应力波和超声波检测在木拱廊桥安全评估中的应用

郑益锋,王宇航,林睿睿,岳小泉,盛 叶,陈开锋

(福建农林大学 交通与土木工程学院,福州 350000)

木拱廊桥作为传统建筑的代表之一,在世界各地都有着广泛的应用和深厚的文化底蕴.然而,由于年代久远和材料老化等因素的影响,木拱廊桥存在着一定的安全隐患,给人们的生命财产安全带来了潜在的威胁.因此,对木拱廊桥进行科学的安全评估和定期的检测是非常必要和重要的.近年来,国内外学者已经广泛将应力波检测技术应用于木结构的检测领域.

2007年,尚大军等[1]综合论述了应力波技术在古建筑保护中的应用和存在的问题,并提出了今后关于木结构无损检测的研究方向.2015年,刘佳等[2]提出了古建筑木结构内部缺陷与损伤的若干关键现场检测技术,对某寺庙的古建筑木结构进行了内部缺陷与损伤检测.2016年,LING等[3]通过不同的无损检测技术研究未受损的铁木活树标准值,研究发现在未受损的铁木活树中测量直径与最小应力波呈线性关系.同年,戴俭等[4]应用应力波检测仪对榆木材进行无损检测,研究发现木材缺陷与波速衰减呈线性关系.2019年,张艳霞等[5]运用应力波微秒计及阻抗仪,对贵州某村落四栋古建筑中的部分木桩进行了检测,为木结构古建筑提供质量检测依据和技术支撑.2020年,孙丽萍等[6]从力学性能检测、内部缺陷检测、应力波传播速率3个角度,对木材的应力波无损检测技术发展进行了总结,并对无损检测技术的发展前景提出展望.同年,CHENG等[7]提出一种信息扩散模型以预测落叶松弹性模量的方法,该模型为木材无损检测提供坚实的基础.2022年,孙晓楠等[8]利用应力波探测仪,对北墘村古建筑的部分木横梁构件进行了无损检测研究,将无损检测方法由定性研究向定量研究方向转化.

相对于应力波检测,应用超声波对木结构进行检测也有研究实例.2002年,EMERSON R等[9]开发一种超声检测技术,用于木材在物理性能发生重大损伤之前识别木材的缺陷.张甜等[10]利用Sylvatest-Duo超声波检测仪对健康杉木材和含有不同孔洞缺陷尺寸的杉木材进行测试,得到超声波传播速度与不同孔洞直径的定量关系.2019年,蒋昊等[11]探索了空气耦合式超声波的节子缺陷检测新方法,并采用自行研制的空气耦合式超声波检测仪对杉木锯材试样进行检测.2022年,WU等[12]评估了使用GW的基本反对称模式检测结构红橡木中不同大小的内部损伤的能力.同年,梁星宇等[13]综合论述了木材无损检测超声波检测法的发展趋势和未来技术方向.

应用其他无损检测技术检测可为应力波和超声波检测木结构缺陷提供参考.2018年,GE等[14]利用基于X射线扇形束扫描原理构建了CT成像系统来识别木材裂纹和结节的形状和位置.2023年,ZHANG等[15]利用THz-TDS技术检测4种木材,为无损检测领域提供新的思路.

无损检测技术在文物保护和修复领域中的作用越来越重要,特别是在木结构古建筑的研究中,应力波和超声波检测已被广泛应用,从定性研究向定量研究方向转化.相较于其他木结构古建筑,木拱廊桥作为河上建筑,长期处于干湿转换的高湿环境中,其承重木柱容易发生腐朽、绿霉等缺陷,导致安全隐患.木拱廊桥以其独特的编木形式、双系统结构成为中国优秀传统文化的珍宝,对其进行保护和修复至关重要.由于数据检测难度大,传统的有损检测方式并不适用,应力波和超声波无损检测则能够有效降低数据检测难度.本文以福州市闽侯县远济桥的承重木柱作为研究对象,通过进行应力波和超声波检测,评估其健康状况,确定安全等级,旨在为其他木拱廊桥的保护、修缮和维护工作提供技术借鉴.

