(nèi)存在缺陷時(shí),應(yīng)力波會(huì)沿曲線路徑傳播,其傳播時(shí)間明顯大于健康材的傳播時(shí)間.我們可以通過(guò)測(cè)試應(yīng)力波在木材中傳播的速度以及拾取回波信號(hào)來(lái)對(duì)內(nèi)部缺陷情況進(jìn)行判斷,進(jìn)而對(duì)木構(gòu)件內(nèi)部存在的殘損狀況進(jìn)行具體分析.

木材超聲波無(wú)損檢測(cè)是一種利用聲波觸發(fā)儀器產(chǎn)生特定波長(zhǎng)和頻率的聲波的方法,通過(guò)觀測(cè)聲波的衰減、散射以及波形變化規(guī)律來(lái)間接判斷被測(cè)物內(nèi)部缺陷情況.

1.3 檢測(cè)參數(shù)

遠(yuǎn)濟(jì)橋共有56柱,規(guī)格為:長(zhǎng)度288～350 cm,平均周長(zhǎng)78.86 cm,平均密度330～430 kg/m3,見(jiàn)表1.

表1 木柱檢測(cè)密度

木柱分布橫軸為A～L,縱軸為1～4,見(jiàn)圖2.

圖2 木柱分布圖

以橫縱結(jié)合的形式分別給木柱進(jìn)行編號(hào),如圖2右下角的木柱編號(hào)為A1.以橫軸G和F、縱軸2和3之間作為分割線平均等分將遠(yuǎn)濟(jì)橋分為4部分,在不相鄰兩部分各間隔挑選3根木柱,共選取出6根木柱作為檢測(cè)樣本進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),以確保樣本木柱的隨機(jī)性,分別為木柱B2、D2、F2、G3、I3、K3,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法見(jiàn)圖3.

圖3 東西檢測(cè)路徑

針對(duì)采樣的6根木柱,采用FAKOPP木材應(yīng)力波微秒計(jì)對(duì)木柱進(jìn)行應(yīng)力波檢測(cè).共檢測(cè)出48組數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)單位為μs,其中在木柱距木橋水平面高度70 cm處、南北方向觀測(cè)點(diǎn)共檢測(cè)3次,取其平均值,記為一組數(shù)據(jù).同理,木柱高70 cm處,東西方向觀測(cè)點(diǎn)記為一組數(shù)據(jù).在木柱高度70 cm處,應(yīng)力波檢測(cè)數(shù)據(jù)共計(jì)12組.在木柱距木橋水平面高度30 cm處與木柱高度70 cm處執(zhí)行相同操作,應(yīng)力波檢測(cè)數(shù)據(jù)共計(jì)24組,見(jiàn)表2.

表2 應(yīng)力波檢測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)于木柱的超聲波檢測(cè)采用的儀器為FAKOPP超聲波微秒計(jì),超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量與應(yīng)力波檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量相同,見(jiàn)表3.

表3 超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)

1.4 環(huán)境參數(shù)

溫度環(huán)境會(huì)對(duì)應(yīng)力波和超聲波檢測(cè)木材產(chǎn)生一定的影響,材料溫度變化會(huì)引起材料的熱膨脹或收縮,從而影響材料的聲速和密度等參數(shù).木材的無(wú)損檢測(cè)溫度應(yīng)該盡可能接近其實(shí)際使用環(huán)境下的溫度,數(shù)據(jù)采集當(dāng)日測(cè)得檢測(cè)地溫度為23 ℃.

濕度環(huán)境對(duì)應(yīng)力波和超聲波檢測(cè)木材的影響主要表現(xiàn)在木材的含水率會(huì)影響材料的聲速和密度等參數(shù).含水率越高,水分會(huì)對(duì)超聲波的傳播速度產(chǎn)生影響,從而導(dǎo)致聲波傳播路徑的彎曲和散射,使聲波傳播速度變慢.含水率與聲波傳播速度及密度有關(guān),因此可以通過(guò)測(cè)量聲速和密度來(lái)計(jì)算木材的含水率.計(jì)算公式為:

(1)

其中:Mc為木材的含水率,vSAT為飽和狀態(tài)下木材中聲波的傳播速度,vCAL為校準(zhǔn)樣品中聲波的傳播速度,vDRY為干燥狀態(tài)下木材中聲波的傳播速度.

普通木材含水率在12%以下時(shí)適宜進(jìn)行無(wú)損檢測(cè).木拱廊橋作為水上建筑中的含水率應(yīng)該控制在18%以下,以避免木材的變形、腐爛和霉菌等問(wèn)題.對(duì)遠(yuǎn)濟(jì)橋沉重木柱進(jìn)行應(yīng)力波和超聲波檢測(cè)時(shí),依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)測(cè)得遠(yuǎn)濟(jì)橋承重木柱含水率約為13.2%～16.3%.

2 結(jié)果與分析

2.1 安全等級(jí)分析

對(duì)木拱廊橋進(jìn)行安全等級(jí)分級(jí),分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照LY/T 3141-2019《古建筑木構(gòu)件安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》,并依據(jù)木拱廊橋的實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)鑒定的需要制定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

依據(jù)應(yīng)力波和超聲波的傳播臨界速度對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分級(jí),應(yīng)力波、超聲波計(jì)算公式為:

(2)

(3)

其中:vs為應(yīng)力波傳播速度,單位為米每秒(m/s);vu為超聲波傳播速度,單位為米每秒(m/s);l為應(yīng)力波(超聲波)測(cè)定儀兩傳感器之間的距離,單位為米(m);t為應(yīng)力波(超聲波)測(cè)定儀記錄的時(shí)間,單位為微秒(μs).

