應(yīng)力波和超聲波檢測在木拱廊橋安全評估中的應(yīng)用

鄭益鋒,王宇航,林睿睿,岳小泉,盛 葉,陳開鋒

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院,福州 350000)

木拱廊橋作為傳統(tǒng)建筑的代表之一,在世界各地都有著廣泛的應(yīng)用和深厚的文化底蘊.然而,由于年代久遠和材料老化等因素的影響,木拱廊橋存在著一定的安全隱患,給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了潛在的威脅.因此,對木拱廊橋進行科學(xué)的安全評估和定期的檢測是非常必要和重要的.近年來,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛將應(yīng)力波檢測技術(shù)應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)的檢測領(lǐng)域.

2007年,尚大軍等[1]綜合論述了應(yīng)力波技術(shù)在古建筑保護中的應(yīng)用和存在的問題,并提出了今后關(guān)于木結(jié)構(gòu)無損檢測的研究方向.2015年,劉佳等[2]提出了古建筑木結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷與損傷的若干關(guān)鍵現(xiàn)場檢測技術(shù),對某寺廟的古建筑木結(jié)構(gòu)進行了內(nèi)部缺陷與損傷檢測.2016年,LING等[3]通過不同的無損檢測技術(shù)研究未受損的鐵木活樹標準值,研究發(fā)現(xiàn)在未受損的鐵木活樹中測量直徑與最小應(yīng)力波呈線性關(guān)系.同年,戴儉等[4]應(yīng)用應(yīng)力波檢測儀對榆木材進行無損檢測,研究發(fā)現(xiàn)木材缺陷與波速衰減呈線性關(guān)系.2019年,張艷霞等[5]運用應(yīng)力波微秒計及阻抗儀,對貴州某村落四棟古建筑中的部分木樁進行了檢測,為木結(jié)構(gòu)古建筑提供質(zhì)量檢測依據(jù)和技術(shù)支撐.2020年,孫麗萍等[6]從力學(xué)性能檢測、內(nèi)部缺陷檢測、應(yīng)力波傳播速率3個角度,對木材的應(yīng)力波無損檢測技術(shù)發(fā)展進行了總結(jié),并對無損檢測技術(shù)的發(fā)展前景提出展望.同年,CHENG等[7]提出一種信息擴散模型以預(yù)測落葉松彈性模量的方法,該模型為木材無損檢測提供堅實的基礎(chǔ).2022年,孫曉楠等[8]利用應(yīng)力波探測儀,對北墘村古建筑的部分木橫梁構(gòu)件進行了無損檢測研究,將無損檢測方法由定性研究向定量研究方向轉(zhuǎn)化.

相對于應(yīng)力波檢測,應(yīng)用超聲波對木結(jié)構(gòu)進行檢測也有研究實例.2002年,EMERSON R等[9]開發(fā)一種超聲檢測技術(shù),用于木材在物理性能發(fā)生重大損傷之前識別木材的缺陷.張?zhí)鸬萚10]利用Sylvatest-Duo超聲波檢測儀對健康杉木材和含有不同孔洞缺陷尺寸的杉木材進行測試,得到超聲波傳播速度與不同孔洞直徑的定量關(guān)系.2019年,蔣昊等[11]探索了空氣耦合式超聲波的節(jié)子缺陷檢測新方法,并采用自行研制的空氣耦合式超聲波檢測儀對杉木鋸材試樣進行檢測.2022年,WU等[12]評估了使用GW的基本反對稱模式檢測結(jié)構(gòu)紅橡木中不同大小的內(nèi)部損傷的能力.同年,梁星宇等[13]綜合論述了木材無損檢測超聲波檢測法的發(fā)展趨勢和未來技術(shù)方向.

應(yīng)用其他無損檢測技術(shù)檢測可為應(yīng)力波和超聲波檢測木結(jié)構(gòu)缺陷提供參考.2018年,GE等[14]利用基于X射線扇形束掃描原理構(gòu)建了CT成像系統(tǒng)來識別木材裂紋和結(jié)節(jié)的形狀和位置.2023年,ZHANG等[15]利用THz-TDS技術(shù)檢測4種木材,為無損檢測領(lǐng)域提供新的思路.

