基于X射線數(shù)字成像法的工程竹結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷與金屬件檢測研究*

張 輝，王明謙，許清風(fēng)，陳 溪，冷予冰，陳玲珠

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032)

0 引言

隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，建筑行業(yè)節(jié)能減排受到了廣泛關(guān)注。竹材是低碳、環(huán)保和可再生的建筑材料，我國具有豐富的竹林資源[1]，且擁有悠久的竹文化歷史傳統(tǒng)，因此大力推廣竹結(jié)構(gòu)建筑具有重要意義。近年來，隨著制造加工技術(shù)的不斷完善，以膠合竹和重組竹為代表的工程竹結(jié)構(gòu)逐漸在建筑領(lǐng)域得到應(yīng)用[2-3]。

目前，國內(nèi)外針對工程竹構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的研究已取得豐碩成果。冷予冰等[4]開展了膠合竹和重組竹梁受彎性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)工程竹梁受力性能明顯優(yōu)于同尺寸膠合木梁。Li等[5-6]開展了膠合竹柱軸心受壓試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，并確定了此類構(gòu)件的破壞模式，建立了極限承載力計算方法。Leng等[7-8]開展了膠合竹和重組竹梁柱螺栓連接節(jié)點(diǎn)彎剪受力性能試驗(yàn)研究，確定了此類節(jié)點(diǎn)的破壞模式，并建立了節(jié)點(diǎn)承載力計算方法。Xu等[9]通過試驗(yàn)研究確定了膠合竹鋼填板螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗劈裂承載力，并建立了節(jié)點(diǎn)抗劈裂承載力計算方法。

工程竹結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)對其質(zhì)量控制和安全性鑒定具有重要意義，但目前該領(lǐng)域的研究成果相對有限。周先雁等[10]采用超聲波法和沖擊回波法檢測了竹質(zhì)工程材試件動彈性模量，通過回歸分析建立了動彈性模量與靜彈性模量之間的關(guān)系。許琪[11]開展了基于超聲波技術(shù)的重組竹力學(xué)性能參數(shù)預(yù)測方法研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)合動彈性模量和密度可較好地預(yù)測重組竹抗壓強(qiáng)度。冷予冰等[12]開展了基于鉆入阻抗法的膠合竹缺陷檢測研究，發(fā)現(xiàn)膠合竹裂縫、螺孔和柱槽處阻力值明顯低于完好部位。王明謙等[2]開展了基于探地雷達(dá)的工程竹缺陷檢測研究，發(fā)現(xiàn)柱槽、螺孔和長方體缺陷部位電磁波幅值與完好部位差異較大，可用于工程竹缺陷判別。

X射線數(shù)字成像法已在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測中得到廣泛應(yīng)用，并取得良好效果[13-14]。本文采用X射線數(shù)字成像法進(jìn)行工程竹結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和金屬件檢測研究，為《工程竹結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的編制提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計并制作4個工程竹試件，各試件幾何尺寸如圖1所示。其中，J1為含有內(nèi)部缺陷的膠合竹試件，尺寸為250mm×180mm×200mm(長×寬×高)，內(nèi)部居中設(shè)置邊長為75mm的正方形缺陷，缺陷高度與試件高度相同。J2為含有自攻螺釘?shù)哪z合竹試件，尺寸為400mm×100mm×200mm(長×寬×高)，φ6,φ8自攻螺釘鉆入試件長度為180mm，φ10自攻螺釘鉆入試件長度為115mm，φ6,φ8自攻螺釘間距為64mm，φ8,φ10自攻螺釘間距為75mm。C1為含有內(nèi)部缺陷的重組竹試件，尺寸為250mm×180mm×200mm(長×寬×高)，內(nèi)部居中設(shè)置邊長為75mm的正方形缺陷，缺陷高度與試件高度相同。C2為含有自攻螺釘?shù)闹亟M竹試件，尺寸為400mm×100mm×200mm(長×寬×高)，φ6,φ8,φ10自攻螺釘鉆入試件長度均為180mm，φ6,φ8自攻螺釘間距為85mm，φ8,φ10自攻螺釘間距為91mm。

圖1 試件幾何尺寸

將自攻螺釘垂直鉆入工程竹試件中，為消除自攻螺釘螺帽對X射線機(jī)拍照的影響，且便于運(yùn)輸，試件加工完成后將所有自攻螺釘螺帽去除。

膠合竹實(shí)測密度為669kg/m3，含水率為7.4%，抗彎彈性模量為13 180MPa，抗彎強(qiáng)度為128.6MPa。重組竹實(shí)測密度為1 140kg/m3，含水率為9.8%，抗彎彈性模量為15 300MPa，抗彎強(qiáng)度為128.6MPa。

1.2 試驗(yàn)方法

X射線數(shù)字成像法檢測工程竹結(jié)構(gòu)缺陷原理如圖2所示，具體檢測步驟如下：①平板探測器就位，并將其置于工程竹試件一側(cè)，緊貼試件表面；②X射線機(jī)就位，并將其置于試件的另一側(cè)；③將X射線機(jī)與中央控制器相連；④根據(jù)事先試驗(yàn)確定的數(shù)值，通過中央控制器設(shè)置電壓、電流、曝光時間及X射線機(jī)延遲開啟時間；⑤現(xiàn)場所有檢測人員退至安全距離(6.1m)以外；⑥開始檢測，X射線機(jī)發(fā)射X射線，X射線穿過試件在平板探測器上實(shí)時成像；⑦通過平板探測器與工業(yè)計算機(jī)之間的無線云數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)工業(yè)計算機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時圖像采集；⑧對采集的圖像進(jìn)行歸一化灰度值分析，并給出檢測結(jié)果。

