花旗松木构件内部缺陷应力波无损检测技术

2022-07-18尹婷婷韩振华

建筑施工 2022年4期

尹婷婷韩振华许鹏

上海建工集团工程研究总院上海 201114

我国古建筑木结构构件因生物破坏、环境或使用年限等影响，容易产生裂缝、虫蛀、内部孔洞等内部残损缺陷，使古建筑的安全存在隐患[1]。对木构件进行内部缺陷检测以评估安全状况以及合理修缮、加固和保护古建筑木结构十分必要。目前主要采用目视、敲击辨声等粗略判定残损类型[2]，对木构件内部残损的具体形态信息无法获取。近年来，针对古建筑木构件内部缺陷检测，采用不破坏木构件外观的无损检测技术进行了大量研究和实践应用，如应力波检测法，钻入阻抗检测法或两者联合检测等[3-7]。但还是存在检测方法精确度、检测手段适宜性以及检测结果准确性均缺乏相关深入研究的问题，以至于针对古建筑木结构内部缺陷的检测成果至今仍然缺乏广泛认可[8]。本文针对木构件常见的主要缺陷，主要研究采用应力波无损检测技术定性及定量识别和判定木构件裂缝、内部孔洞等残损状况，以提高应力波无损检测技术对残损缺陷检测与识别的准确性。

1 试验原理和方法

应力波技术检测木材内部残损缺陷的原理如图1所示[9]。通过检测木构件在垂直于木材纹理方向的横向应力波传播速度，并与同种木材健康材的横向传播速度进行比较，根据传播速度的衰减率来判断木构件的内部腐朽状况。本研究通过模拟木构件常见的主要缺陷，判断应力波检测内部残损的识别情况，分析识别的残损面积和实际残损面积之间的数值关系与误差，基于此判断缺陷检测的精度并提出针对相应树种的应力波检测残损面积修正公式，达到提高对木结构残损检测准确性的目的。

图1 木材横向检测的原理示意

1）木柱截取高100 mm试件若干，先测量花旗松健康材横向应力波波速，得到健康材应力波波速及模拟图像。

2）模拟不同位置和大小的孔洞，将测试过的健康材通过人工挖取孔洞，设置单因素试验，研究应力波识别及定量检测孔洞面积大小的能力。孔洞面积分别为健康材面积的1/25、1/8、1/4、1/3、1/2，位于中心，5个试件编号依次为KD1—KD5，分别进行应力波横向波速测试。设置单因素试验，研究孔洞位置与识别和定量评价孔洞大小的关系，将大小为健康材1/25、1/8、1/4的孔洞，从中心位置依次偏离健康材半径的1/4、1/3和1/2，编号依次建立为KD1-1、KD1-2、KD1-3，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3。分析是否识别孔洞及成像检测的面积。

3）模拟不同面积的虫蛀，将测试过的健康材通过人工密集钻孔，设置单因素试验，研究应力波识别及定量检测虫蛀面积大小的能力。虫蛀面积分别为健康材面积的1/25、1/8、1/4、1/3、1/2，位于中心，5个试件编号依次为CZ1—CZ5，分别测试应力波横向波速，分析是否识别孔洞及成像检测面积。

4）模拟不同宽度和长度的裂缝，将测试过的健康材通过人工挖取十字交叉缝隙。设置单因素试验，研究应力波识别及定量检测裂缝长度的能力。裂缝宽设为30 mm，裂缝长度分别为健康材直径的1/4、1/3、1/2，位于中心，3个试件编号分别为LF1—LF3。设置单因素试验，研究应力波识别及定量检测裂缝宽度的关系，裂缝长度设为直径的1/2（即200 mm），裂缝宽度依次设置为3、15 mm，编号依次为LF3-2、LF3-3。分析能否识别裂缝以及裂缝的长度等。

2 试验材料和设备

2.1 试验材料

选取常用树种花旗松原木柱进行无损检测，直径40 cm。

2.2 试验设备

试验采用匈牙利产FAKOPP 3D Acoustic Tomograph应力波检测仪。根据试件截面尺寸选择12个传感器，传感器探针位置按试件周长平均分布，逐个敲击测感应探针（图2）。本试验中采用的FAKOPP 3D Acoustic Tomograph通过设备自带的ArborSonic 3D软件，对采集到的应力波传播时间数据和图形进行处理，得到木构件截面内部情况计算机模拟图像。通过颜色（图3）区分可以显示健康材和内部残损，并对残损位置和面积进行粗略判定。

图2 设备及检测示意

图3 应力波检测显示颜色图例

3 结果与分析

3.1 应力波检测不同缺陷分析

3.1.1 模拟孔洞测试结构分析

开孔后的试件KD1—KD5及试验测得的应力波测试模拟图像如图4所示。从KD1-KD5试件的应力波测试模拟图像的缺陷位置可见，ArborSonic 3D 软件可较准确地反映出孔洞在截面中的位置；从KD1—KD5试件的应力波测试模拟图像的缺陷大小可见，ArborSonic 3D软件可显示缺陷面积的占比，随着模拟孔洞面积增加，缺陷显示面积增加。其中KD1的缺陷显示不明显，KD2—KD5（1/8、1/4、1/3、1/2）缺陷面积可很好地显示，因为KD1的缺陷面积为1/25（4%），说明软件对于一定小的缺陷面积检测精度不够。