無損檢測技術(shù)在文物保護和修復(fù)領(lǐng)域中的作用越來越重要,特別是在木結(jié)構(gòu)古建筑的研究中,應(yīng)力波和超聲波檢測已被廣泛應(yīng)用,從定性研究向定量研究方向轉(zhuǎn)化.相較于其他木結(jié)構(gòu)古建筑,木拱廊橋作為河上建筑,長期處于干濕轉(zhuǎn)換的高濕環(huán)境中,其承重木柱容易發(fā)生腐朽、綠霉等缺陷,導(dǎo)致安全隱患.木拱廊橋以其獨特的編木形式、雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成為中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的珍寶,對其進行保護和修復(fù)至關(guān)重要.由于數(shù)據(jù)檢測難度大,傳統(tǒng)的有損檢測方式并不適用,應(yīng)力波和超聲波無損檢測則能夠有效降低數(shù)據(jù)檢測難度.本文以福州市閩侯縣遠濟橋的承重木柱作為研究對象,通過進行應(yīng)力波和超聲波檢測,評估其健康狀況,確定安全等級,旨在為其他木拱廊橋的保護、修繕和維護工作提供技術(shù)借鑒.

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

遠濟橋[16],又稱石陌橋,福建省級保護文物.始建于清光緒壬辰年(1892年),修復(fù)于2007年,位于閩侯縣白沙鎮(zhèn)聯(lián)坑村,橋身橫跨大目溪,東西走向.廊橋木柱的樹種為杉木(Cunninghamia lanceolata).就地取材以兩岸石壁巖石為橋臺,由三節(jié)拱木系統(tǒng)與五節(jié)木拱構(gòu)架飛架之間,橋面橫鋪木板.橋廊共有4柱9檁抬梁式構(gòu)架,橋身共有13楹56柱.兩側(cè)設(shè)木護欄,檐下至木拱架外側(cè)施風(fēng)雨板.全長33m,寬5m,橋身距溪底20 m.

遠濟橋區(qū)域內(nèi)雨量充沛,空氣濕潤,易造成木結(jié)構(gòu)內(nèi)外部缺陷.通過對遠濟橋進行現(xiàn)場檢測,發(fā)現(xiàn)多種缺陷,包括綠霉、腐朽、裂痕、蟲蛀和孔洞等,見圖1.

圖1 遠濟橋木柱缺陷

1.2 研究方法

木材應(yīng)力波無損檢測是一種不損傷木材的方法,通過應(yīng)力波微秒計來判斷木材腐朽情況以及計算木材的彈性模量.在遠濟橋的檢測中,采用了橫向應(yīng)力波無損檢測.當木材內(nèi)部完好無損時,應(yīng)力波會沿著最短路徑傳播.但當木材內(nèi)存在缺陷時,應(yīng)力波會沿曲線路徑傳播,其傳播時間明顯大于健康材的傳播時間.我們可以通過測試應(yīng)力波在木材中傳播的速度以及拾取回波信號來對內(nèi)部缺陷情況進行判斷,進而對木構(gòu)件內(nèi)部存在的殘損狀況進行具體分析.

木材超聲波無損檢測是一種利用聲波觸發(fā)儀器產(chǎn)生特定波長和頻率的聲波的方法,通過觀測聲波的衰減、散射以及波形變化規(guī)律來間接判斷被測物內(nèi)部缺陷情況.

1.3 檢測參數(shù)

遠濟橋共有56柱,規(guī)格為:長度288～350 cm,平均周長78.86 cm,平均密度330～430 kg/m3,見表1.

表1 木柱檢測密度

木柱分布橫軸為A～L,縱軸為1～4,見圖2.

