CN115166034A - 利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,属于木结构无损检测技术领域。本发明通过反向试验建立直径上的衰减系数δ与实际缺陷面积y之间的数学模型,在使用中,先判定测点之间的路径有无缺陷,然后根据有缺陷的路径及应力波检测设备测量的获得缺陷位置图形,确定经过或靠近缺陷中心的直径,计算该直径上的路径衰减系数并带入数学模型中,直接得到修正的缺陷面积,能够明显提高缺陷识别精度。有利于对木结构安全性评估、及时保护和修复。并且在缺陷面积占比较小时,传统的多路径应力波检测方法难以监测处缺陷,通过本实施例提供的检测方法能够覆盖缺陷面积占比较小时的识别精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,属于木结构无损检测技术领域。
背景技术
我国现存大量传统木结构和砖木混合结构等既有历史建筑,其木材材质、承重骨架、营造技艺等具有极高的历史、艺术和科学价值。因生物破坏、环境影响、生长缺陷等,产生虫蛀、腐朽、内部孔洞、裂缝等缺陷,严重影响木结构安全,需要对木结构进行预防性保护或者加固修复。外部缺陷可肉眼发现并及时得到修缮,但内部空洞肉眼无法直接观察和量化检测结果,因而无法及时保护修复,因此准确地检测内部缺陷对木结构预防性保护和及时修复十分重要。
目前,木结构建筑内部缺陷无损检测单路径应力波检测、超声波检测、微钻阻力检测、多路径应力波检测等方法对内部缺陷进行无损检测。其中,多路径应力波检测与其他检测方法相比质量轻、便于携带,无需有线电源,不需耦合剂,适用于现场检测,具有可视化和量化的特点,但是通过研究发现,多路径应力波检测虽然可以大致确定缺陷位置,但是检测面积与真实残损程度存在较大差异,缺陷检测精度不够,不利于对木结构安全性评估、及时保护和修复。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法。
为解决以上技术问题,本发明包括如下技术方案:
一种利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,包括如下步骤:
步骤一、确认木构件树种,选取与木构件树种相同的若干健康材;
步骤二、使用多路径应力波检测设备对健康材横断面传播速度进行检测;检测时,沿健康材同一横断面四周均匀布设2n个测点,中间间隔i个测点的两点之间记为第i+1类路径,i=0,1,2,…,n-1;待选取的健康材测量完毕,使用统计学工具对同类路径上的数据进行分析,得到各路径传播速度阈值范围V0(i+1)min~V0(i+1)max,传播速度的平均值V0(i+1)av,确定速度衰减临界值δ0(i+1)=(V0(i+1)min-V0(i+1)av)/V0(i+1)av;
步骤三、通过反向试验建立直径上的衰减系数δ与实际缺陷面积y之间的数学模型;
步骤四、使用多路径应力波检测设备测量木构件某一截面,获得缺陷位置图形、各路径传播路径图、传播速度和缺陷面积占比及图像;
步骤五、分析各路径传播速度,计算各路径的衰减系数δ(i+1),与各路径衰减临界值δ0(i+1)进行比较;
若δ(i+1)≤δ0(i+1),判定所述路径无缺陷;
若δ(i+1)>δ0(i+1),判定所述路径有缺陷,与步骤四中的获得缺陷位置图形结合判定缺陷的几何中心位置;确定经过或靠近缺陷的几何中心位置的直径上的路径,以该直径上的路径上的波速衰减系数δ代入步骤三中的数学模型中,计算得到修正的缺陷面积y。
进一步,所述步骤三中的数学模型为直线模型,满足如下公式:
y=aδ+b;
其中,a、b为常数。
进一步,所述步骤三中的数学模型为神经网络模型。
进一步,所述步骤五之后还包括如下步骤:
步骤六、重复步骤四和步骤五,对木构件其它截面进行检测,至木构件所有待测截面均检测完毕后,对木构件的安全性进行综合判定。
进一步,步骤三中,通过反向试验建立数学模型时,实际缺陷面积至少设置5个样本,缺陷面积从小至大均匀设置。
进一步,在对木构件采用多路径应力波检测设备进行检测之间,先通过视觉观察、敲击及工具对木构件进行测量,初判是否有外部残损以及外部残损是否蔓延至内部残损,若有则将残损部位作为重点检测截面。
进一步,步骤五中,若没有直径经过或靠近缺陷的中心位置,则结合多路径应力波检测设备测量的缺陷面积占比及图像以及计算得到的有缺陷路径,重新布设测点,使其中的一个直径上的两测点经过缺陷中心,重新检测该直径上的衰减系数δ,然后代入步骤三中的数学模型中,计算得到修正的缺陷面积y。
本发明由于采用以上技术方案,使之与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:本发明通过反向试验建立直径上的衰减系数δ与实际缺陷面积y之间的数学模型,在使用中,先判定测点之间的路径有无缺陷,然后根据有缺陷的路径及应力波检测设备测量的获得缺陷位置图形,确定经过或靠近缺陷中心的直径,计算该直径上的路径衰减系数并带入数学模型中,直接得到修正的缺陷面积,能够明显提高缺陷识别精度。有利于对木结构安全性评估、及时保护和修复。并且在缺陷面积占比较小时,传统的多路径应力波检测方法难以监测处缺陷,通过本实施例提供的检测方法能够覆盖缺陷面积占比较小时的识别精度。
