古建筑木結(jié)構(gòu)損傷檢測方法研究進展

侯艷芳 王鑫 侯婷婷 郭靖 張艷

摘 要：針對應(yīng)力波、阻抗儀和雷達波等無損檢測方法的基本原理和特點，以及實際的研究和應(yīng)用狀況，從模態(tài)參數(shù)識別和振動響應(yīng)信號處理兩個方面闡述了基于結(jié)構(gòu)動力特性的損傷識別方法、損傷識別的原理和在古建筑木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。從無損檢測技術(shù)和基于結(jié)構(gòu)動力特性的損傷識別兩個方面，歸納和總結(jié)了古建筑木結(jié)構(gòu)的損傷檢測方法和新研究進展，并對研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：古建筑木結(jié)構(gòu);無損檢測;動力特性;損傷識別

中圖分類號：TU366.2?????? 文獻標識碼：A文章編號：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會末期，經(jīng)歷漫長的積累和發(fā)展，逐漸形成了自己獨特的風(fēng)格和體系，是中國古代文化也是人類建筑寶庫中一份珍貴的遺產(chǎn)[1]。中國古建筑善于利用木材，其優(yōu)點是從采伐到施工都較便利，并且能防御地震。木結(jié)構(gòu)古建筑歷經(jīng)千年歲月的洗禮，多次經(jīng)受大地震的侵襲和考驗，至今仍屹立不倒，成為中國建筑史上一部又一部的經(jīng)典作品。但木材本身具有易腐蝕、易發(fā)生火災(zāi)、易受雨水侵蝕和蛀蟲傷害等缺點，在千百年歲月的長河中，由于木材本身物理性能的退化、自然環(huán)境以及人為破壞等原因，使得木結(jié)構(gòu)古建筑出現(xiàn)開裂、糟朽、蟲蛀、拔榫和彎曲變形等不同類型的破壞，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材質(zhì)性能下降，進而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的殘損和破壞[2-3]。為了使這些彌足珍貴的建筑遺產(chǎn)能夠世代相傳，許多學(xué)者對古建筑木結(jié)構(gòu)的損傷檢測與識別展開了相關(guān)的研究工作，取得了大量的成果。本文從無損檢測技術(shù)和基于結(jié)構(gòu)動力特性的損傷識別兩個方面歸納和總結(jié)了古建筑木結(jié)構(gòu)的損傷檢測方法和新研究進展，對木結(jié)構(gòu)古建筑的損傷識別方法的研究方向進行了展望，為進一步的研究提供參考。

1 無（微）損檢測技術(shù)

無損檢測（Non-destructive Testing，簡稱NDT），是在不損壞被檢測物體的內(nèi)部組織和使用性質(zhì)的前提下，對材料的完整性和相關(guān)物理力學(xué)特性進行測試和檢驗的科學(xué)技術(shù)方法[4]。使用最早的無損檢測方法是目測法，該方法主要是通過肉眼觀察木材表面的腐朽、開裂、蟲蛀等缺陷。該方法需要操作人員有豐富的經(jīng)驗，得出的結(jié)論亦具有主觀性;人工敲擊的操作方式具有簡單、快速、便捷的優(yōu)點，但對缺陷的位置和幾何尺寸的預(yù)測精度有限，存在人為主觀因素影響，檢測結(jié)果的可靠性和靈敏度較差[5-6]。

近年來，隨著光學(xué)、電子和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的無損檢測技術(shù)被應(yīng)用于古建筑木構(gòu)件的損傷檢測中。這些技術(shù)多是基于振動波原理和射線原理而開展的，如應(yīng)力波檢測、超聲波檢測、雷達波檢測等[7]。

1.1 應(yīng)力波

目前，國內(nèi)外木結(jié)構(gòu)古建筑的無損檢測中應(yīng)用最廣泛、適用性最高的是應(yīng)力波檢測技術(shù)[8]。其原理是使用脈沖錘敲擊安裝在被測木構(gòu)件上的發(fā)射端傳感器，在應(yīng)力的作用下，木材內(nèi)部會產(chǎn)生機械應(yīng)力波，通過測量應(yīng)力波在木材橫截面中不同方向的傳播時間，反演計算出應(yīng)力波在木材內(nèi)部單元的傳播速度，生成木材的斷層圖像，從而能夠直觀、準確地檢測出木材內(nèi)部缺陷的大小與位置[9-10]。應(yīng)力波無損檢測技術(shù)具有傳播距離遠、抗干擾能力強、不需耦合劑等優(yōu)點，在木結(jié)構(gòu)古建筑的無損檢測中得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得了大量研究成果[11]。

