应力波无损检测木构件材质性能的影响因素

尹婷婷 韩振华 许 鹏

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

在我国大力推行碳达峰、碳中和政策的背景下，木结构将作为绿色低碳建材而得到更多推广。方木原木、锯材等结构材的力学性能直接影响木结构的安全状态，因而在木结构建筑工程各个阶段，需掌握材料及主要承重构件的力学性能和残损状态。应力波无损检测技术近年来被广泛用于木结构现场对木材力学性质、物理性质以及木材内部缺陷等方面的检测，其具备传播距离远、抗干扰能力强、无需耦合剂、设备轻巧便于携带等优势[1-5]。

随着应力波无损检测技术在木结构检测领域的发展，研究发现检测时应力波的传播速度受到很多因素的影响，其中应力波纵向传播速度受含水率、检测方式不同影响显著[6]，因此探索应力波在木材内传播速度的影响规律对于提高检测准确性十分有必要[7]。

本文研究木材含水率、尺寸效应以及操作方式对传播速度的影响，目的在于提高检测方法的有效性。

1 试验原理和方法

木材应力波无损检测的基本原理是，当木材的一端受到敲击作用时，木材内部就会产生低频范围的机械波的传播。通过特定的设备测定应力波传播时间（图1），通过测量敲击到接收信号传感器点的距离，计算出应力波在木材中的传播速度，从不同条件下应力波传播速度的变化差异来判断应力波在木材内部传播速度的影响因素。

图1 应力波检测清材试件和规格材

本文设计单因素试验，通过单因素方差分析各组数据的差异，判断对无损检测的影响因素。

1）研究含水率对应力波传播速度的影响时，试验选用花旗松标准清材试件20 mm×20 mm×400 mm，采用绝干法测试试件的初始含水率，计算出试件的绝干质量，再将试件浸泡45 d，通过干燥调试到不同含水率，选定0、12%、16%、20%、30%、40%、50%含水率值为设定点，分别测试含水率值和采集试件的应力波速率值，以单因素分析法分析不同间距含水率波速间的差异值，分析波速与含水率的关系。

2）研究测量间距对应力波传播速度的影响时，试验选用足尺规格材为研究对象，分析在同一材料中传感器安装间距对传播速度的影响，分别以40、80、160、250、320 cm为设置间距，以单因素分析法分析不同间距波速间的差异值。

3）研究材料尺寸效应对应力波传播速度的影响时，试验选用足尺规格材为研究对象，分别先后测量规格材足尺（330 cm）、规格材截断为50 cm以及规格材加工为20 cm×20 cm×50 cm标准清材试件的同一部位和尺寸的应力波波速，分析同一材料的不同尺寸对应力波传播速度的影响。

4）研究设备操作参数对应力波传播速度的影响时，研究传感器与木材角度（0°、30°、45°、90°），传感器敲击次数（3次、6次、9次），以及传感器安装在同一距离（部位）宽度面、厚度面或端部面等不同位置（图2，忽略端部的距离差异）对传播速度的影响，通过单因素方差分析传播速度的差异，分析不同设备操作参数对传播速度的影响。

图2 传感器相同距离不同位置布置

2 试验材料和设备

2.1 材料种类

花旗松标准清材，樟子松规格材（100 mm×25 mm×3 300 mm）。

2.2 测试方法

应力波波速测定采用匈牙利生产的ARBORSONIC应力波测量仪检测。测定时，2个传感器探针按照设置的间距插入材料两端，传播时间取敲击次数平均值。

3 结果与分析

3.1 含水率对无损检测值的影响

试验中将各个试件浸泡至含水率为60%～70%，再进行干燥，干燥至相应含水率点，测试6个试件含水率，采集试件的应力波速率值，测量结果如图3所示。

格雷马斯借鉴了普洛普对民间故事的研究，他认为文学叙述与语言学的句子一样，可以加以结构分析，并把普洛普的“功能说”发展为“行动元模式”理论。其中，行动元被认为是具有多种功能的结构单位④。

图3 含水率与应力波波速关系

由于各个试件在浸泡和干燥过程中不能完全均匀同步，每个试件的含水率不能完全一样，并且测试时含水率不能完全按照设置点设置，因而按照实际含水率的点测试和记录。从图3各个试件的含水率与波速的关系可知，木材的应力波波速与含水率呈负相关，随着木材含水率的增加，应力波的波速下降。因此在测量传播速度时应检测相应含水率的值。

