古建筑木结构损伤检测方法研究进展

侯艳芳 王鑫 侯婷婷 郭靖 张艳

摘 要：针对应力波、阻抗仪和雷达波等无损检测方法的基本原理和特点，以及实际的研究和应用状况，从模态参数识别和振动响应信号处理两个方面阐述了基于结构动力特性的损伤识别方法、损伤识别的原理和在古建筑木结构中的应用现状。从无损检测技术和基于结构动力特性的损伤识别两个方面，归纳和总结了古建筑木结构的损伤检测方法和新研究进展，并对研究方向进行了展望。

关键词：古建筑木结构;无损检测;动力特性;损伤识别

中图分类号：TU366.2       文献标识码：A文章编号：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

中國古建筑萌芽于原始社会末期，经历漫长的积累和发展，逐渐形成了自己独特的风格和体系，是中国古代文化也是人类建筑宝库中一份珍贵的遗产[1]。中国古建筑善于利用木材，其优点是从采伐到施工都较便利，并且能防御地震。木结构古建筑历经千年岁月的洗礼，多次经受大地震的侵袭和考验，至今仍屹立不倒，成为中国建筑史上一部又一部的经典作品。但木材本身具有易腐蚀、易发生火灾、易受雨水侵蚀和蛀虫伤害等缺点，在千百年岁月的长河中，由于木材本身物理性能的退化、自然环境以及人为破坏等原因，使得木结构古建筑出现开裂、糟朽、虫蛀、拔榫和弯曲变形等不同类型的破坏，导致木结构构件的材质性能下降，进而导致整体结构的残损和破坏[2-3]。为了使这些弥足珍贵的建筑遗产能够世代相传，许多学者对古建筑木结构的损伤检测与识别展开了相关的研究工作，取得了大量的成果。本文从无损检测技术和基于结构动力特性的损伤识别两个方面归纳和总结了古建筑木结构的损伤检测方法和新研究进展，对木结构古建筑的损伤识别方法的研究方向进行了展望，为进一步的研究提供参考。

1 无（微）损检测技术

无损检测（Non-destructive Testing，简称NDT），是在不损坏被检测物体的内部组织和使用性质的前提下，对材料的完整性和相关物理力学特性进行测试和检验的科学技术方法[4]。使用最早的无损检测方法是目测法，该方法主要是通过肉眼观察木材表面的腐朽、开裂、虫蛀等缺陷。该方法需要操作人员有丰富的经验，得出的结论亦具有主观性;人工敲击的操作方式具有简单、快速、便捷的优点，但对缺陷的位置和几何尺寸的预测精度有限，存在人为主观因素影响，检测结果的可靠性和灵敏度较差[5-6]。

近年来，随着光学、电子和计算机技术的快速发展，越来越多的无损检测技术被应用于古建筑木构件的损伤检测中。这些技术多是基于振动波原理和射线原理而开展的，如应力波检测、超声波检测、雷达波检测等[7]。

1.1 应力波

目前，國内外木结构古建筑的无损检测中应用最广泛、适用性最高的是应力波检测技术[8]。其原理是使用脉冲锤敲击安装在被测木构件上的发射端传感器，在应力的作用下，木材内部会产生机械应力波，通过测量应力波在木材横截面中不同方向的传播时间，反演计算出应力波在木材内部单元的传播速度，生成木材的断层图像，从而能够直观、准确地检测出木材内部缺陷的大小与位置[9-10]。应力波无损检测技术具有传播距离远、抗干扰能力强、不需耦合剂等优点，在木结构古建筑的无损检测中得到了广泛的应用，并获得了大量研究成果[11]。

有学者提出了活树纵向-径向（LR）面波速的解析模型，通过现场和室内应力波试验，确定了健康树和缺陷树的应力波速度模式，所提出的应力波速度模型可用于诊断城市树木内部缺陷，提高了树木检测中三维层析图像的准确性[12];还有使用应力波技术对塔尔寺大金瓦殿的梁、脊檩、檩、承椽檩、房椽等5种木构件的动弹性模量进行了测定[13-14];分析了应力波在古建筑木材中传播速度的影响因素及其影响规律[15]。

1.2 阻抗仪

阻力仪是一种近似无损或微创的检测设备，其工作原理是：在电动机驱动下，以恒定的速率将探针刺入木材内部，记录探针在钻入材料内部过程中所受到的阻力，显示出阻力曲线图像，使用者结合木材学知识，判断出木材的密度、年轮数以及木材内部的腐朽、裂缝、空洞等具体状况[16-17]。使用阻力仪可对不同类型的木材进行检测，通过阻力曲线的变化和下降对木材内部腐朽的状况进行判断[18-19]。

在古建筑木构件的无损检测中，阻力仪主要用于判断木构件内部的状况，如可以根据木构件的密度判断其木材的材质状况，以及腐朽、虫蛀、裂缝的情况和空洞的位置等[20]。中国林科院木材工业研究所于2004年首次将木材阻力仪用于古建筑的维护勘查中，对古建筑木构件的材质状况进行了勘测[21];对故宫武英殿维修时替换下来的100～130年的落叶松进行试验研究，根据阻力值与木材物理力学性能的关系，对检测结果进行了定量分析[22-23];对北京市古建筑常用的木材落叶松进行检测，先使用应力波检测仪初步判断了木构件缺陷的大小和位置，再结合微钻阻力仪进一步检测了缺陷的尺寸和类型[24]。

