基于Surfer软件的木横梁腐朽状态应力波无损检测技术

1、基于Surfer软件的木横梁腐朽状态应力波无损检测技术木材因其良好的抗压抗震性能被广泛用作建筑材料，但随着时间的推移，木建筑承重梁、柱抗压1、抗拉2性能减弱，使得结构整体安全性能3降低，因此木结构损伤评估对于建筑安全保障至关重要。近年来国内外学者应用应力波技术对木材进行无损检测，并对其内部缺陷位置分布和腐朽木构件力学性能进行了大量研究4-6。如利用应力波检测仪和超声波仪器对立木结构进行多种无损检测，对应力波传播时间7、波速8、弹性模量9、剩余强度10等检测指标进行分析，确定木构件的腐朽程度。现阶段无损检测结果多以线性图表来反映木结构内部的强度变化及腐朽情况，因而只能判断腐朽点，无法将点数据进行

2、网格化处理，对腐朽面分布进行预测；同时缺少腐朽状态的可视化研究，这对后期确定木构件损伤位置及安全性能评价造成一定困难。福建省存在大量民用木结构古民居建筑群，该建筑群是研究福建省古村落空间环境、古建筑结构特征与木结构损害分析的极佳实例。为评估福建省北墘村古民居建筑起承重作用的关键木横梁的腐朽情况，笔者课题组利用无损检测法对建筑木横梁进行原位检测，对应力波波速值进行综合分析，并利用Surfer插值法中的Kriging网格划分法，将测量的分散数据转化为连续的数据网格，以木横梁截面坐标为基准对其进行精确套合，进而绘制木横梁横截面应力波波速渐变色等值线分布图，通过渐变色填充反映木横梁内部腐朽状态的大小和

3、形态规模，判断二维截面木横梁内部腐朽位置分布。应力波检测结果为后期木横梁等承重构件修缮维护提供直观、清晰的状态分布图，为木结构建筑整体安全等级评估及修复研究提供依据。1材料与方法1.1试验材料共检测古民居木横梁构件10根，规格为：长度390450 cm，宽度14 cm，高度21 cm，平均密度266310 kg/m3，平均含水率14.9%19.5%。木横梁构件依据其位置分布情况编号：从靠近门的第二个木横梁开始检测，编号为No.1，自南向北编号依次是No.2No.10。图1a和1b分别为No.5和No.6木横梁实物图。图1木横梁构件实物图Fig.1Pictures of wooden beams

4、在木横梁构件非关键部位，截取尺寸为1 cm1 cm2 cm的材料进行制片，通过光学显微镜观察木材微观结构，与标准树种样板图谱对比，鉴定木横梁的树种为杉木（Cunninghamia lanceolata）。1.2仪器设备Fakopp应力波检测仪、感应式木材含水率测试仪、压针式木材密度测定仪、光学显微镜等。1.3测试方法首先对木横梁进行网格划分。在高度方向，对木横梁的上、下两层截面（距离木横梁上、下表面约3.5 cm）进行应力波无损检测。在长度方向，将木横梁划分为若干个等分点，每个等分点之间的距离为20 cm，共计15个检测点（图2）。图2应力波速检测木横梁截面及位置分布Fig.2Distribu

5、tion of stress wave velocity at the cross-section of wooden beam使用Fakopp应力波检测仪测量木横梁的应力波弦向值，即测量木横梁上截面和下截面两层15个对应检测点的应力波传播时间。沿宽度方向，将触发传感器固定在上截面检测点1的位置，接受传感器固定在上截面检测点1的位置，用钢锤敲击触发传感器，每个检测点敲击3次，取3次平均值作为上截面检测点1应力波传播时间的检测结果，并依次检测上、下两个截面其余14个检测点的应力波传播时间。将应力波传播时间转化为应力波速，利用Surfer插值法中的Kriging网格划分法，分别将上、下两截面15个

6、分散检测点中木横梁的X截面（紫色）、Y截面（绿色）、Z截面（灰色）数据插值到规则网格中，通过提前确定网格将木横梁长度（A列）和高度（B列）以及应力波速值（C列）等属性信息填入软件，利用插值法生成木结构内部腐朽状况预测图，用以判断被测木横梁内部是否有腐朽、空洞等缺陷以及缺陷的位置分布及占比等情况。Surfer软件中插值法可对木结构分散的应力波速数据进行网格化处理，以木横梁截面坐标为基准，依据应力波数据绘制的等值线渐变色填充图来预测木横梁中腐朽占比，综合分析应力波检测结果，对木横梁腐朽状态进行可视化等值线处理。1.4 判定方法通过查阅中国木材志世界主要树种木材学特征等文献资料，同时结合廖春辉等11

7、依据置信区间的估计方法，确定应力波在健康杉木中的传播临界速度为1 618 m/s。依据GB 501651992古建筑木结构维护与加固技术规范和GB/T 13942.22022木材耐久性能，并结合北墘村古民居建筑杉木横梁表面无损伤且含水率大致相同的实际情况，以临界应力波速在健康杉木中的传播速度作为判断木横梁内部是否存在缺陷的依据，即当应力波测量值小于临界应力波速值时，认为该区域内存在腐朽，应力波速值越小，腐朽程度越大。依据腐朽面积占下截面面积的比值k，将木横梁的腐朽程度分为3等（表1）。表1木横梁腐朽分等规则Tab.1Decay classification of wooden beams项目k