參考廖春暉等[17]基于應(yīng)聲波對(duì)木材無(wú)損檢測(cè)的研究,在實(shí)地進(jìn)行應(yīng)力波對(duì)健康杉木無(wú)損檢測(cè)研究,對(duì)照二者結(jié)果,確定應(yīng)力波在健康杉木中的徑向傳播臨界速度約為1 540～1 893 m/s.由于超聲波比應(yīng)力波更加敏感,超聲波在杉木健康材中傳播速度更易于受諸多客觀因素影響,諸如溫度、濕度、儀器、檢測(cè)樣本等,參考張?zhí)鸬萚10]基于超聲波對(duì)健康杉木的研究,結(jié)合實(shí)地超聲波對(duì)杉木健康材的檢測(cè),確定超聲波在杉木健康材中的徑向傳播速度范圍為791～1 140 m/s.結(jié)合遠(yuǎn)濟(jì)橋?qū)嶋H情況,以應(yīng)力波和超聲波在木柱徑向中傳播速度對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)定為4個(gè)等級(jí),分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4.

表4 分等標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)表2、3的計(jì)算結(jié)果對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí),其中,應(yīng)力波分級(jí):a級(jí)9組,b級(jí)10組,c級(jí)5組;超聲波分級(jí):a級(jí)8組,b級(jí)11組,c級(jí)5組.分級(jí)結(jié)果如圖4所示.通過(guò)遠(yuǎn)濟(jì)橋的樣本木柱檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)遠(yuǎn)級(jí)橋進(jìn)行安全等級(jí)評(píng)定,其中應(yīng)力波更適用于檢測(cè)木材中的內(nèi)部缺陷,如裂紋、孔洞等,設(shè)置應(yīng)力波權(quán)重比為0.7,超聲波權(quán)重比為0.3,經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)果評(píng)估遠(yuǎn)濟(jì)橋的安全等級(jí)為b級(jí),建議對(duì)有缺陷的木柱進(jìn)行修繕和保養(yǎng),確保遠(yuǎn)濟(jì)橋的穩(wěn)定性和安全性.

圖4 分級(jí)結(jié)果

2.2 檢測(cè)方法對(duì)比分析

對(duì)比樣本木柱應(yīng)力波與超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)果見(jiàn)圖5.比較兩種波速可知,應(yīng)力波和超聲波在缺陷測(cè)試過(guò)程具有相似性,結(jié)果基本符合,原理是波的傳播方式是一致的,在面對(duì)缺陷過(guò)程中,不同種類(lèi)的波會(huì)呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律.在圖5的B2木柱對(duì)比中,應(yīng)力波所代表的曲線增減幅度相較于超聲波所代表的曲線更為明顯,這是由于式(1)、(2)中應(yīng)力波的傳播時(shí)間明顯低于超聲波的傳播時(shí)間,導(dǎo)致應(yīng)力波速明顯高于超聲波速.

圖5 應(yīng)力波與超聲波波速對(duì)比分析

整合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的48組數(shù)據(jù),對(duì)比應(yīng)力波和超聲波數(shù)據(jù),見(jiàn)圖6.對(duì)比結(jié)果可知,應(yīng)力波與超聲波測(cè)量數(shù)據(jù)呈正比關(guān)系,二者可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到木材中的缺陷或異常情況,并給出相應(yīng)的定量數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和數(shù)據(jù)對(duì)照分析,提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性.

圖6 安全性等級(jí)對(duì)比圖

3 結(jié) 論

本文在真實(shí)環(huán)境下采用應(yīng)力波和超聲波對(duì)木拱廊橋進(jìn)行檢測(cè),評(píng)價(jià)和比較后得出結(jié)論:

1)48組數(shù)據(jù)中有10組數(shù)據(jù)安全性等級(jí)需要進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),21組數(shù)據(jù)安全性略低于要求,建議對(duì)存在缺陷的木柱進(jìn)行修補(bǔ)和維護(hù)工作.

2)以木構(gòu)件中應(yīng)力波與超聲波傳播時(shí)間作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)比應(yīng)力波和超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù),確定二者檢測(cè)方式存在相似性,但二者靈敏度和準(zhǔn)確度存在差異,在真實(shí)環(huán)境下超聲波檢測(cè)更易受到環(huán)境、木材含水量和密度等影響.對(duì)木材內(nèi)部缺陷檢測(cè)時(shí),需要考慮實(shí)際情況,采用適宜的檢測(cè)方式,也可采用二者相結(jié)合的方法,驗(yàn)證二者數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,互相彌補(bǔ)不足.

3)福州地區(qū)的木拱廊橋依水而建,木柱含水率較高并長(zhǎng)期處于干濕互換的環(huán)境,極易產(chǎn)生綠霉、蟲(chóng)蛀等缺陷,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)木拱廊橋保護(hù)和修繕,充分發(fā)揮木拱廊橋在文化遺產(chǎn)保護(hù)和傳承中的重要作用.