圖2 木柱分布圖

以橫縱結(jié)合的形式分別給木柱進行編號,如圖2右下角的木柱編號為A1.以橫軸G和F、縱軸2和3之間作為分割線平均等分將遠濟橋分為4部分,在不相鄰兩部分各間隔挑選3根木柱,共選取出6根木柱作為檢測樣本進行現(xiàn)場檢測,以確保樣本木柱的隨機性,分別為木柱B2、D2、F2、G3、I3、K3,現(xiàn)場檢測方法見圖3.

圖3 東西檢測路徑

針對采樣的6根木柱,采用FAKOPP木材應(yīng)力波微秒計對木柱進行應(yīng)力波檢測.共檢測出48組數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)單位為μs,其中在木柱距木橋水平面高度70 cm處、南北方向觀測點共檢測3次,取其平均值,記為一組數(shù)據(jù).同理,木柱高70 cm處,東西方向觀測點記為一組數(shù)據(jù).在木柱高度70 cm處,應(yīng)力波檢測數(shù)據(jù)共計12組.在木柱距木橋水平面高度30 cm處與木柱高度70 cm處執(zhí)行相同操作,應(yīng)力波檢測數(shù)據(jù)共計24組,見表2.

表2 應(yīng)力波檢測數(shù)據(jù)

對于木柱的超聲波檢測采用的儀器為FAKOPP超聲波微秒計,超聲波檢測數(shù)據(jù)數(shù)量與應(yīng)力波檢測數(shù)據(jù)數(shù)量相同,見表3.

表3 超聲波檢測數(shù)據(jù)

1.4 環(huán)境參數(shù)

溫度環(huán)境會對應(yīng)力波和超聲波檢測木材產(chǎn)生一定的影響,材料溫度變化會引起材料的熱膨脹或收縮,從而影響材料的聲速和密度等參數(shù).木材的無損檢測溫度應(yīng)該盡可能接近其實際使用環(huán)境下的溫度,數(shù)據(jù)采集當日測得檢測地溫度為23 ℃.

濕度環(huán)境對應(yīng)力波和超聲波檢測木材的影響主要表現(xiàn)在木材的含水率會影響材料的聲速和密度等參數(shù).含水率越高,水分會對超聲波的傳播速度產(chǎn)生影響,從而導(dǎo)致聲波傳播路徑的彎曲和散射,使聲波傳播速度變慢.含水率與聲波傳播速度及密度有關(guān),因此可以通過測量聲速和密度來計算木材的含水率.計算公式為:

(1)

其中:Mc為木材的含水率,vSAT為飽和狀態(tài)下木材中聲波的傳播速度,vCAL為校準樣品中聲波的傳播速度,vDRY為干燥狀態(tài)下木材中聲波的傳播速度.

普通木材含水率在12%以下時適宜進行無損檢測.木拱廊橋作為水上建筑中的含水率應(yīng)該控制在18%以下,以避免木材的變形、腐爛和霉菌等問題.對遠濟橋沉重木柱進行應(yīng)力波和超聲波檢測時,依據(jù)現(xiàn)場檢測測得遠濟橋承重木柱含水率約為13.2%～16.3%.

2 結(jié)果與分析

2.1 安全等級分析

對木拱廊橋進行安全等級分級,分級標準參照LY/T 3141-2019《古建筑木構(gòu)件安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》,并依據(jù)木拱廊橋的實際情況和現(xiàn)場鑒定的需要制定分級標準.

依據(jù)應(yīng)力波和超聲波的傳播臨界速度對檢測數(shù)據(jù)分級,應(yīng)力波、超聲波計算公式為:

(2)

(3)

其中:vs為應(yīng)力波傳播速度,單位為米每秒(m/s);vu為超聲波傳播速度,單位為米每秒(m/s);l為應(yīng)力波(超聲波)測定儀兩傳感器之間的距離,單位為米(m);t為應(yīng)力波(超聲波)測定儀記錄的時間,單位為微秒(μs).

