基于Surfer軟件的木橫梁腐朽狀態(tài)應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1、基于Surfer軟件的木橫梁腐朽狀態(tài)應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)木材因其良好的抗壓抗震性能被廣泛用作建筑材料，但隨著時(shí)間的推移，木建筑承重梁、柱抗壓1、抗拉2性能減弱，使得結(jié)構(gòu)整體安全性能3降低，因此木結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估對(duì)于建筑安全保障至關(guān)重要。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用應(yīng)力波技術(shù)對(duì)木材進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并對(duì)其內(nèi)部缺陷位置分布和腐朽木構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究4-6。如利用應(yīng)力波檢測(cè)儀和超聲波儀器對(duì)立木結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種無(wú)損檢測(cè)，對(duì)應(yīng)力波傳播時(shí)間7、波速8、彈性模量9、剩余強(qiáng)度10等檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析，確定木構(gòu)件的腐朽程度?，F(xiàn)階段無(wú)損檢測(cè)結(jié)果多以線性圖表來(lái)反映木結(jié)構(gòu)內(nèi)部的強(qiáng)度變化及腐朽情況，因而只能判斷腐朽點(diǎn)，無(wú)法將點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行

2、網(wǎng)格化處理，對(duì)腐朽面分布進(jìn)行預(yù)測(cè)；同時(shí)缺少腐朽狀態(tài)的可視化研究，這對(duì)后期確定木構(gòu)件損傷位置及安全性能評(píng)價(jià)造成一定困難。福建省存在大量民用木結(jié)構(gòu)古民居建筑群，該建筑群是研究福建省古村落空間環(huán)境、古建筑結(jié)構(gòu)特征與木結(jié)構(gòu)損害分析的極佳實(shí)例。為評(píng)估福建省北墘村古民居建筑起承重作用的關(guān)鍵木橫梁的腐朽情況，筆者課題組利用無(wú)損檢測(cè)法對(duì)建筑木橫梁進(jìn)行原位檢測(cè)，對(duì)應(yīng)力波波速值進(jìn)行綜合分析，并利用Surfer插值法中的Kriging網(wǎng)格劃分法，將測(cè)量的分散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)格，以木橫梁截面坐標(biāo)為基準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行精確套合，進(jìn)而繪制木橫梁橫截面應(yīng)力波波速漸變色等值線分布圖，通過(guò)漸變色填充反映木橫梁內(nèi)部腐朽狀態(tài)的大小和

3、形態(tài)規(guī)模，判斷二維截面木橫梁內(nèi)部腐朽位置分布。應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果為后期木橫梁等承重構(gòu)件修繕維護(hù)提供直觀、清晰的狀態(tài)分布圖，為木結(jié)構(gòu)建筑整體安全等級(jí)評(píng)估及修復(fù)研究提供依據(jù)。1材料與方法1.1試驗(yàn)材料共檢測(cè)古民居木橫梁構(gòu)件10根，規(guī)格為：長(zhǎng)度390450 cm，寬度14 cm，高度21 cm，平均密度266310 kg/m3，平均含水率14.9%19.5%。木橫梁構(gòu)件依據(jù)其位置分布情況編號(hào)：從靠近門的第二個(gè)木橫梁開始檢測(cè)，編號(hào)為No.1，自南向北編號(hào)依次是No.2No.10。圖1a和1b分別為No.5和No.6木橫梁實(shí)物圖。圖1木橫梁構(gòu)件實(shí)物圖Fig.1Pictures of wooden beams

4、在木橫梁構(gòu)件非關(guān)鍵部位，截取尺寸為1 cm1 cm2 cm的材料進(jìn)行制片，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察木材微觀結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)樹種樣板圖譜對(duì)比，鑒定木橫梁的樹種為杉木（Cunninghamia lanceolata）。1.2儀器設(shè)備Fakopp應(yīng)力波檢測(cè)儀、感應(yīng)式木材含水率測(cè)試儀、壓針式木材密度測(cè)定儀、光學(xué)顯微鏡等。1.3測(cè)試方法首先對(duì)木橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在高度方向，對(duì)木橫梁的上、下兩層截面（距離木橫梁上、下表面約3.5 cm）進(jìn)行應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)。在長(zhǎng)度方向，將木橫梁劃分為若干個(gè)等分點(diǎn)，每個(gè)等分點(diǎn)之間的距離為20 cm，共計(jì)15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（圖2）。圖2應(yīng)力波速檢測(cè)木橫梁截面及位置分布Fig.2Distribu

