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

共檢測古民居木橫梁構(gòu)件10根，規(guī)格為：長度390~450 cm，寬度14 cm，高度21 cm，平均密度266~310 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：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.2~No.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(gòu)件實物圖

Fig.1Pictures of wooden beams

在木橫梁構(gòu)件非關(guān)鍵部位，截取尺寸為1 cm×1 cm×2 cm的材料進行制片，通過光學(xué)顯微鏡觀察木材微觀結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)樹種樣板圖譜對比，鑒定木橫梁的樹種為杉木（Cunninghamia lanceolata）。

Fakopp應(yīng)力波檢測儀、感應(yīng)式木材含水率測試儀、壓針式木材密度測定儀、光學(xué)顯微鏡等。

首先對木橫梁進行網(wǎng)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(yīng)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(yīng)力波速檢測木橫梁截面及位置分布

Fig.2  Distribution of stress wave velocity at the cross-section of wooden beam

使用Fakopp應(yīng)力波檢測儀測量木橫梁的應(yīng)力波弦向值，即測量木橫梁上截面和下截面兩層15個對應(yīng)檢測點的應(yīng)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(yīng)力波傳播時間的檢測結(jié)果，并依次檢測上、下兩個截面其余14個檢測點的應(yīng)力波傳播時間。將應(yīng)力波傳播時間轉(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(shù)據(jù)插值到規(guī)則網(wǎng)格中，通過提前確定網(wǎng)格將木橫梁長度（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)測圖，用以判斷被測木橫梁內(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軟件中插值法可對木結(jié)構(gòu)分散的應(yīng)力波速數(shù)據(jù)進行網(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預(yù)測木橫梁中腐朽占比，綜合分析應(yīng)力波檢測結(jié)果，對木橫梁腐朽狀態(tài)進行可視化等值線處理。

通過查閱《中國木材志》《世界主要樹種木材學(xué)特征》等文獻資料，同時結(jié)合廖春輝等^[11]依據(jù)置信區(qū)間的估計方法，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 50165—1992《古建筑木結(jié)構(gòu)維護與加固技術(shù)規(guī)范》和GB/T 13942.2—2009《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損傷且含水率大致相同的實際情況，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)力波測量值小于臨界應(yīng)力波速值時，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）。

10根木橫梁的基本信息及采用應(yīng)力波無損檢測技術(shù)檢測的分等結(jié)果，列于表2。

其中結(jié)構(gòu)較為完整可繼續(xù)使用的Ⅰ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Ⅱ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，且無法繼續(xù)使用的Ⅲ等木橫梁。

選?、瘛ⅱ?、Ⅲ等木橫梁各一根（No.6、No.5、No.4），詳細(xì)分析其內(nèi)部缺陷檢測情況。

2.1.1　Ⅲ等木橫梁的無損檢測

圖3為Ⅲ等No.4木橫梁的應(yīng)力波無損檢測結(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)力波無損檢測結(jié)果

Fig.3Stress wave nondestructive testing results 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，與空氣接觸相對較少。由圖3a可知木橫梁長度方向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，但其檢測結(jié)果無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，進而判斷木橫梁的健康情況。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10~50 cm范圍內(nèi)的波速達到了臨界波速，但應(yīng)力波速度小于臨界波速的面積與整個截面面積之比k=260/300=0.86＞0.5，因此判斷No.4木橫梁分等為Ⅲ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?、虻饶緳M梁的無損檢測

圖4為Ⅱ等No.5木橫梁的應(yīng)力波無損檢測結(jié)果。

圖4No.5木橫梁的應(yīng)力波無損檢測結(jié)果

Fig.4Stress wave nondestructive testing results of No.5 wooden beam

No.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度方向150~350 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，說明該部位內(nèi)部無腐朽；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，說明內(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50~150 cm范圍內(nèi)的波速低于臨界波速，即所測應(yīng)力波速度小于臨界波速所占面積與整個截面面積之比k=100/300≈0.3（0.2<k<0.5），因此判定No.5木橫梁為Ⅱ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)加固后可繼續(xù)使用。

2.1.3?、竦饶緳M梁的無損檢測

圖5為Ⅰ等No.6木橫梁的應(yīng)力波無損檢測結(jié)果。

圖5No.6木橫梁的應(yīng)力波無損檢測結(jié)果

Fig.5Stress wave nondestructive testing results of No.6 wooden beam

No.6號木橫梁上層截面應(yīng)力波速大于下層截面應(yīng)力波速。木橫梁長度方向上層截面0~200 cm范圍內(nèi)應(yīng)力波速均大于健康杉木臨界應(yīng)力波速，說明該木橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)良好，無腐朽；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，說明內(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，只有在長度方向240 cm附近和280~320 cm范圍內(nèi)的波速低于臨界波速，即所測應(yīng)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（0≤k≤0.2），因此可以判斷No.6木橫梁為Ⅰ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。

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(yīng)力波無損檢測技術(shù)生成的結(jié)果對比，預(yù)測結(jié)果與實際狀態(tài)基本吻合，具體結(jié)果列于表3。

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(fù)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(jié)果可知，利用Surfer對木橫梁腐朽狀態(tài)預(yù)測結(jié)果與實際木橫梁狀態(tài)基本一致，設(shè)計和施工單位可以依據(jù)檢測結(jié)果對木橫梁構(gòu)件替換和使用進行相應(yīng)規(guī)劃。對無法使用的木橫梁，設(shè)計單位可依據(jù)腐朽位置分布預(yù)測情況進行再加工，作為輔助和修補材料；對需要維修構(gòu)件，利用應(yīng)力波無損檢測腐朽狀態(tài)分布位置進行修補。

依據(jù)檢測結(jié)果，對不同腐朽狀態(tài)的木橫梁進行修復(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)。