花旗松木構件內部缺陷應力波無損檢測技術

尹婷婷 韓振華 許 鵬

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

我國古建筑木結構構件因生物破壞、環境或使用年限等影響，容易產生裂縫、蟲蛀、內部孔洞等內部殘損缺陷，使古建筑的安全存在隱患[1]。對木構件進行內部缺陷檢測以評估安全狀況以及合理修繕、加固和保護古建筑木結構十分必要。目前主要采用目視、敲擊辨聲等粗略判定殘損類型[2]，對木構件內部殘損的具體形態信息無法獲取。近年來，針對古建筑木構件內部缺陷檢測，采用不破壞木構件外觀的無損檢測技術進行了大量研究和實踐應用，如應力波檢測法，鉆入阻抗檢測法或兩者聯合檢測等[3-7]。但還是存在檢測方法精確度、檢測手段適宜性以及檢測結果準確性均缺乏相關深入研究的問題，以至于針對古建筑木結構內部缺陷的檢測成果至今仍然缺乏廣泛認可[8]。本文針對木構件常見的主要缺陷，主要研究采用應力波無損檢測技術定性及定量識別和判定木構件裂縫、內部孔洞等殘損狀況，以提高應力波無損檢測技術對殘損缺陷檢測與識別的準確性。

1 試驗原理和方法

應力波技術檢測木材內部殘損缺陷的原理如圖1所示[9]。通過檢測木構件在垂直于木材紋理方向的橫向應力波傳播速度，并與同種木材健康材的橫向傳播速度進行比較，根據傳播速度的衰減率來判斷木構件的內部腐朽狀況。本研究通過模擬木構件常見的主要缺陷，判斷應力波檢測內部殘損的識別情況，分析識別的殘損面積和實際殘損面積之間的數值關系與誤差，基于此判斷缺陷檢測的精度并提出針對相應樹種的應力波檢測殘損面積修正公式，達到提高對木結構殘損檢測準確性的目的。

圖1 木材橫向檢測的原理示意

1）木柱截取高100 mm試件若干，先測量花旗松健康材橫向應力波波速，得到健康材應力波波速及模擬圖像。

2）模擬不同位置和大小的孔洞，將測試過的健康材通過人工挖取孔洞，設置單因素試驗，研究應力波識別及定量檢測孔洞面積大小的能力。孔洞面積分別為健康材面積的1/25、1/8、1/4、1/3、1/2，位于中心，5個試件編號依次為KD1—KD5，分別進行應力波橫向波速測試。設置單因素試驗，研究孔洞位置與識別和定量評價孔洞大小的關系，將大小為健康材1/25、1/8、1/4的孔洞，從中心位置依次偏離健康材半徑的1/4、1/3和1/2，編號依次建立為KD1-1、KD1-2、KD1-3，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3。分析是否識別孔洞及成像檢測的面積。

3）模擬不同面積的蟲蛀，將測試過的健康材通過人工密集鉆孔，設置單因素試驗，研究應力波識別及定量檢測蟲蛀面積大小的能力。蟲蛀面積分別為健康材面積的1/25、1/8、1/4、1/3、1/2，位于中心，5個試件編號依次為CZ1—CZ5，分別測試應力波橫向波速，分析是否識別孔洞及成像檢測面積。

4）模擬不同寬度和長度的裂縫，將測試過的健康材通過人工挖取十字交叉縫隙。設置單因素試驗，研究應力波識別及定量檢測裂縫長度的能力。裂縫寬設為30 mm，裂縫長度分別為健康材直徑的1/4、1/3、1/2，位于中心，3個試件編號分別為LF1—LF3。設置單因素試驗，研究應力波識別及定量檢測裂縫寬度的關系，裂縫長度設為直徑的1/2（即200 mm），裂縫寬度依次設置為3、15 mm，編號依次為LF3-2、LF3-3。分析能否識別裂縫以及裂縫的長度等。