5、tion of stress wave velocity at the cross-section of wooden beam使用Fakopp應(yīng)力波檢測(cè)儀測(cè)量木橫梁的應(yīng)力波弦向值，即測(cè)量木橫梁上截面和下截面兩層15個(gè)對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力波傳播時(shí)間。沿寬度方向，將觸發(fā)傳感器固定在上截面檢測(cè)點(diǎn)1的位置，接受傳感器固定在上截面檢測(cè)點(diǎn)1的位置，用鋼錘敲擊觸發(fā)傳感器，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)敲擊3次，取3次平均值作為上截面檢測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力波傳播時(shí)間的檢測(cè)結(jié)果，并依次檢測(cè)上、下兩個(gè)截面其余14個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力波傳播時(shí)間。將應(yīng)力波傳播時(shí)間轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波速，利用Surfer插值法中的Kriging網(wǎng)格劃分法，分別將上、下兩截面15個(gè)

6、分散檢測(cè)點(diǎn)中木橫梁的X截面（紫色）、Y截面（綠色）、Z截面（灰色）數(shù)據(jù)插值到規(guī)則網(wǎng)格中，通過(guò)提前確定網(wǎng)格將木橫梁長(zhǎng)度（A列）和高度（B列）以及應(yīng)力波速值（C列）等屬性信息填入軟件，利用插值法生成木結(jié)構(gòu)內(nèi)部腐朽狀況預(yù)測(cè)圖，用以判斷被測(cè)木橫梁內(nèi)部是否有腐朽、空洞等缺陷以及缺陷的位置分布及占比等情況。Surfer軟件中插值法可對(duì)木結(jié)構(gòu)分散的應(yīng)力波速數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，以木橫梁截面坐標(biāo)為基準(zhǔn)，依據(jù)應(yīng)力波數(shù)據(jù)繪制的等值線漸變色填充圖來(lái)預(yù)測(cè)木橫梁中腐朽占比，綜合分析應(yīng)力波檢測(cè)結(jié)果，對(duì)木橫梁腐朽狀態(tài)進(jìn)行可視化等值線處理。1.4 判定方法通過(guò)查閱中國(guó)木材志世界主要樹種木材學(xué)特征等文獻(xiàn)資料，同時(shí)結(jié)合廖春輝等11

7、依據(jù)置信區(qū)間的估計(jì)方法，確定應(yīng)力波在健康杉木中的傳播臨界速度為1 618 m/s。依據(jù)GB 501651992古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范和GB/T 13942.22022木材耐久性能，并結(jié)合北墘村古民居建筑杉木橫梁表面無(wú)損傷且含水率大致相同的實(shí)際情況，以臨界應(yīng)力波速在健康杉木中的傳播速度作為判斷木橫梁內(nèi)部是否存在缺陷的依據(jù)，即當(dāng)應(yīng)力波測(cè)量值小于臨界應(yīng)力波速值時(shí)，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)存在腐朽，應(yīng)力波速值越小，腐朽程度越大。依據(jù)腐朽面積占下截面面積的比值k，將木橫梁的腐朽程度分為3等（表1）。表1木橫梁腐朽分等規(guī)則Tab.1Decay classification of wooden beams項(xiàng)目k

8、值等級(jí)狀態(tài)木橫梁0k0.2良好，可以繼續(xù)使用0.2k0.5中等，腐朽部位修復(fù)加固k0.5差等，予以更換2結(jié)果與分析2.1木橫梁的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)10根木橫梁的基本信息及采用應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)的分等結(jié)果，列于表2。表2木橫梁的基本信息及分等情況Tab.2Grading and basic information of wooden beams編號(hào)含水率%密度/(kgm-3)間距/cmk值分等114.92753900.93215.23013900.90316.32883900.98416.62973900.86517.43083900.30618.32663900.13715.82853900.

