基于Surfer軟件的木橫梁腐朽狀態(tài)應力波無損檢測技術

1、基于Surfer軟件的木橫梁腐朽狀態(tài)應力波無損檢測技術木材因其良好的抗壓抗震性能被廣泛用作建筑材料，但隨著時間的推移，木建筑承重梁、柱抗壓1、抗拉2性能減弱，使得結構整體安全性能3降低，因此木結構損傷評估對于建筑安全保障至關重要。近年來國內外學者應用應力波技術對木材進行無損檢測，并對其內部缺陷位置分布和腐朽木構件力學性能進行了大量研究4-6。如利用應力波檢測儀和超聲波儀器對立木結構進行多種無損檢測，對應力波傳播時間7、波速8、彈性模量9、剩余強度10等檢測指標進行分析，確定木構件的腐朽程度?，F階段無損檢測結果多以線性圖表來反映木結構內部的強度變化及腐朽情況，因而只能判斷腐朽點，無法將點數據進行

2、網格化處理，對腐朽面分布進行預測；同時缺少腐朽狀態(tài)的可視化研究，這對后期確定木構件損傷位置及安全性能評價造成一定困難。福建省存在大量民用木結構古民居建筑群，該建筑群是研究福建省古村落空間環(huán)境、古建筑結構特征與木結構損害分析的極佳實例。為評估福建省北墘村古民居建筑起承重作用的關鍵木橫梁的腐朽情況，筆者課題組利用無損檢測法對建筑木橫梁進行原位檢測，對應力波波速值進行綜合分析，并利用Surfer插值法中的Kriging網格劃分法，將測量的分散數據轉化為連續(xù)的數據網格，以木橫梁截面坐標為基準對其進行精確套合，進而繪制木橫梁橫截面應力波波速漸變色等值線分布圖，通過漸變色填充反映木橫梁內部腐朽狀態(tài)的大小和

3、形態(tài)規(guī)模，判斷二維截面木橫梁內部腐朽位置分布。應力波檢測結果為后期木橫梁等承重構件修繕維護提供直觀、清晰的狀態(tài)分布圖，為木結構建筑整體安全等級評估及修復研究提供依據。1材料與方法1.1試驗材料共檢測古民居木橫梁構件10根，規(guī)格為：長度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%。木橫梁構件依據其位置分布情況編號：從靠近門的第二個木橫梁開始檢測，編號為No.1，自南向北編號依次是No.2No.10。圖1a和1b分別為No.5和No.6木橫梁實物圖。圖1木橫梁構件實物圖Fig.1Pictures of wooden beams

4、在木橫梁構件非關鍵部位，截取尺寸為1 cm1 cm2 cm的材料進行制片，通過光學顯微鏡觀察木材微觀結構，與標準樹種樣板圖譜對比，鑒定木橫梁的樹種為杉木（Cunninghamia lanceolata）。1.2儀器設備Fakopp應力波檢測儀、感應式木材含水率測試儀、壓針式木材密度測定儀、光學顯微鏡等。1.3測試方法首先對木橫梁進行網格劃分。在高度方向，對木橫梁的上、下兩層截面（距離木橫梁上、下表面約3.5 cm）進行應力波無損檢測。在長度方向，將木橫梁劃分為若干個等分點，每個等分點之間的距離為20 cm，共計15個檢測點（圖2）。圖2應力波速檢測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應力波檢測儀測量木橫梁的應力波弦向值，即測量木橫梁上截面和下截面兩層15個對應檢測點的應力波傳播時間。沿寬度方向，將觸發(fā)傳感器固定在上截面檢測點1的位置，接受傳感器固定在上截面檢測點1的位置，用鋼錘敲擊觸發(fā)傳感器，每個檢測點敲擊3次，取3次平均值作為上截面檢測點1應力波傳播時間的檢測結果，并依次檢測上、下兩個截面其余14個檢測點的應力波傳播時間。將應力波傳播時間轉化為應力波速，利用Surfer插值法中的Kriging網格劃分法，分別將上、下兩截面15個

6、分散檢測點中木橫梁的X截面（紫色）、Y截面（綠色）、Z截面（灰色）數據插值到規(guī)則網格中，通過提前確定網格將木橫梁長度（A列）和高度（B列）以及應力波速值（C列）等屬性信息填入軟件，利用插值法生成木結構內部腐朽狀況預測圖，用以判斷被測木橫梁內部是否有腐朽、空洞等缺陷以及缺陷的位置分布及占比等情況。Surfer軟件中插值法可對木結構分散的應力波速數據進行網格化處理，以木橫梁截面坐標為基準，依據應力波數據繪制的等值線漸變色填充圖來預測木橫梁中腐朽占比，綜合分析應力波檢測結果，對木橫梁腐朽狀態(tài)進行可視化等值線處理。1.4 判定方法通過查閱中國木材志世界主要樹種木材學特征等文獻資料，同時結合廖春輝等11

7、依據置信區(qū)間的估計方法，確定應力波在健康杉木中的傳播臨界速度為1 618 m/s。依據GB 501651992古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范和GB/T 13942.22022木材耐久性能，并結合北墘村古民居建筑杉木橫梁表面無損傷且含水率大致相同的實際情況，以臨界應力波速在健康杉木中的傳播速度作為判斷木橫梁內部是否存在缺陷的依據，即當應力波測量值小于臨界應力波速值時，認為該區(qū)域內存在腐朽，應力波速值越小，腐朽程度越大。依據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項目k

