应力波无损检测技术及其在木结构古建筑保护中的应用.pdf

第 21卷 第 2期世 界 林 业 研 究Vo.l 21 No . 2 2008年 4月W orld Forestry ResearchApr 2008 应力波无损检测技术及其在木结构 古建筑保护中的应用 * 尚大军1 , 2 段新芳 2 杨中平1 1西北农林科技大学机电工程学院, 陕西杨凌 712100; 2中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京 100091 摘 要 介绍了应力波无损检测技术的基本原理, 回顾了应力波技术在古建筑保护中的应用进展及存在的问题, 最后对发展前景进行了展望, 并给出进一步研究的建议。 关键词 应力波无损检测, 古建筑保护 中图分类号 S 782. 33, TU50 文献标识码 A 文章编号 1001- 4241 2008 02- 0044- 05 StressW ave Nondestructive Testing Technology and ItsApplication inAncientW oodArchitectures Protection Shang Dajun1, 2 Duan X infang 2 Yang Zhongping 1 1 College ofM echanical and Electronic Engineering , NorthwestA 2 Research Institute ofW ood Industry , Chinese Academy ofForestry , Beijing 100091, China Abstract The theory of stress wave nondestructive testing technology was introduced , and the re - search progress and some pointsmeriting our attention during the process of its application in ancient wood architectures protection were reviewed . F inally ,the prospectwas put forward and som e sugges - tionswere given . Key words stresswave nondestructive testing , ancient architectures protection. 我国的古建筑多为木结构或内部使用大量 木材的建筑体系, 是世界上公认的三大建筑体系 之一和唯一以木结构为主的建筑体系。因此, 对 使用几百年甚至上千年的木结构的保护成为我 国古建筑维护和修缮过程中的重中之重。但目 前我国对古建筑木结构的安全性能评价多采用 传统的目视鉴别与简单敲击的办法来确定其腐 朽状况和残损程度, 其主要是靠检测者的经验, 人为因素影响较大, 判断的准确率较低。如何在 尽量不破坏原有木结构的前提下, 科学地检测旧 木构件是否存在腐朽或虫蛀, 定量地测定使用若 干年后的旧木构件的材性和物理力学性质的衰 减百分比以及残余力学强度, 确定木构件是否需 要加固或更换, 是古建筑勘察设计和制定古建筑 维修方案时急需解决的一个难题 [ 1- 3]。 木材无损检测是一种新兴的、 综合性的木材 非破坏性检测技术, 可在不破坏木材及木质复合 材料本身形状、 原有结构和动力状态以及最终用 途的前提下, 对木材的缺陷和腐朽情况以及基本 物理力学性质进行测定, 因而在古建筑木结构的 维修和整个古建筑的保护方面具有重要的现实 意义。