有學(xué)者提出了活樹縱向-徑向（LR）面波速的解析模型，通過現(xiàn)場和室內(nèi)應(yīng)力波試驗，確定了健康樹和缺陷樹的應(yīng)力波速度模式，所提出的應(yīng)力波速度模型可用于診斷城市樹木內(nèi)部缺陷，提高了樹木檢測中三維層析圖像的準確性[12];還有使用應(yīng)力波技術(shù)對塔爾寺大金瓦殿的梁、脊檁、檁、承椽檁、房椽等5種木構(gòu)件的動彈性模量進行了測定[13-14];分析了應(yīng)力波在古建筑木材中傳播速度的影響因素及其影響規(guī)律[15]。

1.2 阻抗儀

阻力儀是一種近似無損或微創(chuàng)的檢測設(shè)備，其工作原理是：在電動機驅(qū)動下，以恒定的速率將探針刺入木材內(nèi)部，記錄探針在鉆入材料內(nèi)部過程中所受到的阻力，顯示出阻力曲線圖像，使用者結(jié)合木材學(xué)知識，判斷出木材的密度、年輪數(shù)以及木材內(nèi)部的腐朽、裂縫、空洞等具體狀況[16-17]。使用阻力儀可對不同類型的木材進行檢測，通過阻力曲線的變化和下降對木材內(nèi)部腐朽的狀況進行判斷[18-19]。

在古建筑木構(gòu)件的無損檢測中，阻力儀主要用于判斷木構(gòu)件內(nèi)部的狀況，如可以根據(jù)木構(gòu)件的密度判斷其木材的材質(zhì)狀況，以及腐朽、蟲蛀、裂縫的情況和空洞的位置等[20]。中國林科院木材工業(yè)研究所于2004年首次將木材阻力儀用于古建筑的維護勘查中，對古建筑木構(gòu)件的材質(zhì)狀況進行了勘測[21];對故宮武英殿維修時替換下來的100～130年的落葉松進行試驗研究，根據(jù)阻力值與木材物理力學(xué)性能的關(guān)系，對檢測結(jié)果進行了定量分析[22-23];對北京市古建筑常用的木材落葉松進行檢測，先使用應(yīng)力波檢測儀初步判斷了木構(gòu)件缺陷的大小和位置，再結(jié)合微鉆阻力儀進一步檢測了缺陷的尺寸和類型[24]。

1.3 雷達波

探地雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）無損檢測技術(shù)是利用高頻電磁波的反射來檢測被探測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)[25]。目前，該項技術(shù)主要應(yīng)用于林業(yè)領(lǐng)域的植物根系探測[26-27]、活立木內(nèi)部缺陷的檢測[28]等，在木材特別是古建筑木構(gòu)件內(nèi)部的殘損檢測方面僅部分學(xué)者開展了一些探索性研究。雷達波檢測應(yīng)用于木材無損檢測時，由于木材內(nèi)部空洞、腐朽等缺陷位置與木材本身具有不同的介電性、導(dǎo)磁性等物理特性，因而對電磁波有不同的波阻抗，電磁波在不同介質(zhì)的交界面上會發(fā)生反射，反射的電磁波脈沖其強度與波形將隨所通過介質(zhì)的介電性能而變化，通過記錄反射波的到達時間、幅度等信息可以推斷木材內(nèi)部的殘損情況[29]。

有學(xué)者利用探地雷達技術(shù)對松柏類、針葉類樹木樹皮表面孔洞以及樹木內(nèi)部的缺陷進行了探測[30];闡述了探地雷達技術(shù)的優(yōu)點，通過對探地雷達掃描數(shù)據(jù)的分析，區(qū)分了原木的缺陷部分和良好部分，并利用MATLAB算法找到了探地雷達掃描數(shù)據(jù)中對應(yīng)缺陷的位置和大小[31]。

采用雷達波樹木無損探測技術(shù)與樹木雷達分析軟件，對頤和園內(nèi)6棵古柳的內(nèi)部異常情況進行雷達波探測成像試驗。結(jié)果表明：雷達波成像解析結(jié)果準確且與實際情況相符程度高，表明樹木雷達系統(tǒng)可以對樹木內(nèi)部異常分布情況進行高效無損的檢測、成像和解析[32]。