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

远济桥[16],又称石陌桥,福建省级保护文物.始建于清光绪壬辰年(1892年),修复于2007年,位于闽侯县白沙镇联坑村,桥身横跨大目溪,东西走向.廊桥木柱的树种为杉木(Cunninghamia lanceolata).就地取材以两岸石壁岩石为桥台,由三节拱木系统与五节木拱构架飞架之间,桥面横铺木板.桥廊共有4柱9檩抬梁式构架,桥身共有13楹56柱.两侧设木护栏,檐下至木拱架外侧施风雨板.全长33m,宽5m,桥身距溪底20 m.

远济桥区域内雨量充沛,空气湿润,易造成木结构内外部缺陷.通过对远济桥进行现场检测,发现多种缺陷,包括绿霉、腐朽、裂痕、虫蛀和孔洞等,见图1.

图1 远济桥木柱缺陷

1.2 研究方法

木材应力波无损检测是一种不损伤木材的方法,通过应力波微秒计来判断木材腐朽情况以及计算木材的弹性模量.在远济桥的检测中,采用了横向应力波无损检测.当木材内部完好无损时,应力波会沿着最短路径传播.但当木材内存在缺陷时,应力波会沿曲线路径传播,其传播时间明显大于健康材的传播时间.我们可以通过测试应力波在木材中传播的速度以及拾取回波信号来对内部缺陷情况进行判断,进而对木构件内部存在的残损状况进行具体分析.

木材超声波无损检测是一种利用声波触发仪器产生特定波长和频率的声波的方法,通过观测声波的衰减、散射以及波形变化规律来间接判断被测物内部缺陷情况.

1.3 检测参数

远济桥共有56柱,规格为:长度288～350 cm,平均周长78.86 cm,平均密度330～430 kg/m3,见表1.

表1 木柱检测密度

木柱分布横轴为A～L,纵轴为1～4,见图2.

图2 木柱分布图

以横纵结合的形式分别给木柱进行编号,如图2右下角的木柱编号为A1.以横轴G和F、纵轴2和3之间作为分割线平均等分将远济桥分为4部分,在不相邻两部分各间隔挑选3根木柱,共选取出6根木柱作为检测样本进行现场检测,以确保样本木柱的随机性,分别为木柱B2、D2、F2、G3、I3、K3,现场检测方法见图3.

图3 东西检测路径

针对采样的6根木柱,采用FAKOPP木材应力波微秒计对木柱进行应力波检测.共检测出48组数据,数据单位为μs,其中在木柱距木桥水平面高度70 cm处、南北方向观测点共检测3次,取其平均值,记为一组数据.同理,木柱高70 cm处,东西方向观测点记为一组数据.在木柱高度70 cm处,应力波检测数据共计12组.在木柱距木桥水平面高度30 cm处与木柱高度70 cm处执行相同操作,应力波检测数据共计24组,见表2.

表2 应力波检测数据

对于木柱的超声波检测采用的仪器为FAKOPP超声波微秒计,超声波检测数据数量与应力波检测数据数量相同,见表3.

表3 超声波检测数据

1.4 环境参数

温度环境会对应力波和超声波检测木材产生一定的影响,材料温度变化会引起材料的热膨胀或收缩,从而影响材料的声速和密度等参数.木材的无损检测温度应该尽可能接近其实际使用环境下的温度,数据采集当日测得检测地温度为23 ℃.

湿度环境对应力波和超声波检测木材的影响主要表现在木材的含水率会影响材料的声速和密度等参数.含水率越高,水分会对超声波的传播速度产生影响,从而导致声波传播路径的弯曲和散射,使声波传播速度变慢.含水率与声波传播速度及密度有关,因此可以通过测量声速和密度来计算木材的含水率.计算公式为:

(1)

其中:Mc为木材的含水率,vSAT为饱和状态下木材中声波的传播速度,vCAL为校准样品中声波的传播速度,vDRY为干燥状态下木材中声波的传播速度.