目前应用于实践中的无损检测方法已达 数十种, 其中应力波无损检测技术是对木材及木 质复合材料性质检测时最常用的方法, 在过去的 几十年中得到了快速发展, 将其用于木材的缺陷 检测以及力学性质 动弹性模量 的定量化测定 * 收稿日期 2007- 07- 19 基金项目 科技部社会公益研究专项古建筑木结构防护和无损检测评价新技术研究 2004DIB5J187 作者简介 尚大军 1981 - , 男, 硕士研究生, 研究方向为木材无损检测技术, Email djcc1122 nwsua. f edu . cn 通讯作者 段新芳, 中国林科院木材工业研究所研究员, 博士生导师, 主要从事木材无损检测与古建筑保护等研究 第 2期尚大军, 段新芳, 杨中平 应力波无损检测技术及其在木结构 等方面也取得了良好的效果 [ 4- 6]。 1 应力波无损检测技术的基本原理 木材的声学特性是应力波无损检测的物理 基础, 它的基本原理是当木材的一端受到敲击作 用 机械作用 时, 木材内部就会产生应力波 机 械波 的传播, 通过特定的设备和装置测定应力 波传播时间的变化来判断木材的性质, 如腐朽、 缺陷以及计算木材的动弹性模量等。木材应力 波无损检测技术包括横向应力波技术和纵向应 力波技术, 其中横向应力波技术主要用于检测木 材内部是否含有腐朽或孔洞等缺陷, 而纵向应力 波技术则主要用于测定木材的动弹性模量, 从而 预测木材的力学强度和力学性质 [ 7]。 目前世界上基于应力波技术用于木材无损 检测的仪器较多, 其中匈牙利 FAKOPP 生产的 FAKOPP M icrosecond T i mer和总部设在美国的德 国 Frank R inn公司生产的 ARBOTOM 是进行木 材应力波无损检测时最常用的仪器, 下面以 FA- KOPP 2D仪器为例说明木材应力波无损检测技 术的基本原理。 1 . 1 横向应力波技术 横向应力波无损检测技术, 是通过比较相同 距离木材应力波传播时间的长短, 来判断木材内 部是否腐朽或含有空洞等缺陷。对健康木材来 说, 应力波的传播路径是直线, 而腐朽木材和内 部含有孔洞缺陷的木材, 应力波的传播路径则为 曲线, 传播时间相应地就会增加。 一般当木材发生腐朽或虫蛀时, 应力波的传 播时间和速度会受到严重的影响, 垂直于木材纹 理方向的传播时间明显增加, 传播速度则急剧减 小, 因此检测木材横向 径向或弦向 应力波传播 速度是探测木材内部是否腐朽或虫蛀的最佳途 径。通常当应力波传播时间增加 30 时, 就意味 着木材强度损失达到 50 ; 当传播时间增加 50时, 就意味着木材遭到了严重损害。 1 . 2 纵向应力波技术 纵向应力波无损检测, 是将仪器的 2个传感 器沿长度方向钉入需要测定的木材试样, 一般 45 。当用锤子敲击其中的任何一个传感器 时, 就会在木材内部产生应力波, 当另一个传感 器接收到应力波信号的时候, 仪器就会显示应力 波传播的时间, 通过测定两传感器之间的距离, 由 公式 1即可确定应力波在木材中的传播速度。 10 6 L / t - - - - - - - - 1 其中 v为应力波的传播速度 m / s; L为应 力波测定仪两传感器之间的距离 m ; t为应力 波测定仪记录的时间 s。 由木材的声学性质可知, 当试样厚度与波长 相比可以忽略不计时, 木材的动弹性模量 MOED 与应力波传播速度 v及木材的密度 之间存在 着如下关系 MOED 10 3 2 - - - - - - - 2 其中 MOED为木材动弹性模量 MPa; 为 木材的基本密度 g/cm 3 ; v为应力波的传播速 度 m / s。 木材传声特性的物理参数与木材的力学性 质有着内在的联系, 木材的弹性模量则是表征木 材力学性能最基本和最重要的指标之一, 通过测 定应力波在木材中的传播速度和木材的密度, 由 公式 2即可确定其动弹性模量, 从而可以对木 材力学性质进行有效的预测 [ 8]。