附图说明
图1为本发明一实施例中的利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法作进一步详细说明。结合下面说明,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
如图所示,本实施例提供的一种利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,包括如下步骤:
步骤一、确认木构件树种,选取与木构件树种相同的若干健康材;
步骤二、使用多路径应力波检测设备对健康材横断面传播速度进行检测;检测时,沿健康材同一横断面四周均匀布设2n个测点,中间间隔i个测点的两点之间记为第i+1类路径,i=0,1,2,…,n-1;待选取的健康材测量完毕,使用统计学工具对同类路径上的数据进行分析,得到各路径传播速度阈值范围V0(i+1)min~V0(i+1)max,传播速度的平均值V0(i+1))av,确定速度衰减临界值δ0(i+1)=(V0(i+1)min~V0(i+1)av)/V0(i+1)av;
步骤三、通过反向试验建立衰减系数δ与实际缺陷面积y之间的数学模型;
步骤四、使用多路径应力波检测设备测量木构件某一截面,获得缺陷位置图形、各路径传播路径图、传播速度和缺陷面积占比及图像;
步骤五、分析各路径传播速度,计算各路径的衰减系数δ(i+1),与各路径衰减临界值δ0(i+1)进行比较;
若δ(i+1)≤δ0(i+1),判定所述路径无缺陷;
若δ(i+1)>δ0(i+1),判定所述路径有缺陷,与步骤四中的获得缺陷位置图形结合判定缺陷的几何中心位置;确定经过或靠近缺陷的几何中心位置的直径上的路径,以该直径上的路径上的波速衰减系数δ代入步骤三中的数学模型中,计算得到修正的缺陷面积y。
本实施例通过反向试验建立直径上的衰减系数δ与实际缺陷面积y之间的数学模型,在使用中,先判定测点之间的路径有无缺陷,然后根据有缺陷的路径及应力波检测设备测量的获得缺陷位置图形,确定经过或靠近缺陷中心的直径,计算该直径上的路径衰减系数并带入数学模型中,直接得到修正的缺陷面积,能够明显提高缺陷识别精度。有利于对木结构安全性评估、及时保护和修复。并且在缺陷面积占比较小时,传统的多路径应力波检测方法难以监测处缺陷,通过本实施例提供的检测方法能够覆盖缺陷面积占比较小时的识别精度。
进一步,所述步骤三中的数学模型为直线模型,满足如下公式:
y=aδ+b;
其中,a、b为常数。
进一步,所述步骤三中的数学模型为神经网络模型。神经网络模型的输入数据为截面的直径上的衰减系数,输出数据为修正的缺陷面积。在使用前先对神经网络模型进行训练,参数满足要求后,得到训练完毕的神经网络模型。
进一步,步骤五之后还包括如下步骤:
步骤六、重复步骤四和步骤五,对木构件其它截面进行检测,至木构件所有待测截面均检测完毕后,对木构件的安全性进行综合判定。当判定木构件安全性存在问题时,对木构件进行预防性保护和加固修复措施。
进一步,步骤三中,通过反向试验建立数学模型时,实际缺陷面积至少设置5个样本,缺陷面积从小至大均匀设置。
进一步,在对木构件采用多路径应力波检测设备进行检测之间,先通过视觉观察、敲击及工具对木构件进行测量,初判是否有外部残损以及外部残损是否蔓延至内部残损,若有则将残损部位作为重点检测截面。
进一步,步骤五中,若没有直径经过或靠近缺陷的中心位置,则结合多路径应力波检测设备测量的缺陷面积占比及图像以及计算得到的有缺陷路径,重新布设测点,使其中的一个直径上的两测点经过缺陷中心,重新检测该直径上的衰减系数δ,然后代入步骤三中的数学模型中,计算得到修正的缺陷面积y。
事先测定木构件的长度,根据木构件的种类、高度或长度,以及表面腐朽状况,确定检测部位与间距,然后再进行木构件具体截面的检测。多路径应力波检测设备设置有匹配的检测软件,需要记录木构件断面详细尺寸、形状及检测位置,在多路径应力波检测仪器匹配的软件中设置树种,输入尺寸信息,设置布置方式,根据软件示意和位置布置传感器,相邻传感器间距不应大于100mm。具体的敲击方式为,用同一重量的锤子,逐个敲击传感器,重复3次。传播速度测量时应力波传感器至少为10个。
实施例二
在本实施例中,木构件树种为花旗松木。
采用FAKOPP 3DAcoustic Tomograph应力波检测仪测量14个直径40cm花旗松健康材木构件应力波传播速度。采用沿横断面四周均匀布设12个传感器,在试件截面中的传播速率根据传播路径(距离)的不同被分为6种,中间间隔i点的两测点间的传播速率,其平均值统一被记作V(12+i)-0,其中0≤i≤5。比如,相邻两点间的传播速率,其平均值统一被记作V12-0;中间相隔五个点的两点间的传播速率,其平均值统一被记作V17-0。