9、20817.23103900.97915.93003900.901019.52803900.93其中結(jié)構(gòu)較為完整可繼續(xù)使用的等木橫梁共2根，分別為No.6、No.7；內(nèi)部存在小尺寸缺陷，修復(fù)后可繼續(xù)使用的等木橫梁1根，為No.5；其余7根為內(nèi)部存在較大面積缺陷，且無(wú)法繼續(xù)使用的等木橫梁。選取、等木橫梁各一根（No.6、No.5、No.4），詳細(xì)分析其內(nèi)部缺陷檢測(cè)情況。2.1.1等木橫梁的無(wú)損檢測(cè)圖3為等No.4木橫梁的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，圖3a為木橫梁構(gòu)件應(yīng)力波速折線圖。圖3No.4木橫梁的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)結(jié)果Fig.3Stress wave nondestructive testing res

10、ults of No.4 wooden beam圖3顯示，木橫梁上層應(yīng)力波速普遍大于下層的應(yīng)力波速，因而木橫梁上層截面內(nèi)部腐朽情況小于下層截面內(nèi)部腐朽情況。木橫梁上層結(jié)構(gòu)與二層的面板相連接，與空氣接觸相對(duì)較少。由圖3a可知木橫梁長(zhǎng)度方向10 cm截面處小范圍內(nèi)應(yīng)力波速高于健康杉木臨界應(yīng)力波速，說(shuō)明該部位內(nèi)部結(jié)構(gòu)良好；其余范圍內(nèi)應(yīng)力波速低于臨界應(yīng)力波速，說(shuō)明內(nèi)部存在腐朽情況。應(yīng)力波速折線圖可以分析木橫梁構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力波速走勢(shì)，但其檢測(cè)結(jié)果無(wú)法直觀顯示木橫梁內(nèi)部腐朽面積及腐朽占比情況，利用Surfer軟件生成的可視化圖（圖3b、3c），從色帶顏色分布可以判斷高于臨界波速的紫色分布情況，進(jìn)而判斷木橫梁

11、的健康情況。圖3b和3c顯示No.4木橫梁整體的應(yīng)力波傳播速度低于健康杉木的臨界應(yīng)力波波速，雖然在1050 cm范圍內(nèi)的波速達(dá)到了臨界波速，但應(yīng)力波速度小于臨界波速的面積與整個(gè)截面面積之比k=260/300=0.860.5，因此判斷No.4木橫梁分等為等。該木橫梁基本處于不健康的狀態(tài)，木橫梁內(nèi)部可能存在較大面積的腐朽區(qū)域，故該木橫梁不宜繼續(xù)使用，建議更換。2.1.2等木橫梁的無(wú)損檢測(cè)圖4為等No.5木橫梁的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。圖4No.5木橫梁的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)結(jié)果Fig.4Stress wave nondestructive testing results of No.5 wooden bea

12、mNo.5木橫梁上層截面應(yīng)力波速基本大于下層截面應(yīng)力波速，由折線圖可知木橫梁長(zhǎng)度方向150350 cm截面范圍內(nèi)上層應(yīng)力波速均大于健康杉木臨界應(yīng)力波速，說(shuō)明該部位內(nèi)部無(wú)腐朽；而下層截面應(yīng)力波速大部分在臨界應(yīng)力波速附近波動(dòng)，說(shuō)明內(nèi)部存在腐朽。從圖4b、4c中看出，No.5木橫梁構(gòu)件大部分區(qū)域的應(yīng)力波傳播速度大于健康杉木的臨界應(yīng)力波波速，只有在50150 cm范圍內(nèi)的波速低于臨界波速，即所測(cè)應(yīng)力波速度小于臨界波速所占面積與整個(gè)截面面積之比k=100/3000.3（0.2k0.5），因此判定No.5木橫梁為等。該木橫梁大體上處于健康的狀態(tài)，木橫梁內(nèi)部可能存在較小面積的腐朽區(qū)域，故該木橫梁修復(fù)加固后可