在木结构古建 筑的保护中, 常常利用此法测定不同旧木构件的 残余动弹性模量, 从而确定木构件的残余力学强 度, 再与同树种的健康材的力学强度值进行比 较, 得出旧木构件的强度衰减率。 2 在木结构古建筑保护中的应用 2 . 1 国外应用现状 国外科研人员早在 20世纪 60年代就发现 木材的腐朽和内部缺陷会影响木材的强度, 影响 应力波在木材中的传播时间和速度, 因此通过检 测传播时间的差别就可判断木材的性质。 Lee I . D. G. [ 9]是最先将应力波无损检测技 术用于现场木结构检测的科技工作者之一。 1965年, 他运用应力波技术对英国一座 18世纪 的大厦屋顶进行了现场检测, 测定了木构件横向 应力波和纵向应力波传播时间, 得到了应力波传 播速度, 并在实验室测定了部分旧木构件的残余 力学强度, 绘制了应力波传播速度与木构件残余 强度的关系图。 1978年, Hoyle R.J. 和 Perllern R.F. [ 10] 对 美国爱达荷 州一学校 体操馆的 主要承 重构 件 花旗松胶合拱形梁端头部位进行了应力 45 世 界 林 业 研 究第 21卷 波无损检测。由于这些木构件是暴露在空气中 的, 而且与一个钢筋箍和水泥底座相连接, 因而 木材极易腐朽。检测结果也表明这些胶合梁木 构件的应力波传播时间明显大于花旗松健康材, 检测者还初次利用应力波无损检测技术确定了 木构件的腐朽部位。 LaniusR. M. [ 11]等在 1981年还利用纵向应 力波技术对建于 1925年的美国华盛顿州立大学 农学院的一个牲口圈进行了检测。检测的部位是 二层南侧堆放牧草部位的节点, 以应力波传播速 度为考察指标, 估测了木构件的残余力学强度。 1982年, RossR.J . [ 12]对华盛顿州立大学足 球场的南北大看台之间的 U 型连接部分进行了 应力波检测, 这一 U型连接部分是在 20世纪 30 年代建成的, 材料是经克鲁苏油加压处理过的大 径级花旗松实木锯材。测定的结果是应力波的 传播时间大于 1 300m s/f, t 而健康材的传播时间 则是 260 ms/ f, t 可见木材已经严重腐朽; 随后, 研 究人员采用钻孔探针对 U 型连接部分进行了验 证性研究, 发现木材内部已全部腐朽, 只有表层 部分是 完好 的, 可见应力波技术在古建筑木材 的腐朽探测方面具有良好的效果。 1976年 7月至 1979年 2月建成的美国新墨 西哥州 K irkland空军基地的 栈桥 是世界上最 大的层积材木结构建筑之一, 其额定荷载是 25 万 kg 。 20世纪 80年代, 由于美空军需要对一更 大重量的飞机进行测定, 因此需要对 栈桥 的结 构力学进行评估。NealD. W. [ 13- 14]等采用纵向 应力波技术对栈桥的 484个胶合木构件 约占 全部木构件的 5 进行了测定, 结果表明 栈 桥 的结构保持完好, 只有表层的部分板材发生 了腐朽。 1986年, AggourM. S. [ 15]等利用纵向应力波 技术评估美国马里兰州一座木桥的桥柱, 结果证 明应力波传播速度以及旧木材的密度与木构件 的抗压强度之间存在很好的相关性, 相关系数达 到 0 . 98 ; 1987 年, Hoyle R.J和 Rutherford P. S. [ 16]在美国华盛顿州交通局的委托下, 对 12座 木桥进行了每 3年 1次的常规性应力波测定, 结 果只有一座桥的木构件发生了腐朽; 1996年, 美 国华盛顿州立大学 Perllerin R.F. 和美国林产品 研究院 Ross R.J. [ 17] 等采用应力波技术对俄勒 冈州东部的 529号和 117号木桥进行了现场和 实验室检测, 发现二者的应力波传播速度具有很 好的相关性, 说明应力波技术用于木桥构件残余 力学强度的测定和局部腐朽的检测是完全可行 的, 是一种既节约时间和成本, 又能提高工作效 率的有效检测方法, 可用于以后的现场检测中。 