图4 不同孔洞大小试件及应力波测试模拟图像

编号KD1—KD3孔洞从中心位置依次偏离中心健康材半径的1/4、1/3和1/2，编号依次建立为KD1-1、KD1-2、KD1-3，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3的检测结果如图5～图7所示。KD1-1、KD1-2、KD1-3试件的应力波测试模拟图像中，缺陷同样显示不明显，相同大小的孔洞在不同位置都不能显示。KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3试件的应力波测试模拟图像中，随着孔洞位置设置的偏移，缺陷显示的位置也相应偏移，说明应力波无损检测可以较准确地反映出孔洞在截面中的相对位置，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3应力波测试模拟图像同样也可以显示缺陷的面积变化。说明缺陷的位置不是影响应力波检测结果的因素，缺陷面积是影响应力波定性和定量检测的关键因素。

图5 KD1不同偏离中心位置试件及应力波测试模拟图像

图6 KD2不同偏离中心位置试件及应力波测试模拟图像

图7 KD3不同偏离中心位置试件及应力波测试模拟图像

综上，应力波无损检测可较准确和直观地反映孔洞在截面中的位置和占比，缺陷面积是影响应力波定性和定量检测的关键因素，当孔洞面积小于一定值，缺陷显示和占比不明显。

3.1.2 模拟裂缝测试结果分析

开孔后的试件LF1—LF3及试验测得的应力波测试模拟图像如图8所示。对于模拟的宽度为30 mm，LF1试件的应力波测试模拟图像中，长为直径1/4的十字形裂缝不能明显显示，LF2、LF3试件的应力波测试模拟图像中，长为直径1/3、1/2的十字形裂缝可显示缺陷及其相对位置，同时，随着裂缝长度的增加，缺陷显示面积增加，但应力波检测软件不能按试件缺陷形状显示缺陷的形状。说明应力波检测软件可识别裂缝缺陷的存在，但无论缺陷的形状如何，其应力波检测模拟图像皆显示为截面近似圆形或不规则的残损孔洞，不能识别出缺陷的不同几何形状。因此可判断，应力波测试仪自带软件对缺陷形状的识别精确度不高。

图8 不同裂缝长度试件及应力波测试模拟图像

开孔后的试件LF3、LF3-2、LF3-3及试验测得的应力波测试模拟图像如图9所示。从图9可知，对于模拟的不同裂缝宽度十字形裂缝，宽度分别为30、3、15 mm，长200 mm的内部裂缝，应力波检测软件都可以检测出缺陷的存在，显示缺陷的相对位置，并且随着裂缝宽度的增加，模拟图像缺陷显示明显，缺陷面积占比更大。因此可以判断，裂缝长度和宽度都会影响应力波无损检测对裂缝的识别，可能是因为缺陷面积的增大。

图9 不同裂缝宽度试件及应力波测试模拟图像

综上，应力波无损检测可以识别裂缝为缺陷以及其相对位置，但不能明确判断或显示为裂缝。裂缝长度和宽度影响识别能力，裂缝越大，缺陷显示越大。

3.1.3 模拟虫蛀测试结果分析

开孔后的试件CZ1—CZ5及试验测得的应力波测试模拟图像如图10所示。从图10可知，对于模拟的虫蛀，应力波检测软件基本上不能识别缺陷的存在。文献[8]指出，应力波测试仪能够较准确地分辨出构件内部仍有木材纤维组织松散相连的状态，但本试验表明对于大面积密集的模拟虫蛀，应力波检测软件基本上不能识别。可能模拟试件与实际情况存在差别，如虫眼密度，需要进一步研究。

图10 不同虫蛀大小试件及应力波测试模拟图像

3.2 应力波检测缺陷面积分析

以模拟孔洞缺陷面积为研究对象，孔洞实际面积与应力波检测的孔洞面积测试结果如表1所示。可知，在软件默认参数设置条件下，应力波检测图像模拟出的检测面积和实际模拟的孔洞面积间存在较大误差。以实际孔洞面积为应变量（y），以开孔后测量缺陷面积为自变量（x），进行回归分析，所得应力波测量缺陷面积与实际缺陷面积关系回归模型及相应的数学表达式和决定系数如图11所示。

表1 孔洞面积测试结果

图11 缺陷实际面积与应力波无损检测面积关系

从图11可知，模拟出的实际孔洞面积和应力波检测的孔洞面积之间有统计上的线性关系。其回归方程为y＝1.235 3x＋3.711 8，决定系数为R2＝0.965，决定系数R2＞0.5，为强相关，通过回归分析，得到p＝0.000 465＜0.001，具有非常显著的意义。可见，通过应力波检测的孔洞面积可以推测木构件的实际孔洞面积。