13、繼續(xù)使用。2.1.3等木橫梁的無(wú)損檢測(cè)圖5為等No.6木橫梁的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)結(jié)果。圖5No.6木橫梁的應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)結(jié)果Fig.5Stress wave nondestructive testing results of No.6 wooden beamNo.6號(hào)木橫梁上層截面應(yīng)力波速大于下層截面應(yīng)力波速。木橫梁長(zhǎng)度方向上層截面0200 cm范圍內(nèi)應(yīng)力波速均大于健康杉木臨界應(yīng)力波速，說(shuō)明該木橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)良好，無(wú)腐朽；而下層截面應(yīng)力波速大部分在臨界應(yīng)力波速附近波動(dòng)，說(shuō)明內(nèi)部存在一定范圍的腐朽。從圖5b、5c中可以看出，No.6木橫梁構(gòu)件絕大部分區(qū)域的應(yīng)力波傳播速度大于健康杉木的臨界應(yīng)力波波速，只

14、有在長(zhǎng)度方向240 cm附近和280320 cm范圍內(nèi)的波速低于臨界波速，即所測(cè)應(yīng)力波速度小于臨界波速所占面積與整個(gè)截面面積之比k=40/320=0.125（0k0.2），因此可以判斷No.6木橫梁為等。該木橫梁基本處于健康的狀態(tài)，木橫梁內(nèi)部可能存在較小面積的腐朽區(qū)域，故該木橫梁可以繼續(xù)使用。2.2無(wú)損檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比后期施工單位的維修檢測(cè)確定了木橫梁實(shí)際健康狀態(tài)，與前期利用應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)生成的結(jié)果對(duì)比，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)基本吻合，具體結(jié)果列于表3。表3木橫梁預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際狀態(tài)對(duì)比Tab.3Comparison between evaluation results and actua

15、l state of wooden beams編號(hào)12345678910預(yù)測(cè)分等實(shí)際狀態(tài)替換替換替換替換維修使用使用替換替換替換表3顯示，其中7根承重木橫梁腐朽面積超過(guò)50%，不能作為承重木橫梁繼續(xù)使用，直接進(jìn)行替換工作；1根承重木橫梁修復(fù)后可繼續(xù)使用；2根承重木橫梁基本無(wú)腐朽，繼續(xù)使用。由對(duì)比結(jié)果可知，利用Surfer對(duì)木橫梁腐朽狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際木橫梁狀態(tài)基本一致，設(shè)計(jì)和施工單位可以依據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)木橫梁構(gòu)件替換和使用進(jìn)行相應(yīng)規(guī)劃。對(duì)無(wú)法使用的木橫梁，設(shè)計(jì)單位可依據(jù)腐朽位置分布預(yù)測(cè)情況進(jìn)行再加工，作為輔助和修補(bǔ)材料；對(duì)需要維修構(gòu)件，利用應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)腐朽狀態(tài)分布位置進(jìn)行修補(bǔ)。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)不同腐朽狀態(tài)的木橫梁進(jìn)行修復(fù)和替換工作，以便繼續(xù)發(fā)揮原有結(jié)構(gòu)的功能，保留古民居建筑群的原始狀態(tài)。3結(jié)論1）對(duì)10根承重木橫梁進(jìn)行應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)，利用Surfer插值法中的Kriging網(wǎng)格劃分法，將測(cè)量的分散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)格，用以判斷承重木橫梁的腐朽狀態(tài)。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際木橫梁健康狀態(tài)基本吻合，說(shuō)明利用Surfer軟件中的插值法對(duì)木橫梁腐朽狀態(tài)進(jìn)行可視化等值線處理的方法，能夠合理預(yù)測(cè)木橫梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部腐朽狀態(tài)。