基于X射線數字成像法的工程竹結構內部缺陷與金屬件檢測研究*

張 輝，王明謙，許清風，陳 溪，冷予冰，陳玲珠

(上海市建筑科學研究院有限公司，上海市工程結構安全重點實驗室，上海 200032)

0 引言

隨著我國“雙碳”戰略目標的持續推進，建筑行業節能減排受到了廣泛關注。竹材是低碳、環保和可再生的建筑材料，我國具有豐富的竹林資源[1]，且擁有悠久的竹文化歷史傳統，因此大力推廣竹結構建筑具有重要意義。近年來，隨著制造加工技術的不斷完善，以膠合竹和重組竹為代表的工程竹結構逐漸在建筑領域得到應用[2-3]。

目前，國內外針對工程竹構件和節點力學性能的研究已取得豐碩成果。冷予冰等[4]開展了膠合竹和重組竹梁受彎性能試驗研究，發現工程竹梁受力性能明顯優于同尺寸膠合木梁。Li等[5-6]開展了膠合竹柱軸心受壓試驗和數值模擬分析，并確定了此類構件的破壞模式，建立了極限承載力計算方法。Leng等[7-8]開展了膠合竹和重組竹梁柱螺栓連接節點彎剪受力性能試驗研究，確定了此類節點的破壞模式，并建立了節點承載力計算方法。Xu等[9]通過試驗研究確定了膠合竹鋼填板螺栓連接節點抗劈裂承載力，并建立了節點抗劈裂承載力計算方法。

工程竹結構檢測技術對其質量控制和安全性鑒定具有重要意義，但目前該領域的研究成果相對有限。周先雁等[10]采用超聲波法和沖擊回波法檢測了竹質工程材試件動彈性模量，通過回歸分析建立了動彈性模量與靜彈性模量之間的關系。許琪[11]開展了基于超聲波技術的重組竹力學性能參數預測方法研究，發現結合動彈性模量和密度可較好地預測重組竹抗壓強度。冷予冰等[12]開展了基于鉆入阻抗法的膠合竹缺陷檢測研究，發現膠合竹裂縫、螺孔和柱槽處阻力值明顯低于完好部位。王明謙等[2]開展了基于探地雷達的工程竹缺陷檢測研究，發現柱槽、螺孔和長方體缺陷部位電磁波幅值與完好部位差異較大，可用于工程竹缺陷判別。

X射線數字成像法已在鋼結構和混凝土結構內部缺陷檢測中得到廣泛應用，并取得良好效果[13-14]。本文采用X射線數字成像法進行工程竹結構內部缺陷和金屬件檢測研究，為《工程竹結構檢測技術標準》的編制提供技術依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計并制作4個工程竹試件，各試件幾何尺寸如圖1所示。其中，J1為含有內部缺陷的膠合竹試件，尺寸為250mm×180mm×200mm(長×寬×高)，內部居中設置邊長為75mm的正方形缺陷，缺陷高度與試件高度相同。J2為含有自攻螺釘的膠合竹試件，尺寸為400mm×100mm×200mm(長×寬×高)，φ6,φ8自攻螺釘鉆入試件長度為180mm，φ10自攻螺釘鉆入試件長度為115mm，φ6,φ8自攻螺釘間距為64mm，φ8,φ10自攻螺釘間距為75mm。C1為含有內部缺陷的重組竹試件，尺寸為250mm×180mm×200mm(長×寬×高)，內部居中設置邊長為75mm的正方形缺陷，缺陷高度與試件高度相同。C2為含有自攻螺釘的重組竹試件，尺寸為400mm×100mm×200mm(長×寬×高)，φ6,φ8,φ10自攻螺釘鉆入試件長度均為180mm，φ6,φ8自攻螺釘間距為85mm，φ8,φ10自攻螺釘間距為91mm。

圖1 試件幾何尺寸

將自攻螺釘垂直鉆入工程竹試件中，為消除自攻螺釘螺帽對X射線機拍照的影響，且便于運輸，試件加工完成后將所有自攻螺釘螺帽去除。

膠合竹實測密度為669kg/m3，含水率為7.4%，抗彎彈性模量為13 180MPa，抗彎強度為128.6MPa。重組竹實測密度為1 140kg/m3，含水率為9.8%，抗彎彈性模量為15 300MPa，抗彎強度為128.6MPa。

1.2 試驗方法

X射線數字成像法檢測工程竹結構缺陷原理如圖2所示，具體檢測步驟如下：①平板探測器就位，并將其置于工程竹試件一側，緊貼試件表面；②X射線機就位，并將其置于試件的另一側；③將X射線機與中央控制器相連；④根據事先試驗確定的數值，通過中央控制器設置電壓、電流、曝光時間及X射線機延遲開啟時間；⑤現場所有檢測人員退至安全距離(6.1m)以外；⑥開始檢測，X射線機發射X射線，X射線穿過試件在平板探測器上實時成像；⑦通過平板探測器與工業計算機之間的無線云數據傳輸，實現工業計算機遠程實時圖像采集；⑧對采集的圖像進行歸一化灰度值分析，并給出檢測結果。

