應力波無損檢測木構件材質性能的影響因素

尹婷婷 韓振華 許 鵬

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

在我國大力推行碳達峰、碳中和政策的背景下，木結構將作為綠色低碳建材而得到更多推廣。方木原木、鋸材等結構材的力學性能直接影響木結構的安全狀態，因而在木結構建筑工程各個階段，需掌握材料及主要承重構件的力學性能和殘損狀態。應力波無損檢測技術近年來被廣泛用于木結構現場對木材力學性質、物理性質以及木材內部缺陷等方面的檢測，其具備傳播距離遠、抗干擾能力強、無需耦合劑、設備輕巧便于攜帶等優勢[1-5]。

隨著應力波無損檢測技術在木結構檢測領域的發展，研究發現檢測時應力波的傳播速度受到很多因素的影響，其中應力波縱向傳播速度受含水率、檢測方式不同影響顯著[6]，因此探索應力波在木材內傳播速度的影響規律對于提高檢測準確性十分有必要[7]。

本文研究木材含水率、尺寸效應以及操作方式對傳播速度的影響，目的在于提高檢測方法的有效性。

1 試驗原理和方法

木材應力波無損檢測的基本原理是，當木材的一端受到敲擊作用時，木材內部就會產生低頻范圍的機械波的傳播。通過特定的設備測定應力波傳播時間（圖1），通過測量敲擊到接收信號傳感器點的距離，計算出應力波在木材中的傳播速度，從不同條件下應力波傳播速度的變化差異來判斷應力波在木材內部傳播速度的影響因素。

圖1 應力波檢測清材試件和規格材

本文設計單因素試驗，通過單因素方差分析各組數據的差異，判斷對無損檢測的影響因素。

1）研究含水率對應力波傳播速度的影響時，試驗選用花旗松標準清材試件20 mm×20 mm×400 mm，采用絕干法測試試件的初始含水率，計算出試件的絕干質量，再將試件浸泡45 d，通過干燥調試到不同含水率，選定0、12%、16%、20%、30%、40%、50%含水率值為設定點，分別測試含水率值和采集試件的應力波速率值，以單因素分析法分析不同間距含水率波速間的差異值，分析波速與含水率的關系。

2）研究測量間距對應力波傳播速度的影響時，試驗選用足尺規格材為研究對象，分析在同一材料中傳感器安裝間距對傳播速度的影響，分別以40、80、160、250、320 cm為設置間距，以單因素分析法分析不同間距波速間的差異值。

3）研究材料尺寸效應對應力波傳播速度的影響時，試驗選用足尺規格材為研究對象，分別先后測量規格材足尺（330 cm）、規格材截斷為50 cm以及規格材加工為20 cm×20 cm×50 cm標準清材試件的同一部位和尺寸的應力波波速，分析同一材料的不同尺寸對應力波傳播速度的影響。

4）研究設備操作參數對應力波傳播速度的影響時，研究傳感器與木材角度（0°、30°、45°、90°），傳感器敲擊次數（3次、6次、9次），以及傳感器安裝在同一距離（部位）寬度面、厚度面或端部面等不同位置（圖2，忽略端部的距離差異）對傳播速度的影響，通過單因素方差分析傳播速度的差異，分析不同設備操作參數對傳播速度的影響。

圖2 傳感器相同距離不同位置布置

2 試驗材料和設備

2.1 材料種類

花旗松標準清材，樟子松規格材（100 mm×25 mm×3 300 mm）。

2.2 測試方法

應力波波速測定采用匈牙利生產的ARBORSONIC應力波測量儀檢測。測定時，2個傳感器探針按照設置的間距插入材料兩端，傳播時間取敲擊次數平均值。

3 結果與分析

3.1 含水率對無損檢測值的影響

試驗中將各個試件浸泡至含水率為60%～70%，再進行干燥，干燥至相應含水率點，測試6個試件含水率，采集試件的應力波速率值，測量結果如圖3所示。

格雷馬斯借鑒了普洛普對民間故事的研究，他認為文學敘述與語言學的句子一樣，可以加以結構分析，并把普洛普的“功能說”發展為“行動元模式”理論。其中，行動元被認為是具有多種功能的結構單位④。

圖3 含水率與應力波波速關系

由于各個試件在浸泡和干燥過程中不能完全均勻同步，每個試件的含水率不能完全一樣，并且測試時含水率不能完全按照設置點設置，因而按照實際含水率的點測試和記錄。從圖3各個試件的含水率與波速的關系可知，木材的應力波波速與含水率呈負相關，隨著木材含水率的增加，應力波的波速下降。因此在測量傳播速度時應檢測相應含水率的值。