USS Constitution [ 18- 19] 是于 1794 年至 1796 年间建造的一艘美国最早服役的海军木船。 1996年, 为了庆祝 其 200周岁生日, 美国林产 品研究院、 美国海军和美国造船研究所联合对它 的旧木构件进行了应力波无损检测和实验室测 定。结果表明, 腐朽木构件的应力波传播时间明 显增加, 用应力波技术定位木构件的腐朽和降解 部位, 取得了良好的效果。 匈牙利学者 Ferenc Divos [ 20]等通过应力波无 损检测方法, 对位于国内 Papa的 Baroque宫殿天 花板等部位的木构件进行了检测。结果证明, 应 力波技术能很好地预测单个木构件的抗弯强度, 因此它是木材学家和建筑工程师之间进行沟通 的有效工具和桥梁。 2 . 2 国内应用现状 我国木材科学和木材加工领域应力波无损 检测技术的研究起步较晚, 将其用于古建筑旧木 构件的检测和古建保护是最近几年才开始的。 2000年, 南京化工大学孟瑞华 [ 21] 等比较成 功地研制出应力波时间测定仪, 并用该仪器对板 材腐朽及定向纤维板的取向进行了试验研究, 结 果表明应力波在腐朽木材中的传播时间比在正 常木材中的时间长, 这与国外科研工作者的研究 结果基本一致。 2002年, 中国林科院木材工业研究所段新 芳 [ 1 , 22]等利用青海和西藏部分古建筑维护和修 缮的机遇, 采用横向应力波技术探测了布达拉宫 落叶松类和罗布林卡杨木类旧木构件的腐朽和 虫蛀情况; 其后, 又采用纵向应力波技术对青海 塔尔寺大金瓦殿三层脊檩、 檩、 承椽檩、 梁和房椽 等 5种承担不同负荷的木构件进行了残余动弹 性模量的测定, 结果表明应力波检测设备 FAKO- PP 2D可以用于测定古建筑旧木构件的残余动 弹性模量, 也可对木构件的内部腐朽和虫蛀情况 做出较为快速的判定, 说明应力波无损检测技术 是古建筑木结构安全性能评价的重要方法, 因而 46 第 2期尚大军, 段新芳, 杨中平 应力波无损检测技术及其在木结构古建筑保护中的应用 可以为古建筑木构件的维护与维修提供依据。 由于传斗式木构架在台湾地区传统建筑中 占有相当大的比例, 九 二一 地震后, 进行了 台湾地区传统式古迹与历史建筑耐震能力的基 础研究。2005年, 我国台湾学者张纹韶 [ 23] 等首 次采用应力波技术对台湾南投张宅、 嘉义县新港 大兴宫后厅堂和台南县麻豆郭宅内的传统穿斗 式木接点形式进行了研究。经过对接点处木构 架为连续、 对开对接和利用燕尾榫搭接等 3种木 接点形式的研究, 证明应力波无损检测技术用于 区分这 3种传斗式木构架是完全可行的, 并提出 了具体的操作流程。 从国内外应力波无损检测技术在古建筑木 结构安全性能检测中的研究进展可以看出, 应力 波技术在木结构古建筑保护中的实际应用和研 究成果多数是美国的, 其应用范围较广, 涉及的 古建筑类型也较多。虽然我国也开展了应力波 无损检测技术的相关研究, 但多数是在活立木的 性质预测以及人造板的性能测定等方面, 古建筑 保护方面的研究则很少, 还处于起步阶段。 3 存在的问题 尽管应力波无损检测技术在古建筑旧木构 件性质检测和古建保护中的应用取得了一定的 进展, 但在发展过程中还存在着一些问题。在这 些问题中, 有一部分是由于木材本身的性质 例 如木材的变异性 引起的, 而另外一部分则是由 于应力波技术的发展还不够成熟以及人们的研 究范围还极其有限所决定的。综合前人的研究 成果, 应力波无损检测技术在木结构古建筑保护 中还存在着以下几个方面的问题。 1木材是各向异性材料, 但应力波技术采 用的是各向同性材料的波传播理论, 这对检测的 精度造成了一定的影响。