參考廖春暉等[17]基于應(yīng)聲波對木材無損檢測的研究,在實地進行應(yīng)力波對健康杉木無損檢測研究,對照二者結(jié)果,確定應(yīng)力波在健康杉木中的徑向傳播臨界速度約為1 540～1 893 m/s.由于超聲波比應(yīng)力波更加敏感,超聲波在杉木健康材中傳播速度更易于受諸多客觀因素影響,諸如溫度、濕度、儀器、檢測樣本等,參考張?zhí)鸬萚10]基于超聲波對健康杉木的研究,結(jié)合實地超聲波對杉木健康材的檢測,確定超聲波在杉木健康材中的徑向傳播速度范圍為791～1 140 m/s.結(jié)合遠濟橋?qū)嶋H情況,以應(yīng)力波和超聲波在木柱徑向中傳播速度對檢測數(shù)據(jù)評定為4個等級,分級標準見表4.

表4 分等標準

通過表2、3的計算結(jié)果對樣本數(shù)據(jù)進行分級,其中,應(yīng)力波分級:a級9組,b級10組,c級5組;超聲波分級:a級8組,b級11組,c級5組.分級結(jié)果如圖4所示.通過遠濟橋的樣本木柱檢測數(shù)據(jù)對遠級橋進行安全等級評定,其中應(yīng)力波更適用于檢測木材中的內(nèi)部缺陷,如裂紋、孔洞等,設(shè)置應(yīng)力波權(quán)重比為0.7,超聲波權(quán)重比為0.3,經(jīng)過計算結(jié)果評估遠濟橋的安全等級為b級,建議對有缺陷的木柱進行修繕和保養(yǎng),確保遠濟橋的穩(wěn)定性和安全性.

圖4 分級結(jié)果

2.2 檢測方法對比分析

對比樣本木柱應(yīng)力波與超聲波檢測數(shù)據(jù),結(jié)果見圖5.比較兩種波速可知,應(yīng)力波和超聲波在缺陷測試過程具有相似性,結(jié)果基本符合,原理是波的傳播方式是一致的,在面對缺陷過程中,不同種類的波會呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律.在圖5的B2木柱對比中,應(yīng)力波所代表的曲線增減幅度相較于超聲波所代表的曲線更為明顯,這是由于式(1)、(2)中應(yīng)力波的傳播時間明顯低于超聲波的傳播時間,導(dǎo)致應(yīng)力波速明顯高于超聲波速.

圖5 應(yīng)力波與超聲波波速對比分析

整合現(xiàn)場測量的48組數(shù)據(jù),對比應(yīng)力波和超聲波數(shù)據(jù),見圖6.對比結(jié)果可知,應(yīng)力波與超聲波測量數(shù)據(jù)呈正比關(guān)系,二者可以準確地檢測到木材中的缺陷或異常情況,并給出相應(yīng)的定量數(shù)據(jù),實現(xiàn)檢測和數(shù)據(jù)對照分析,提高檢測效率和準確性.

圖6 安全性等級對比圖

3 結(jié) 論

本文在真實環(huán)境下采用應(yīng)力波和超聲波對木拱廊橋進行檢測,評價和比較后得出結(jié)論:

1)48組數(shù)據(jù)中有10組數(shù)據(jù)安全性等級需要進行優(yōu)化和改進,21組數(shù)據(jù)安全性略低于要求,建議對存在缺陷的木柱進行修補和維護工作.

2)以木構(gòu)件中應(yīng)力波與超聲波傳播時間作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過對比應(yīng)力波和超聲波檢測數(shù)據(jù),確定二者檢測方式存在相似性,但二者靈敏度和準確度存在差異,在真實環(huán)境下超聲波檢測更易受到環(huán)境、木材含水量和密度等影響.對木材內(nèi)部缺陷檢測時,需要考慮實際情況,采用適宜的檢測方式,也可采用二者相結(jié)合的方法,驗證二者數(shù)據(jù)的準確性,互相彌補不足.

3)福州地區(qū)的木拱廊橋依水而建,木柱含水率較高并長期處于干濕互換的環(huán)境,極易產(chǎn)生綠霉、蟲蛀等缺陷,應(yīng)加強對木拱廊橋保護和修繕,充分發(fā)揮木拱廊橋在文化遺產(chǎn)保護和傳承中的重要作用.