2 基于結(jié)構(gòu)動力特性的損傷識別

基于結(jié)構(gòu)動力特性的損傷識別是通過對比分析結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)的改變來判定結(jié)構(gòu)性能的變化，并且可以采用一定的技術(shù)對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)信號進行處理，通過構(gòu)建損傷識別指標對結(jié)構(gòu)進行損傷識別和定位，甚至可以進一步量化結(jié)構(gòu)的損傷程度。基于結(jié)構(gòu)動力特性的損傷識別方法更側(cè)重于評估結(jié)構(gòu)的整體性能，從而彌補了傳統(tǒng)的無損檢測方法只是局限于結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢測的不足[33]。

2.1 古建筑木結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別

結(jié)構(gòu)的阻尼、頻率和振型等是能夠反映結(jié)構(gòu)動力特性的主要振動模態(tài)參數(shù)，而結(jié)構(gòu)損傷會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度或質(zhì)量的損失，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)發(fā)生變化[34-35]。

有學(xué)者定義了古建筑木構(gòu)件榫卯節(jié)點的半剛性特點，通過建立西安北門箭樓木結(jié)構(gòu)的有限元計算模型，確定了半剛性節(jié)點剛度的范圍;并對結(jié)構(gòu)的動力特性進行計算分析，得到了箭樓的前六階振動模態(tài)[36]。還有學(xué)者分別采用環(huán)境激勵法和錘擊法對韓國首爾傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)東大門的動力特性進行研究，獲得了結(jié)構(gòu)的固有頻率和相位信息[37]。將隨機減量法與ITD法相結(jié)合，有效識別了某藏式古建筑木結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的模態(tài)頻率和阻尼比[38]。通過對西安鐘樓進行實際振動監(jiān)測，得到了木結(jié)構(gòu)的振動信號，采用小波和奇異值理論相結(jié)合的方法，對鐘樓木結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)進行了識別[39]。

2.2 基于振動響應(yīng)信號處理的損傷識別

模態(tài)參數(shù)識別需要對激勵進行測量或假設(shè)其為白噪聲激勵，不適用于激勵未知情況下的損傷檢測[40]。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時會使結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)發(fā)生改變，因此可以利用結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的變化來識別結(jié)構(gòu)的損傷。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，交通激勵荷載引起的微幅振動對古建筑的損傷影響越來越大，越來越多的學(xué)者開展了交通激勵荷載下基于振動響應(yīng)的古建筑損傷識別方法研究。

以西安鐘樓為工程依托，建立了隨機激勵作用下古木框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，對結(jié)構(gòu)上各測點的加速度響應(yīng)信號進行小波包分解，并建立小波包能量曲率差的損傷識別指標，對結(jié)構(gòu)進行了損傷定位分析[41-42];構(gòu)建了能量比偏差和能量比方差兩個損傷識別敏感性指標，研究了不同小波函數(shù)和小波包分解層次對鐘樓木結(jié)構(gòu)的損傷識別，結(jié)果表明：兩個指標都能有效地識別損傷，且具有一定的抗噪聲干擾能力[43]。對木框架結(jié)構(gòu)進行有限元模擬與瞬態(tài)分析，采用隨機共振理論對各節(jié)點的動力響應(yīng)信號進行降噪處理，并對降噪后的動力響應(yīng)信號進行小波分析，實現(xiàn)了對木框架損傷單位的損傷定位[44]。

3 結(jié)語

近年來，古建筑木結(jié)構(gòu)的損傷識別研究得到了快速的發(fā)展，越來越多的方法被應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)的損傷識別和安全評估中并取得一定的成果，但仍存在較多問題需要不斷研究：

（1）尋找古建筑木結(jié)構(gòu)損傷檢測的新原理和新方法，進一步提高木結(jié)構(gòu)古建筑無損檢測技術(shù)的實用性和先進性;

（2）目前，大多研究是以數(shù)值模擬為主，通過建立有限元模型模擬結(jié)構(gòu)的損傷，模型簡單，不能全面反映古建筑木結(jié)構(gòu)的特點;另一方面，損傷主要以構(gòu)件為主，對整體結(jié)構(gòu)的研究還較少;

（3）目前的研究主要是定性的評價，損傷程度的量化和壽命的評估還沒有做到，尚不能為木結(jié)構(gòu)古建筑的維護和加固提供更為準確的數(shù)據(jù)信息，有待進一步的研究。

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