在测定过程中, 多种因 素都会对检测结果形成影响, 例如木材的含水 率、 密度、 尺寸、 缺陷、 木材种类以及地域条件等, 但在实际检测中, 考虑的因素较少, 而有关上述 因素对应力波传播时间影响的研究也不多见。 2应力波在木材中的传播速度极快, 通常 以微秒 s来计算, 一般的信号检测设备或者数 据采集仪器很难对其进行精确的测定, 对其信号 波形的分析也比较困难。目前, 对木材性质的测 定主要是采用测定应力波传播时间的方法, 信息 比较单一, 研究范围也受到限制。 3在判断木构件是否腐朽或虫蛀, 以及定 量化古建筑木构件的残余力学强度时, 需要有健 康材的应力波传播时间和速度数据作为判断依 据, 这需要建立强大的数据库进行支持, 但从实 际研究情况来看, 应力波技术在木材方面的应用 研究主要集中在少数几个常见树种上。 4应力波技术可以判断木构件是否腐朽以 及腐朽程度, 但在腐朽部位的定位方面还需要进 一步研究; 此外, 应力波技术对较小程度的腐朽 不敏感, 只有当木构件腐朽达到一定程度的时候 才能检测出来, 这对木结构古建筑来说是一种安 全隐患, 为监控工作带来了一定的困难。 4 应用前景展望 应力波无损检测技术在过去的几十年中得 到了快速发展, 将其应用于古建筑旧木构件的腐 朽程度检测和残余动弹性模量的测定较好地解 决了在不破坏木结构原有连接形式和受力状况 的前提下, 如何对其物理力学性质进行科学的定 量化测定这一长期困扰古建保护工作者和文物 部门的难题, 尽管其还存在着一些理论和技术上 的问题, 但随着研究的不断深入和细化, 相信这 些问题将得到较好的解决。 随着木材无损检测技术、 计算机技术以及人 工神经网络技术的迅速发展, 应力波技术在木结 构古建筑保护中的应用也将越来越普遍, 其发展 趋势主要体现在以下几个方面 1由于木结构古建筑的特殊性, 其旧木构 件的数量巨大, 结构也较为复杂, 加之我国文物 分布地域辽阔, 因此对检测设备和数据采集仪器 的精度以及便携性提出了更高的要求。可以结 合计算机技术和传感器技术在林业中的应用, 将 应力波技术向小型化、 智能化、 自动化和数字化 方向发展, 将人工神经网络和小波分析技术引入 应力波检测仪的设计和使用中, 以解决单纯靠测 定传播时间来评估木构件材质状况的局限性。 2科研工作者应扩大树种研究范围, 对我 国现存古建筑中使用的木材树种以及现阶段维 修过程中选用的木材树种进行广泛的研究, 从而 建立健康材应力波传播速度和力学性质的数据 47 世 界 林 业 研 究第 21卷 库, 以便为今后的维修工作提供参考标准; 文物 部门也应该在此方面划拨专项资金, 以加速此项 工作的开展。 3由于古建筑旧木构件不易获得, 加之腐 朽和虫蛀等原因, 很难将旧木构件加工成标准试 件进行静态力学强度的测定, 而采用应力波技术 获得的是木构件的动态弹性模量。一般情况下, 动弹性模量和静弹性模量是不能进行比较的, 与 静弹性模量相比, 动弹性模量往往较大, 因此应 尽可能地将应力波技术获得的动弹性模量数值 与静弹性模量进行比较和分析, 找出二者之间的 关系和相关系数, 以便为应力波无损检测技术在 古建保护中的应用提供科学的依据。 4利用多种无损检测方法对古建筑木结构 进行综合检测, 即基于应力波无损检测方法所存 在的不足, 利用其他的无损检测方法进行弥补, 保证预测模型的准确度。此外还要考虑模型的 通用性, 在大量试验数据积累的基础上建立更大 范围内适用的模型和开发使用性更广的应力波 无损检测仪器。 参 考 文 献 [ 1]段新芳, 王平, 周冠武, 等. 应力波技术检测古建筑木构件残 余弹性模量的初步研究 [ J]. 西北林学院学报, 2007, 22 1 112- 114 . 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