3.2 传感器测量间距对无损检测值的影响

在足尺规格材中，传感器从同一端同一位置布置，另一端分别布置传感器测量间距为40、80、160、250、320 cm，测量传播速度结果见表1。

表1 足尺规格材传感器不同间距的传播速度

通过对不同传感器间距传播速度值（V40、V80、V160、V250和V320）进行单因素方差分析，得到F＝6.535 6＞Fcrit＝2.557 2，且p＝0.000 2＜0.05，5组数据具有显著差异性，说明传感器测量距离对传播速度检测具有显著性影响。其中，平均值显示，随着测量间距的增加，测量速度增加。这与文献[8]中木材试件长度对应力波传播参数有显著影响，且应力波的传播速度与木材长度均呈正相关的结论基本一致。

通过对V160、V250和V320进行单因素方差分析发现，得到F＝0.196 3＜Fcrit＝3.315 83，且p＝0.82＞0.05，说明3组数据不具有显著差异性，说明达到一定长度后，传感器测量距离对传播速度不具有显著性影响。

3.3 尺寸效应对无损检测值的影响

首先在足尺规格材上测量应力波传播速度，再在规格材上截断50 cm的规格材测量传播速度，然后在截断的50 cm规格材上锯制20 cm×20 cm×50 cm标准清材试件测量传播速度，测量间距均为40 cm，测量结果见表2。

表2 相同测量间距不同尺寸的传播速度

通过对不同尺寸的同一种材料，测量相同间距的应力波传播速度（V320、V50、V清材）进行单因素方差分析，得到F＝1.963 5＜Fcrit＝3.354 1，且p＝0.15＞0.05，说明3组数据不具有显著差异性，即用相同间距测量不同尺寸的材料对传播速度不具有显著性影响，波速随着规格材长度的增大没有一定的规律。文献[9]研究表明，动态弹性模量随着规格材长度的增大没有一定的规律，与本文结论也一致。

3.4 设备操作参数对无损检测值的影响

3.4.1 清材试件

表3 清材试件不同测量次数和角度的传播速度

通过对不同测量角度V（3，30）、V（3，45）、V（3，90）进行单因素方差分析，得到F＝52.499 1＞Fcrit＝3.22，且p＝3.76×10－12＜0.05，3组数据具有显著差异性，说明测量角度对传播速度具有显著性影响。其中，30°和45°平均值接近，90°速度降低明显。

3.4.2 规格材足尺试件

足尺规格材不同角度和同一距离（部位）不同位置应力波传播速度检测值见表4。

表4 规格材不同角度和同一部位不同位置应力波传播速度

通过对不同角度（V端部0°、V30°、V45°和V90°）进行单因素方差分析，得到F＝14.831 1＞Fcrit＝2.866 2，且p＝1.9×10－6＜0.05，4组数据具有显著差异性，说明传感器测量角度对传播速度具有显著性影响。其中，平均值显示，随着角度的增加，测量速度减小，其中V端部0°、V30°、V45°比较接近，V90°明显较小。所以测试时，应考虑传感器的角度，与木材的夹角不要大于45°。

根据测量过程中的数据收集，尽管小于45°时测量数据接近，但是在端部位置0°传感器接收信号好于45°。所以测试时，选择木材上部插入探针，与木材的夹角不要大于45°。选择在木材端部插入探针，与木材的不应大于45°，尽量平行于端部插入。

通过对同一距离（或部位）不同位置V45°、V侧向45°、V端部45°进行单因素方差分析，得到F＝0.113 3＜Fcrit＝3.354，且p＝0.89＞0.05，3组数据不具有显著差异性，说明传感器在木材上相同距离（或部位）安装，测得不同位置（或点）对传播速度不具有显著性影响。

4 结语

通过研究，得到以下结论：

1）通过对含水率与波速的关系分析可知，花旗松木材的应力波波速与含水率呈负相关，随着木材含水率的增加，应力波的波速下降，因而给定传播速度时应标注含水率。

2）通过对不同传感器间距的应力波传播速度进行单因素方差分析，得到传感器测量距离对传播速度具有显著性影响，随着测量间距的增加，检测的传播速度增加，在测量足尺材料和原木力学性能时应予以区分测量间距。

3）通过对不同尺寸的材料、相同间距的应力波传播速度进行单因素方差分析，得到了不同尺寸的材料对传播速度不具有影响、波速随着材料长度的增大没有一定的规律的结论。

4）通过对设备操作参数进行研究可知，测量3次、6次和9次对传播速度不具有显著性影响，测量时敲击3次即可。通过对传感器不同角度分析得知，随着角度的增加，测量速度减小，测试时传感器与木材的夹角不要大于45°。通过对同一距离（或部位）的不同位置进行分析，测得不同位置对传播速度不具有影响。

5）波速如何转化为标准含水率时的波速及其与材料性能的关系需要进一步研究。