2 試驗材料和設備

2.1 試驗材料

選取常用樹種花旗松原木柱進行無損檢測，直徑40 cm。

2.2 試驗設備

試驗采用匈牙利產FAKOPP 3D Acoustic Tomograph應力波檢測儀。根據試件截面尺寸選擇12個傳感器，傳感器探針位置按試件周長平均分布，逐個敲擊測感應探針（圖2）。本試驗中采用的FAKOPP 3D Acoustic Tomograph通過設備自帶的ArborSonic 3D軟件，對采集到的應力波傳播時間數據和圖形進行處理，得到木構件截面內部情況計算機模擬圖像。通過顏色（圖3）區分可以顯示健康材和內部殘損，并對殘損位置和面積進行粗略判定。

圖2 設備及檢測示意

圖3 應力波檢測顯示顏色圖例

3 結果與分析

3.1 應力波檢測不同缺陷分析

3.1.1 模擬孔洞測試結構分析

開孔后的試件KD1—KD5及試驗測得的應力波測試模擬圖像如圖4所示。從KD1-KD5試件的應力波測試模擬圖像的缺陷位置可見，ArborSonic 3D 軟件可較準確地反映出孔洞在截面中的位置；從KD1—KD5試件的應力波測試模擬圖像的缺陷大小可見，ArborSonic 3D軟件可顯示缺陷面積的占比，隨著模擬孔洞面積增加，缺陷顯示面積增加。其中KD1的缺陷顯示不明顯，KD2—KD5（1/8、1/4、1/3、1/2）缺陷面積可很好地顯示，因為KD1的缺陷面積為1/25（4%），說明軟件對于一定小的缺陷面積檢測精度不夠。

圖4 不同孔洞大小試件及應力波測試模擬圖像

編號KD1—KD3孔洞從中心位置依次偏離中心健康材半徑的1/4、1/3和1/2，編號依次建立為KD1-1、KD1-2、KD1-3，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3的檢測結果如圖5～圖7所示。KD1-1、KD1-2、KD1-3試件的應力波測試模擬圖像中，缺陷同樣顯示不明顯，相同大小的孔洞在不同位置都不能顯示。KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3試件的應力波測試模擬圖像中，隨著孔洞位置設置的偏移，缺陷顯示的位置也相應偏移，說明應力波無損檢測可以較準確地反映出孔洞在截面中的相對位置，KD2-1、KD2-2、KD2-3，KD3-1、KD3-2、KD3-3應力波測試模擬圖像同樣也可以顯示缺陷的面積變化。說明缺陷的位置不是影響應力波檢測結果的因素，缺陷面積是影響應力波定性和定量檢測的關鍵因素。

圖5 KD1不同偏離中心位置試件及應力波測試模擬圖像

圖6 KD2不同偏離中心位置試件及應力波測試模擬圖像

圖7 KD3不同偏離中心位置試件及應力波測試模擬圖像

綜上，應力波無損檢測可較準確和直觀地反映孔洞在截面中的位置和占比，缺陷面積是影響應力波定性和定量檢測的關鍵因素，當孔洞面積小于一定值，缺陷顯示和占比不明顯。

3.1.2 模擬裂縫測試結果分析

開孔后的試件LF1—LF3及試驗測得的應力波測試模擬圖像如圖8所示。對于模擬的寬度為30 mm，LF1試件的應力波測試模擬圖像中，長為直徑1/4的十字形裂縫不能明顯顯示，LF2、LF3試件的應力波測試模擬圖像中，長為直徑1/3、1/2的十字形裂縫可顯示缺陷及其相對位置，同時，隨著裂縫長度的增加，缺陷顯示面積增加，但應力波檢測軟件不能按試件缺陷形狀顯示缺陷的形狀。說明應力波檢測軟件可識別裂縫缺陷的存在，但無論缺陷的形狀如何，其應力波檢測模擬圖像皆顯示為截面近似圓形或不規則的殘損孔洞，不能識別出缺陷的不同幾何形狀。因此可判斷，應力波測試儀自帶軟件對缺陷形狀的識別精確度不高。