本試驗采用XR200型X射線機對工程竹試件內部缺陷和自攻螺釘進行檢測，X射線機電壓為150kV，電流為2.0mA，曝光時間約為120s，工作溫度為-20～50℃。平板探測器幾何尺寸為305mm×254mm(寬×高)，分辨率為4.0lp/mm。

首先對數字化圖片上的灰度值進行提取和歸一化處理，然后根據歸一化灰度值對工程竹試件內部缺陷和自攻螺釘幾何尺寸、鉆入角度進行判別。歸一化灰度值xg表達式為：

(1)

式中：x為圖片中某點實測灰度值；xmin為圖片中提取的最小灰度值；xmax為圖片中提取的最大灰度值。

由于X射線數字成像法對構件實際幾何尺寸進行了等比例放大或縮小處理，需根據測試試件幾何尺寸對數字化圖片中的試件幾何尺寸進行標定，然后通過相關數據換算得到內部缺陷和自攻螺釘幾何尺寸、鉆入角度。

2 檢測結果

X射線數字成像法檢測結果如圖3～6所示。由圖3a，3b可知，沿膠合竹長度方向進行檢測時，缺陷區域與完好區域歸一化灰度值存在明顯差異，缺陷區域歸一化灰度值接近于1.0，完好區域歸一化灰度值基本<0.45。由圖3c，3d可知，沿膠合竹寬度方向進行檢測時，缺陷區域歸一化灰度值接近于1.0，完好區域歸一化灰度值基本<0.45，缺陷區域與完好區域歸一化灰度值差異程度雖低于沿試件長度進行檢測時，但基本可確定缺陷區域與完好區域分界面。

圖3 試件J1檢測結果

圖4 試件C1檢測結果

圖5 試件J2檢測結果

圖6 試件C2檢測結果

由圖4可知，沿重組竹長度和寬度方向進行檢測時，缺陷區域與完好區域歸一化灰度值存在明顯差異，缺陷區域歸一化灰度值接近于1.0，完好區域歸一化灰度值基本<0.60。由此可見，X射線數字成像法對于重組竹內部缺陷檢測具有較好的精度。

由圖5，6可知，膠合竹和重組竹試件中自攻螺釘歸一化灰度值基本<0.20，這與無自攻螺釘區域的歸一化灰度值(基本>0.40)存在明顯差異，且該差異不隨自攻螺釘直徑變化；歸一化灰度值<0.20的區域沿x軸的寬度隨自攻螺釘直徑的增加而增加。

為進一步驗證X射線數字成像法檢測工程竹試件內部缺陷和自攻螺釘的精度，對試件內部缺陷和自攻螺釘參數設定值與X射線數字成像法檢測值進行對比，結果如表1所示。

表1 試件內部缺陷和自攻螺釘參數設定值與檢測值對比結果

由表1可知，X射線數字成像法對工程竹試件內部缺陷幾何尺寸，自攻螺釘鉆入深度、直徑、間距均有較好的檢測精度，檢測誤差絕對值平均值為6.5%，最大誤差絕對值為17.6%，符合工程檢測精度要求。

對工程竹試件自攻螺釘鉆入角度設定值與檢測值進行對比，結果如表2所示。

表2 工程竹試件自攻螺釘鉆入角度設定值與檢測值對比結果

由表2可知，X射線數字成像法對自攻螺釘鉆入角度的檢測誤差絕對值平均值為2.8%，最大誤差絕對值為3.5%，具有較好的檢測精度。

3 結語

1)膠合竹缺陷區域歸一化灰度值接近1.0，完好區域歸一化灰度值基本<0.45。重組竹缺陷區域歸一化灰度值接近1.0，完好區域歸一化灰度值基本<0.60。膠合竹、重組竹內部缺陷區域和完好區域分界面基本可確定。

2)膠合竹和重組竹試件自攻螺釘歸一化灰度值基本<0.20，這與無自攻螺釘區域的歸一化灰度值(基本>0.40)存在明顯差異，且該差異不隨自攻螺釘直徑變化；歸一化灰度值<0.20的區域沿x軸的寬度隨自攻螺釘直徑的增加而增加。

3)X射線數字成像法對工程竹試件內部缺陷和自攻螺釘參數檢測誤差絕對值平均值為6.5%，最大誤差絕對值為17.6%，符合工程檢測精度要求。

4)本文研究成果可為工程竹結構內部缺陷和金屬連接件施工質量檢測提供技術支撐。本研究中工程竹試件內部缺陷為預先設置的空洞，后續需進行腐朽和蟲蛀等缺陷的X射線數字成像法檢測研究，進一步明確X射線數字成像法對工程竹結構缺陷檢測的有效性和可靠性。