普通木材含水率在12%以下时适宜进行无损检测.木拱廊桥作为水上建筑中的含水率应该控制在18%以下,以避免木材的变形、腐烂和霉菌等问题.对远济桥沉重木柱进行应力波和超声波检测时,依据现场检测测得远济桥承重木柱含水率约为13.2%～16.3%.

2 结果与分析

2.1 安全等级分析

对木拱廊桥进行安全等级分级,分级标准参照LY/T 3141-2019《古建筑木构件安全性鉴定技术规范》,并依据木拱廊桥的实际情况和现场鉴定的需要制定分级标准.

依据应力波和超声波的传播临界速度对检测数据分级,应力波、超声波计算公式为:

(2)

(3)

其中:vs为应力波传播速度,单位为米每秒(m/s);vu为超声波传播速度,单位为米每秒(m/s);l为应力波(超声波)测定仪两传感器之间的距离,单位为米(m);t为应力波(超声波)测定仪记录的时间,单位为微秒(μs).

参考廖春晖等[17]基于应声波对木材无损检测的研究,在实地进行应力波对健康杉木无损检测研究,对照二者结果,确定应力波在健康杉木中的径向传播临界速度约为1 540～1 893 m/s.由于超声波比应力波更加敏感,超声波在杉木健康材中传播速度更易于受诸多客观因素影响,诸如温度、湿度、仪器、检测样本等,参考张甜等[10]基于超声波对健康杉木的研究,结合实地超声波对杉木健康材的检测,确定超声波在杉木健康材中的径向传播速度范围为791～1 140 m/s.结合远济桥实际情况,以应力波和超声波在木柱径向中传播速度对检测数据评定为4个等级,分级标准见表4.

表4 分等标准

通过表2、3的计算结果对样本数据进行分级,其中,应力波分级:a级9组,b级10组,c级5组;超声波分级:a级8组,b级11组,c级5组.分级结果如图4所示.通过远济桥的样本木柱检测数据对远级桥进行安全等级评定,其中应力波更适用于检测木材中的内部缺陷,如裂纹、孔洞等,设置应力波权重比为0.7,超声波权重比为0.3,经过计算结果评估远济桥的安全等级为b级,建议对有缺陷的木柱进行修缮和保养,确保远济桥的稳定性和安全性.

图4 分级结果

2.2 检测方法对比分析

对比样本木柱应力波与超声波检测数据,结果见图5.比较两种波速可知,应力波和超声波在缺陷测试过程具有相似性,结果基本符合,原理是波的传播方式是一致的,在面对缺陷过程中,不同种类的波会呈现出相同的变化规律.在图5的B2木柱对比中,应力波所代表的曲线增减幅度相较于超声波所代表的曲线更为明显,这是由于式(1)、(2)中应力波的传播时间明显低于超声波的传播时间,导致应力波速明显高于超声波速.

图5 应力波与超声波波速对比分析

整合现场测量的48组数据,对比应力波和超声波数据,见图6.对比结果可知,应力波与超声波测量数据呈正比关系,二者可以准确地检测到木材中的缺陷或异常情况,并给出相应的定量数据,实现检测和数据对照分析,提高检测效率和准确性.

图6 安全性等级对比图

3 结 论

本文在真实环境下采用应力波和超声波对木拱廊桥进行检测,评价和比较后得出结论:

1)48组数据中有10组数据安全性等级需要进行优化和改进,21组数据安全性略低于要求,建议对存在缺陷的木柱进行修补和维护工作.

2)以木构件中应力波与超声波传播时间作为基础数据,通过对比应力波和超声波检测数据,确定二者检测方式存在相似性,但二者灵敏度和准确度存在差异,在真实环境下超声波检测更易受到环境、木材含水量和密度等影响.对木材内部缺陷检测时,需要考虑实际情况,采用适宜的检测方式,也可采用二者相结合的方法,验证二者数据的准确性,互相弥补不足.

3)福州地区的木拱廊桥依水而建,木柱含水率较高并长期处于干湿互换的环境,极易产生绿霉、虫蛀等缺陷,应加强对木拱廊桥保护和修缮,充分发挥木拱廊桥在文化遗产保护和传承中的重要作用.