基于力信号特征的古建筑木构件内部缺陷敲击筛查研究

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中国有大量的木结构古建筑,而木结构中主要承重木构件有柱、梁、桁(檩)、枋等。由于木材本身是一种有机材料,使得木材在经历长时间的使用会出现不同的缺陷,例如:孔洞、腐朽、裂纹等。内部孔洞和内部腐朽发生在木构件内部,不易被察觉,这些缺陷的存在严重地影响着整个建筑的安全性及使用。无损检测是应用于古建筑木构件内部缺陷检测的主要方法。敲击法属于无损检测法,也是古建筑木构件内部缺陷初步筛查阶段的主要方法,然而这种方法严重依靠操作者的经验,误判、漏判时有发生。本文从敲击力信号角度对木构件内部缺陷进行敲击筛查研究,力图为提高敲击筛查法的科学性和筛查准确度,以及将筛查法仪器化、摆脱人为因素的束缚,奠定一定的基础。本文基于局部敲击检测原理,以模拟孔洞缺陷的圆形截面木柱和矩形截面板材为试验对象,采用自行编写的LabVIEW程序对敲击力信号进行采集与分析。选用敲击冲击时间τ和参量R为识别内部缺陷是否存在的时域和频域特征参量,通过敲击试验分别研究了两参量与敲击力、敲击位置、表面硬度、缺陷大小、锤头材料等的关系,并进行了验证性检测试验。研究结果表明,敲击冲击时间τ和参量R随着敲击力的变化基本保持不变,综合来看敲击力的合理范围为150~450N;3种锤头材料下,铝合金锤头的缺陷识别效果最佳;τ和及两参量与缺陷的长度具有显著的相关性,决定系数分别为0.865和0.904;良好区域敲击冲击时间Tc与表面硬度具有良好的线性关系,回归公式为y=-0.04xf3.09,决定系数可达0.934。确定了内部缺陷可识别的准则:当两敲击参量变化率大于相同硬度的良好区域的两参量最大波动率时,即认为此敲击位置存在内部缺陷;考虑其它随机因素和工程检测便利,确定两参量可识别内部缺陷是否存在的变动率临界值分别为15%和59%。缺陷尺寸和深度均会影响缺陷刚度,可敲击识别的最小缺陷的刚度与表面刚度有关;当缺陷刚度kd小于等于3.1倍的表面刚度怂时,内部存在缺陷可被敲击识别。对实际带有缺陷的檐柱进行的验证性检测表明,敲击筛查法可以有效识别缺陷刚度小于一定值的内部缺陷。
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