3.2 傳感器測量間距對無損檢測值的影響

在足尺規格材中，傳感器從同一端同一位置布置，另一端分別布置傳感器測量間距為40、80、160、250、320 cm，測量傳播速度結果見表1。

表1 足尺規格材傳感器不同間距的傳播速度

通過對不同傳感器間距傳播速度值（V40、V80、V160、V250和V320）進行單因素方差分析，得到F＝6.535 6＞Fcrit＝2.557 2，且p＝0.000 2＜0.05，5組數據具有顯著差異性，說明傳感器測量距離對傳播速度檢測具有顯著性影響。其中，平均值顯示，隨著測量間距的增加，測量速度增加。這與文獻[8]中木材試件長度對應力波傳播參數有顯著影響，且應力波的傳播速度與木材長度均呈正相關的結論基本一致。

通過對V160、V250和V320進行單因素方差分析發現，得到F＝0.196 3＜Fcrit＝3.315 83，且p＝0.82＞0.05，說明3組數據不具有顯著差異性，說明達到一定長度后，傳感器測量距離對傳播速度不具有顯著性影響。

3.3 尺寸效應對無損檢測值的影響

首先在足尺規格材上測量應力波傳播速度，再在規格材上截斷50 cm的規格材測量傳播速度，然后在截斷的50 cm規格材上鋸制20 cm×20 cm×50 cm標準清材試件測量傳播速度，測量間距均為40 cm，測量結果見表2。

表2 相同測量間距不同尺寸的傳播速度

通過對不同尺寸的同一種材料，測量相同間距的應力波傳播速度（V320、V50、V清材）進行單因素方差分析，得到F＝1.963 5＜Fcrit＝3.354 1，且p＝0.15＞0.05，說明3組數據不具有顯著差異性，即用相同間距測量不同尺寸的材料對傳播速度不具有顯著性影響，波速隨著規格材長度的增大沒有一定的規律。文獻[9]研究表明，動態彈性模量隨著規格材長度的增大沒有一定的規律，與本文結論也一致。

3.4 設備操作參數對無損檢測值的影響

3.4.1 清材試件

表3 清材試件不同測量次數和角度的傳播速度

通過對不同測量角度V（3，30）、V（3，45）、V（3，90）進行單因素方差分析，得到F＝52.499 1＞Fcrit＝3.22，且p＝3.76×10－12＜0.05，3組數據具有顯著差異性，說明測量角度對傳播速度具有顯著性影響。其中，30°和45°平均值接近，90°速度降低明顯。

3.4.2 規格材足尺試件

足尺規格材不同角度和同一距離（部位）不同位置應力波傳播速度檢測值見表4。

表4 規格材不同角度和同一部位不同位置應力波傳播速度

通過對不同角度（V端部0°、V30°、V45°和V90°）進行單因素方差分析，得到F＝14.831 1＞Fcrit＝2.866 2，且p＝1.9×10－6＜0.05，4組數據具有顯著差異性，說明傳感器測量角度對傳播速度具有顯著性影響。其中，平均值顯示，隨著角度的增加，測量速度減小，其中V端部0°、V30°、V45°比較接近，V90°明顯較小。所以測試時，應考慮傳感器的角度，與木材的夾角不要大于45°。

根據測量過程中的數據收集，盡管小于45°時測量數據接近，但是在端部位置0°傳感器接收信號好于45°。所以測試時，選擇木材上部插入探針，與木材的夾角不要大于45°。選擇在木材端部插入探針，與木材的不應大于45°，盡量平行于端部插入。

通過對同一距離（或部位）不同位置V45°、V側向45°、V端部45°進行單因素方差分析，得到F＝0.113 3＜Fcrit＝3.354，且p＝0.89＞0.05，3組數據不具有顯著差異性，說明傳感器在木材上相同距離（或部位）安裝，測得不同位置（或點）對傳播速度不具有顯著性影響。

4 結語

通過研究，得到以下結論：

1）通過對含水率與波速的關系分析可知，花旗松木材的應力波波速與含水率呈負相關，隨著木材含水率的增加，應力波的波速下降，因而給定傳播速度時應標注含水率。

2）通過對不同傳感器間距的應力波傳播速度進行單因素方差分析，得到傳感器測量距離對傳播速度具有顯著性影響，隨著測量間距的增加，檢測的傳播速度增加，在測量足尺材料和原木力學性能時應予以區分測量間距。

3）通過對不同尺寸的材料、相同間距的應力波傳播速度進行單因素方差分析，得到了不同尺寸的材料對傳播速度不具有影響、波速隨著材料長度的增大沒有一定的規律的結論。

4）通過對設備操作參數進行研究可知，測量3次、6次和9次對傳播速度不具有顯著性影響，測量時敲擊3次即可。通過對傳感器不同角度分析得知，隨著角度的增加，測量速度減小，測試時傳感器與木材的夾角不要大于45°。通過對同一距離（或部位）的不同位置進行分析，測得不同位置對傳播速度不具有影響。

5）波速如何轉化為標準含水率時的波速及其與材料性能的關系需要進一步研究。