8、值等级状态木横梁0k0.2良好，可以继续使用0.2k0.5中等，腐朽部位修复加固k0.5差等，予以更换2结果与分析2.1木横梁的应力波无损检测10根木横梁的基本信息及采用应力波无损检测技术检测的分等结果，列于表2。表2木横梁的基本信息及分等情况Tab.2Grading and basic information of wooden beams编号含水率%密度/(kgm-3)间距/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其中结构较为完整可继续使用的等木横梁共2根，分别为No.6、No.7；内部存在小尺寸缺陷，修复后可继续使用的等木横梁1根，为No.5；其余7根为内部存在较大面积缺陷，且无法继续使用的等木横梁。选取、等木横梁各一根（No.6、No.5、No.4），详细分析其内部缺陷检测情况。2.1.1等木横梁的无损检测图3为等No.4木横梁的应力波无损检测结果，图3a为木横梁构件应力波速折线图。图3No.4木横梁的应力波无损检测结果Fig.3Stress wave nondestructive testing res

10、ults of No.4 wooden beam图3显示，木横梁上层应力波速普遍大于下层的应力波速，因而木横梁上层截面内部腐朽情况小于下层截面内部腐朽情况。木横梁上层结构与二层的面板相连接，与空气接触相对较少。由图3a可知木横梁长度方向10 cm截面处小范围内应力波速高于健康杉木临界应力波速，说明该部位内部结构良好；其余范围内应力波速低于临界应力波速，说明内部存在腐朽情况。应力波速折线图可以分析木横梁构件内部应力波速走势，但其检测结果无法直观显示木横梁内部腐朽面积及腐朽占比情况，利用Surfer软件生成的可视化图（图3b、3c），从色带颜色分布可以判断高于临界波速的紫色分布情况，进而判断木横梁

11、的健康情况。图3b和3c显示No.4木横梁整体的应力波传播速度低于健康杉木的临界应力波波速，虽然在1050 cm范围内的波速达到了临界波速，但应力波速度小于临界波速的面积与整个截面面积之比k=260/300=0.860.5，因此判断No.4木横梁分等为等。该木横梁基本处于不健康的状态，木横梁内部可能存在较大面积的腐朽区域，故该木横梁不宜继续使用，建议更换。2.1.2等木横梁的无损检测图4为等No.5木横梁的应力波无损检测结果。图4No.5木横梁的应力波无损检测结果Fig.4Stress wave nondestructive testing results of No.5 wooden bea

12、mNo.5木横梁上层截面应力波速基本大于下层截面应力波速，由折线图可知木横梁长度方向150350 cm截面范围内上层应力波速均大于健康杉木临界应力波速，说明该部位内部无腐朽；而下层截面应力波速大部分在临界应力波速附近波动，说明内部存在腐朽。从图4b、4c中看出，No.5木横梁构件大部分区域的应力波传播速度大于健康杉木的临界应力波波速，只有在50150 cm范围内的波速低于临界波速，即所测应力波速度小于临界波速所占面积与整个截面面积之比k=100/3000.3（0.2k0.5），因此判定No.5木横梁为等。该木横梁大体上处于健康的状态，木横梁内部可能存在较小面积的腐朽区域，故该木横梁修复加固后可

13、继续使用。2.1.3等木横梁的无损检测图5为等No.6木横梁的应力波无损检测结果。图5No.6木横梁的应力波无损检测结果Fig.5Stress wave nondestructive testing results of No.6 wooden beamNo.6号木横梁上层截面应力波速大于下层截面应力波速。木横梁长度方向上层截面0200 cm范围内应力波速均大于健康杉木临界应力波速，说明该木横梁内部结构良好，无腐朽；而下层截面应力波速大部分在临界应力波速附近波动，说明内部存在一定范围的腐朽。从图5b、5c中可以看出，No.6木横梁构件绝大部分区域的应力波传播速度大于健康杉木的临界应力波波速，只

14、有在长度方向240 cm附近和280320 cm范围内的波速低于临界波速，即所测应力波速度小于临界波速所占面积与整个截面面积之比k=40/320=0.125（0k0.2），因此可以判断No.6木横梁为等。该木横梁基本处于健康的状态，木横梁内部可能存在较小面积的腐朽区域，故该木横梁可以继续使用。2.2无损检测结果与实际结果对比后期施工单位的维修检测确定了木横梁实际健康状态，与前期利用应力波无损检测技术生成的结果对比，预测结果与实际状态基本吻合，具体结果列于表3。表3木横梁预测结果与实际状态对比Tab.3Comparison between evaluation results and actua

15、l state of wooden beams编号12345678910预测分等实际状态替换替换替换替换维修使用使用替换替换替换表3显示，其中7根承重木横梁腐朽面积超过50%，不能作为承重木横梁继续使用，直接进行替换工作；1根承重木横梁修复后可继续使用；2根承重木横梁基本无腐朽，继续使用。由对比结果可知，利用Surfer对木横梁腐朽状态预测结果与实际木横梁状态基本一致，设计和施工单位可以依据检测结果对木横梁构件替换和使用进行相应规划。对无法使用的木横梁，设计单位可依据腐朽位置分布预测情况进行再加工，作为辅助和修补材料；对需要维修构件，利用应力波无损检测腐朽状态分布位置进行修补。依据检测结果，对不同腐朽状态的木横梁进行修复和替换工作，以便继续发挥原有结构的功能，保留古民居建筑群的原始状态。3结论1）对10根承重木横梁进行应力波无损检测，利用Surfer插值法中的Kriging网格划分法，将测量的分散数据转化为连续的数据网格，用以判断承重木横梁的腐朽状态。预测结果与实际木横梁健康状态基本吻合，说明利用Surfer软件中的插值法对木横梁腐朽状态进行可视化等值线处理的方法，能够合理预测木横梁结构内部腐朽状态。