获得健康材的最大值、最小值、和传播速度平均值。经检测,健康花旗松的应力波传播速度范围为935~1713m/s。直径上的传播速度平均值为1523m/s,速度范围为1380~1713m/s,计算临界衰减系数|1380-1523|/1523*100%=9.4%。
通过反向试验模拟不同面积缺陷,孔洞大小分别为健康材面积的0、1/25、1/8、1/4、1/3、1/2,孔洞位置位于截面中心。使用FAKOPP 3D Acoustic Tomograph应力波检测仪测量各缺陷构件,获得缺陷位置图形、各路径传播路径图、传播速度和缺陷面积占比及图像等。
分析各路径传播速度,判断各路径是否在健康材路径的阈值范围V0(i+1)min~V0(i+1)max内,并且计算各路径的衰减系数,并标出大于临界衰减系数的各路径,初步能够判断缺陷情况和路径。
以实际缺陷面积为应变量y,以健康材直径上波速的衰减系数为自变量,实际缺陷面积与衰减系数之间有统计上的线性关系,其回归方程为y=1.1502δ-5.724,决定系数为R2=0.9465,决定系数R2>0.5,为强相关,Significance F=0.0011,线性关系显著。
如表1所示,通过对比实际面积、FAKOPP 3DAcoustic Tomograph应力波检测设备自带的软件检出缺陷面积和本实施例中得到的衰减系数修正的缺陷面积,可知衰减系数修正的缺陷面积可以识别软件不能识别的缺陷(4%),能够提高对缺陷面积占比较小的木构件的识别效果;并且在实际孔洞面积占比大于12.5%时,缺陷面积可更加准确,当采用本实施例中的检测方法,能够提高检测效率和精度。
表1三种面积占比对比
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、确认木构件树种,选取与木构件树种相同的若干健康材;
步骤二、使用多路径应力波检测设备对健康材横断面传播速度进行检测;检测时,沿健康材同一横断面四周均匀布设2n个测点,中间间隔i个测点的两点之间记为第i+1类路径,i=0,1,2,…,n-1;待选取的健康材测量完毕,使用统计学工具对同类路径上的数据进行分析,得到各路径传播速度阈值范围V0(i+1)min~V0(i+1)max,传播速度的平均值V0(i+1)av,确定速度衰减临界值δ0(i+1)=(V0(i+1)min-V0(i+1)av)/V0(i+1)av;
步骤三、通过反向试验建立直径上的衰减系数δ与实际缺陷面积y之间的数学模型;
步骤四、使用多路径应力波检测设备测量木构件某一截面,获得缺陷位置图形、各路径传播路径图、传播速度和缺陷面积占比及图像;
步骤五、分析各路径传播速度,计算各路径的衰减系数δ(i+1),与各路径衰减临界值δ0(i+1)进行比较;
若δ(i+1)≤δ0(i+1),判定所述路径无缺陷;
若δ(i+1)>δ0(i+1),判定所述路径有缺陷,与步骤四中的获得缺陷位置图形结合判定缺陷的几何中心位置;确定经过或靠近缺陷的几何中心位置的直径上的路径,以该直径上的路径上的波速衰减系数δ代入步骤三中的数学模型中,计算得到修正的缺陷面积y。
2.如权利要求1所述的利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,其特征在于,所述步骤三中的数学模型为直线模型,满足如下公式:
y=aδ+b;
其中,a、b为常数。
3.如权利要求1所述的利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,其特征在于,所述步骤三中的数学模型为神经网络模型。
4.如权利要求1所述的利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,其特征在于,所述步骤五之后还包括如下步骤:
步骤六、重复步骤四和步骤五,对木构件其它截面进行检测,至木构件所有待测截面均检测完毕后,对木构件的安全性进行综合判定。
5.如权利要求1所述的利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,其特征在于,
步骤三中,通过反向试验建立数学模型时,实际缺陷面积至少设置5个样本,缺陷面积从小至大均匀设置。
6.如权利要求1所述的利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,其特征在于,
在对木构件采用多路径应力波检测设备进行检测之间,先通过视觉观察、敲击及工具对木构件进行测量,初判是否有外部残损以及外部残损是否蔓延至内部残损,若有则将残损部位作为重点检测截面。
7.如权利要求1所述的利用多路径应力波检测木结构缺陷的方法,其特征在于,
步骤五中,若没有直径经过或靠近缺陷的中心位置,则结合多路径应力波检测设备测量的缺陷面积占比及图像以及计算得到的有缺陷路径,重新布设测点,使其中的一个直径上的两测点经过缺陷中心,重新检测该直径上的衰减系数δ,然后代入步骤三中的数学模型中,计算得到修正的缺陷面积y。
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