1.3 雷达波

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）无损检测技术是利用高频电磁波的反射来检测被探测物体内部的结构[25]。目前，该项技术主要应用于林业领域的植物根系探测[26-27]、活立木内部缺陷的检测[28]等，在木材特别是古建筑木构件内部的残损检测方面仅部分学者开展了一些探索性研究。雷达波检测应用于木材无损检测时，由于木材内部空洞、腐朽等缺陷位置与木材本身具有不同的介电性、导磁性等物理特性，因而对电磁波有不同的波阻抗，电磁波在不同介质的交界面上会发生反射，反射的电磁波脉冲其强度与波形将随所通过介质的介电性能而变化，通过记录反射波的到达时间、幅度等信息可以推断木材内部的残损情况[29]。

有学者利用探地雷达技术对松柏类、针叶类树木树皮表面孔洞以及树木内部的缺陷进行了探测[30];阐述了探地雷达技术的优点，通过对探地雷达扫描数据的分析，区分了原木的缺陷部分和良好部分，并利用MATLAB算法找到了探地雷达扫描数据中对应缺陷的位置和大小[31]。

采用雷达波树木无损探测技术与树木雷达分析软件，对颐和园内6棵古柳的内部异常情况进行雷达波探测成像试验。结果表明：雷达波成像解析结果准确且与实际情况相符程度高，表明树木雷达系统可以对树木内部异常分布情况进行高效无损的检测、成像和解析[32]。

2 基于结构动力特性的损伤识别

基于结构动力特性的损伤识别是通过对比分析结构动力特性参数的改变来判定结构性能的变化，并且可以采用一定的技术对结构的动力响应信号进行处理，通过构建损伤识别指标对结构进行损伤识别和定位，甚至可以进一步量化结构的损伤程度。基于结构动力特性的损伤识别方法更侧重于评估结构的整体性能，从而弥补了传统的无损检测方法只是局限于结构构件检测的不足[33]。

2.1 古建筑木结构的模态参数识别

结构的阻尼、频率和振型等是能够反映结构动力特性的主要振动模态参数，而结构损伤会导致结构的刚度或质量的损失，从而导致结构的模态参数发生变化[34-35]。

有学者定义了古建筑木构件榫卯节点的半刚性特点，通过建立西安北门箭楼木结构的有限元计算模型，确定了半刚性节点刚度的范围;并对结构的动力特性进行计算分析，得到了箭楼的前六阶振动模态[36]。还有学者分别采用环境激励法和锤击法对韩国首尔传统木结构东大门的动力特性进行研究，获得了结构的固有频率和相位信息[37]。将随机减量法与ITD法相结合，有效识别了某藏式古建筑木结构在环境激励下的模态频率和阻尼比[38]。通过对西安钟楼进行实际振动监测，得到了木结构的振动信号，采用小波和奇异值理论相结合的方法，对钟楼木结构的模态参数进行了识别[39]。

2.2 基于振动响应信号处理的损伤识别

模态参数识别需要对激励进行测量或假设其为白噪声激励，不适用于激励未知情况下的损伤检测[40]。当结构出现损伤时会使结构的动力响应发生改变，因此可以利用结构动力响应的变化来识别结构的损伤。随着城市建设的快速发展，交通激励荷载引起的微幅振动对古建筑的损伤影响越来越大，越来越多的学者开展了交通激励荷载下基于振动响应的古建筑损伤识别方法研究。

以西安钟楼为工程依托，建立了随机激励作用下古木框架结构的有限元模型，对结构上各测点的加速度响应信号进行小波包分解，并建立小波包能量曲率差的损伤识别指标，对结构进行了损伤定位分析[41-42];构建了能量比偏差和能量比方差两个损伤识别敏感性指标，研究了不同小波函数和小波包分解层次对钟楼木结构的损伤识别，结果表明：两个指标都能有效地识别损伤，且具有一定的抗噪声干扰能力[43]。对木框架结构进行有限元模拟与瞬态分析，采用随机共振理论对各节点的动力响应信号进行降噪处理，并对降噪后的动力响应信号进行小波分析，实现了对木框架损伤单位的损伤定位[44]。

3 结语

近年来，古建筑木结构的损伤识别研究得到了快速的发展，越来越多的方法被应用于木结构的损伤识别和安全评估中并取得一定的成果，但仍存在较多问题需要不断研究：

（1）寻找古建筑木结构损伤检测的新原理和新方法，进一步提高木结构古建筑无损检测技术的实用性和先进性;

（2）目前，大多研究是以数值模拟为主，通过建立有限元模型模拟结构的损伤，模型简单，不能全面反映古建筑木结构的特点;另一方面，损伤主要以构件为主，对整体结构的研究还较少;

（3）目前的研究主要是定性的评价，损伤程度的量化和寿命的评估还没有做到，尚不能为木结构古建筑的维护和加固提供更为准确的数据信息，有待进一步的研究。

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