8、值等級狀態(tài)木橫梁0k0.2良好，可以繼續(xù)使用0.2k0.5中等，腐朽部位修復加固k0.5差等，予以更換2結果與分析2.1木橫梁的應力波無損檢測10根木橫梁的基本信息及采用應力波無損檢測技術檢測的分等結果，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其中結構較為完整可繼續(xù)使用的等木橫梁共2根，分別為No.6、No.7；內部存在小尺寸缺陷，修復后可繼續(xù)使用的等木橫梁1根，為No.5；其余7根為內部存在較大面積缺陷，且無法繼續(xù)使用的等木橫梁。選取、等木橫梁各一根（No.6、No.5、No.4），詳細分析其內部缺陷檢測情況。2.1.1等木橫梁的無損檢測圖3為等No.4木橫梁的應力波無損檢測結果，圖3a為木橫梁構件應力波速折線圖。圖3No.4木橫梁的應力波無損檢測結果Fig.3Stress wave nondestructive testing res

10、ults of No.4 wooden beam圖3顯示，木橫梁上層應力波速普遍大于下層的應力波速，因而木橫梁上層截面內部腐朽情況小于下層截面內部腐朽情況。木橫梁上層結構與二層的面板相連接，與空氣接觸相對較少。由圖3a可知木橫梁長度方向10 cm截面處小范圍內應力波速高于健康杉木臨界應力波速，說明該部位內部結構良好；其余范圍內應力波速低于臨界應力波速，說明內部存在腐朽情況。應力波速折線圖可以分析木橫梁構件內部應力波速走勢，但其檢測結果無法直觀顯示木橫梁內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木橫梁整體的應力波傳播速度低于健康杉木的臨界應力波波速，雖然在1050 cm范圍內的波速達到了臨界波速，但應力波速度小于臨界波速的面積與整個截面面積之比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等木橫梁的無損檢測圖4為等No.5木橫梁的應力波無損檢測結果。圖4No.5木橫梁的應力波無損檢測結果Fig.4Stress wave nondestructive testing results of No.5 wooden bea

12、mNo.5木橫梁上層截面應力波速基本大于下層截面應力波速，由折線圖可知木橫梁長度方向150350 cm截面范圍內上層應力波速均大于健康杉木臨界應力波速，說明該部位內部無腐朽；而下層截面應力波速大部分在臨界應力波速附近波動，說明內部存在腐朽。從圖4b、4c中看出，No.5木橫梁構件大部分區(qū)域的應力波傳播速度大于健康杉木的臨界應力波波速，只有在50150 cm范圍內的波速低于臨界波速，即所測應力波速度小于臨界波速所占面積與整個截面面積之比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)，木橫梁內部可能存在較小面積的腐朽區(qū)域，故該木橫梁修復加固后可

13、繼續(xù)使用。2.1.3等木橫梁的無損檢測圖5為等No.6木橫梁的應力波無損檢測結果。圖5No.6木橫梁的應力波無損檢測結果Fig.5Stress wave nondestructive testing results of No.6 wooden beamNo.6號木橫梁上層截面應力波速大于下層截面應力波速。木橫梁長度方向上層截面0200 cm范圍內應力波速均大于健康杉木臨界應力波速，說明該木橫梁內部結構良好，無腐朽；而下層截面應力波速大部分在臨界應力波速附近波動，說明內部存在一定范圍的腐朽。從圖5b、5c中可以看出，No.6木橫梁構件絕大部分區(qū)域的應力波傳播速度大于健康杉木的臨界應力波波速，只

14、有在長度方向240 cm附近和280320 cm范圍內的波速低于臨界波速，即所測應力波速度小于臨界波速所占面積與整個截面面積之比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無損檢測結果與實際結果對比后期施工單位的維修檢測確定了木橫梁實際健康狀態(tài)，與前期利用應力波無損檢測技術生成的結果對比，預測結果與實際狀態(tài)基本吻合，具體結果列于表3。表3木橫梁預測結果與實際狀態(tài)對比Tab.3Comparison between evaluation results and actua

15、l state of wooden beams編號12345678910預測分等實際狀態(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50%，不能作為承重木橫梁繼續(xù)使用，直接進行替換工作；1根承重木橫梁修復后可繼續(xù)使用；2根承重木橫梁基本無腐朽，繼續(xù)使用。由對比結果可知，利用Surfer對木橫梁腐朽狀態(tài)預測結果與實際木橫梁狀態(tài)基本一致，設計和施工單位可以依據檢測結果對木橫梁構件替換和使用進行相應規(guī)劃。對無法使用的木橫梁，設計單位可依據腐朽位置分布預測情況進行再加工，作為輔助和修補材料；對需要維修構件，利用應力波無損檢測腐朽狀態(tài)分布位置進行修補。依據檢測結果，對不同腐朽狀態(tài)的木橫梁進行修復和替換工作，以便繼續(xù)發(fā)揮原有結構的功能，保留古民居建筑群的原始狀態(tài)。3結論1）對10根承重木橫梁進行應力波無損檢測，利用Surfer插值法中的Kriging網格劃分法，將測量的分散數據轉化為連續(xù)的數據網格，用以判斷承重木橫梁的腐朽狀態(tài)。預測結果與實際木橫梁健康狀態(tài)基本吻合，說明利用Surfer軟件中的插值法對木橫梁腐朽狀態(tài)進行可視化等值線處理的方法，能夠合理預測木橫梁結構內部腐朽狀態(tài)。