圖8 不同裂縫長度試件及應力波測試模擬圖像

開孔后的試件LF3、LF3-2、LF3-3及試驗測得的應力波測試模擬圖像如圖9所示。從圖9可知，對于模擬的不同裂縫寬度十字形裂縫，寬度分別為30、3、15 mm，長200 mm的內部裂縫，應力波檢測軟件都可以檢測出缺陷的存在，顯示缺陷的相對位置，并且隨著裂縫寬度的增加，模擬圖像缺陷顯示明顯，缺陷面積占比更大。因此可以判斷，裂縫長度和寬度都會影響應力波無損檢測對裂縫的識別，可能是因為缺陷面積的增大。

圖9 不同裂縫寬度試件及應力波測試模擬圖像

綜上，應力波無損檢測可以識別裂縫為缺陷以及其相對位置，但不能明確判斷或顯示為裂縫。裂縫長度和寬度影響識別能力，裂縫越大，缺陷顯示越大。

3.1.3 模擬蟲蛀測試結果分析

開孔后的試件CZ1—CZ5及試驗測得的應力波測試模擬圖像如圖10所示。從圖10可知，對于模擬的蟲蛀，應力波檢測軟件基本上不能識別缺陷的存在。文獻[8]指出，應力波測試儀能夠較準確地分辨出構件內部仍有木材纖維組織松散相連的狀態，但本試驗表明對于大面積密集的模擬蟲蛀，應力波檢測軟件基本上不能識別。可能模擬試件與實際情況存在差別，如蟲眼密度，需要進一步研究。

圖10 不同蟲蛀大小試件及應力波測試模擬圖像

3.2 應力波檢測缺陷面積分析

以模擬孔洞缺陷面積為研究對象，孔洞實際面積與應力波檢測的孔洞面積測試結果如表1所示。可知，在軟件默認參數設置條件下，應力波檢測圖像模擬出的檢測面積和實際模擬的孔洞面積間存在較大誤差。以實際孔洞面積為應變量（y），以開孔后測量缺陷面積為自變量（x），進行回歸分析，所得應力波測量缺陷面積與實際缺陷面積關系回歸模型及相應的數學表達式和決定系數如圖11所示。

表1 孔洞面積測試結果

圖11 缺陷實際面積與應力波無損檢測面積關系

從圖11可知，模擬出的實際孔洞面積和應力波檢測的孔洞面積之間有統計上的線性關系。其回歸方程為y＝1.235 3x＋3.711 8，決定系數為R2＝0.965，決定系數R2＞0.5，為強相關，通過回歸分析，得到p＝0.000 465＜0.001，具有非常顯著的意義。可見，通過應力波檢測的孔洞面積可以推測木構件的實際孔洞面積。

4 結語

1）應力波無損檢測可以識別孔洞和裂縫缺陷的存在，能較準確地反映出在截面中的相對位置。可以顯示缺陷面積的占比，隨著孔洞面積或裂縫缺陷增大，缺陷顯示面積增加。因此，可用于木構件內部殘損的定性判斷。但對于模擬的蟲蛀，應力波檢測軟件基本上不能識別。

2）應力波檢測不能識別出缺陷的不同幾何形狀，圖像皆顯示為截面內部的近似圓形殘損孔洞，對于一定小的缺陷面積檢測精度不夠。缺陷面積是影響應力波定性和定量檢測的關鍵因素。

3）實際孔洞面積和模擬出的檢測面積之間有統計上的線性關系，其回歸方程為y＝1.235 3x＋3.711 8，決定系數為R2＝0.965，線性關系顯著。

4）未來需要研究不同樹種所對應的檢測與實際缺陷的調整系數，建立樹種數據庫，從而運用于現場條件下對應力波檢測數據的分析。