本試驗(yàn)采用XR200型X射線機(jī)對工程竹試件內(nèi)部缺陷和自攻螺釘進(jìn)行檢測，X射線機(jī)電壓為150kV，電流為2.0mA，曝光時間約為120s，工作溫度為-20～50℃。平板探測器幾何尺寸為305mm×254mm(寬×高)，分辨率為4.0lp/mm。

首先對數(shù)字化圖片上的灰度值進(jìn)行提取和歸一化處理，然后根據(jù)歸一化灰度值對工程竹試件內(nèi)部缺陷和自攻螺釘幾何尺寸、鉆入角度進(jìn)行判別。歸一化灰度值xg表達(dá)式為：

(1)

式中：x為圖片中某點(diǎn)實(shí)測灰度值；xmin為圖片中提取的最小灰度值；xmax為圖片中提取的最大灰度值。

由于X射線數(shù)字成像法對構(gòu)件實(shí)際幾何尺寸進(jìn)行了等比例放大或縮小處理，需根據(jù)測試試件幾何尺寸對數(shù)字化圖片中的試件幾何尺寸進(jìn)行標(biāo)定，然后通過相關(guān)數(shù)據(jù)換算得到內(nèi)部缺陷和自攻螺釘幾何尺寸、鉆入角度。

2 檢測結(jié)果

X射線數(shù)字成像法檢測結(jié)果如圖3～6所示。由圖3a，3b可知，沿膠合竹長度方向進(jìn)行檢測時，缺陷區(qū)域與完好區(qū)域歸一化灰度值存在明顯差異，缺陷區(qū)域歸一化灰度值接近于1.0，完好區(qū)域歸一化灰度值基本<0.45。由圖3c，3d可知，沿膠合竹寬度方向進(jìn)行檢測時，缺陷區(qū)域歸一化灰度值接近于1.0，完好區(qū)域歸一化灰度值基本<0.45，缺陷區(qū)域與完好區(qū)域歸一化灰度值差異程度雖低于沿試件長度進(jìn)行檢測時，但基本可確定缺陷區(qū)域與完好區(qū)域分界面。

圖3 試件J1檢測結(jié)果

圖4 試件C1檢測結(jié)果

圖5 試件J2檢測結(jié)果

圖6 試件C2檢測結(jié)果

由圖4可知，沿重組竹長度和寬度方向進(jìn)行檢測時，缺陷區(qū)域與完好區(qū)域歸一化灰度值存在明顯差異，缺陷區(qū)域歸一化灰度值接近于1.0，完好區(qū)域歸一化灰度值基本<0.60。由此可見，X射線數(shù)字成像法對于重組竹內(nèi)部缺陷檢測具有較好的精度。

由圖5，6可知，膠合竹和重組竹試件中自攻螺釘歸一化灰度值基本<0.20，這與無自攻螺釘區(qū)域的歸一化灰度值(基本>0.40)存在明顯差異，且該差異不隨自攻螺釘直徑變化；歸一化灰度值<0.20的區(qū)域沿x軸的寬度隨自攻螺釘直徑的增加而增加。

為進(jìn)一步驗(yàn)證X射線數(shù)字成像法檢測工程竹試件內(nèi)部缺陷和自攻螺釘?shù)木?，對試件?nèi)部缺陷和自攻螺釘參數(shù)設(shè)定值與X射線數(shù)字成像法檢測值進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 試件內(nèi)部缺陷和自攻螺釘參數(shù)設(shè)定值與檢測值對比結(jié)果

由表1可知，X射線數(shù)字成像法對工程竹試件內(nèi)部缺陷幾何尺寸，自攻螺釘鉆入深度、直徑、間距均有較好的檢測精度，檢測誤差絕對值平均值為6.5%，最大誤差絕對值為17.6%，符合工程檢測精度要求。

對工程竹試件自攻螺釘鉆入角度設(shè)定值與檢測值進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 工程竹試件自攻螺釘鉆入角度設(shè)定值與檢測值對比結(jié)果

由表2可知，X射線數(shù)字成像法對自攻螺釘鉆入角度的檢測誤差絕對值平均值為2.8%，最大誤差絕對值為3.5%，具有較好的檢測精度。

3 結(jié)語

1)膠合竹缺陷區(qū)域歸一化灰度值接近1.0，完好區(qū)域歸一化灰度值基本<0.45。重組竹缺陷區(qū)域歸一化灰度值接近1.0，完好區(qū)域歸一化灰度值基本<0.60。膠合竹、重組竹內(nèi)部缺陷區(qū)域和完好區(qū)域分界面基本可確定。

2)膠合竹和重組竹試件自攻螺釘歸一化灰度值基本<0.20，這與無自攻螺釘區(qū)域的歸一化灰度值(基本>0.40)存在明顯差異，且該差異不隨自攻螺釘直徑變化；歸一化灰度值<0.20的區(qū)域沿x軸的寬度隨自攻螺釘直徑的增加而增加。

3)X射線數(shù)字成像法對工程竹試件內(nèi)部缺陷和自攻螺釘參數(shù)檢測誤差絕對值平均值為6.5%，最大誤差絕對值為17.6%，符合工程檢測精度要求。

4)本文研究成果可為工程竹結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和金屬連接件施工質(zhì)量檢測提供技術(shù)支撐。本研究中工程竹試件內(nèi)部缺陷為預(yù)先設(shè)置的空洞，后續(xù)需進(jìn)行腐朽和蟲蛀等缺陷的X射線數(shù)字成像法檢測研究，進(jìn)一步明確X射線數(shù)字成像法對工程竹結(jié)構(gòu)缺陷檢測的有效性和可靠性。