张 辉，王明谦，许清风，陈 溪，冷予冰，陈玲珠

(上海市建筑科学研究院有限公司，上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

0 引言

随着我国“双碳”战略目标的持续推进，建筑行业节能减排受到了广泛关注。竹材是低碳、环保和可再生的建筑材料，我国具有丰富的竹林资源[1]，且拥有悠久的竹文化历史传统，因此大力推广竹结构建筑具有重要意义。近年来，随着制造加工技术的不断完善，以胶合竹和重组竹为代表的工程竹结构逐渐在建筑领域得到应用[2-3]。

目前，国内外针对工程竹构件和节点力学性能的研究已取得丰硕成果。冷予冰等[4]开展了胶合竹和重组竹梁受弯性能试验研究，发现工程竹梁受力性能明显优于同尺寸胶合木梁。Li等[5-6]开展了胶合竹柱轴心受压试验和数值模拟分析，并确定了此类构件的破坏模式，建立了极限承载力计算方法。Leng等[7-8]开展了胶合竹和重组竹梁柱螺栓连接节点弯剪受力性能试验研究，确定了此类节点的破坏模式，并建立了节点承载力计算方法。Xu等[9]通过试验研究确定了胶合竹钢填板螺栓连接节点抗劈裂承载力，并建立了节点抗劈裂承载力计算方法。

工程竹结构检测技术对其质量控制和安全性鉴定具有重要意义，但目前该领域的研究成果相对有限。周先雁等[10]采用超声波法和冲击回波法检测了竹质工程材试件动弹性模量，通过回归分析建立了动弹性模量与静弹性模量之间的关系。许琪[11]开展了基于超声波技术的重组竹力学性能参数预测方法研究，发现结合动弹性模量和密度可较好地预测重组竹抗压强度。冷予冰等[12]开展了基于钻入阻抗法的胶合竹缺陷检测研究，发现胶合竹裂缝、螺孔和柱槽处阻力值明显低于完好部位。王明谦等[2]开展了基于探地雷达的工程竹缺陷检测研究，发现柱槽、螺孔和长方体缺陷部位电磁波幅值与完好部位差异较大，可用于工程竹缺陷判别。

X射线数字成像法已在钢结构和混凝土结构内部缺陷检测中得到广泛应用，并取得良好效果[13-14]。本文采用X射线数字成像法进行工程竹结构内部缺陷和金属件检测研究，为《工程竹结构检测技术标准》的编制提供技术依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计并制作4个工程竹试件，各试件几何尺寸如图1所示。其中，J1为含有内部缺陷的胶合竹试件，尺寸为250mm×180mm×200mm(长×宽×高)，内部居中设置边长为75mm的正方形缺陷，缺陷高度与试件高度相同。J2为含有自攻螺钉的胶合竹试件，尺寸为400mm×100mm×200mm(长×宽×高)，φ6,φ8自攻螺钉钻入试件长度为180mm，φ10自攻螺钉钻入试件长度为115mm，φ6,φ8自攻螺钉间距为64mm，φ8,φ10自攻螺钉间距为75mm。C1为含有内部缺陷的重组竹试件，尺寸为250mm×180mm×200mm(长×宽×高)，内部居中设置边长为75mm的正方形缺陷，缺陷高度与试件高度相同。C2为含有自攻螺钉的重组竹试件，尺寸为400mm×100mm×200mm(长×宽×高)，φ6,φ8,φ10自攻螺钉钻入试件长度均为180mm，φ6,φ8自攻螺钉间距为85mm，φ8,φ10自攻螺钉间距为91mm。

图1 试件几何尺寸

将自攻螺钉垂直钻入工程竹试件中，为消除自攻螺钉螺帽对X射线机拍照的影响，且便于运输，试件加工完成后将所有自攻螺钉螺帽去除。

胶合竹实测密度为669kg/m3，含水率为7.4%，抗弯弹性模量为13 180MPa，抗弯强度为128.6MPa。重组竹实测密度为1 140kg/m3，含水率为9.8%，抗弯弹性模量为15 300MPa，抗弯强度为128.6MPa。

1.2 试验方法

X射线数字成像法检测工程竹结构缺陷原理如图2所示，具体检测步骤如下：①平板探测器就位，并将其置于工程竹试件一侧，紧贴试件表面；②X射线机就位，并将其置于试件的另一侧；③将X射线机与中央控制器相连；④根据事先试验确定的数值，通过中央控制器设置电压、电流、曝光时间及X射线机延迟开启时间；⑤现场所有检测人员退至安全距离(6.1m)以外；⑥开始检测，X射线机发射X射线，X射线穿过试件在平板探测器上实时成像；⑦通过平板探测器与工业计算机之间的无线云数据传输，实现工业计算机远程实时图像采集；⑧对采集的图像进行归一化灰度值分析，并给出检测结果。

本试验采用XR200型X射线机对工程竹试件内部缺陷和自攻螺钉进行检测，X射线机电压为150kV，电流为2.0mA，曝光时间约为120s，工作温度为-20～50℃。平板探测器几何尺寸为305mm×254mm(宽×高)，分辨率为4.0lp/mm。

首先对数字化图片上的灰度值进行提取和归一化处理，然后根据归一化灰度值对工程竹试件内部缺陷和自攻螺钉几何尺寸、钻入角度进行判别。归一化灰度值xg表达式为：

(1)

式中：x为图片中某点实测灰度值；xmin为图片中提取的最小灰度值；xmax为图片中提取的最大灰度值。

由于X射线数字成像法对构件实际几何尺寸进行了等比例放大或缩小处理，需根据测试试件几何尺寸对数字化图片中的试件几何尺寸进行标定，然后通过相关数据换算得到内部缺陷和自攻螺钉几何尺寸、钻入角度。

2 检测结果

X射线数字成像法检测结果如图3～6所示。由图3a，3b可知，沿胶合竹长度方向进行检测时，缺陷区域与完好区域归一化灰度值存在明显差异，缺陷区域归一化灰度值接近于1.0，完好区域归一化灰度值基本<0.45。由图3c，3d可知，沿胶合竹宽度方向进行检测时，缺陷区域归一化灰度值接近于1.0，完好区域归一化灰度值基本<0.45，缺陷区域与完好区域归一化灰度值差异程度虽低于沿试件长度进行检测时，但基本可确定缺陷区域与完好区域分界面。

图3 试件J1检测结果

图4 试件C1检测结果

图5 试件J2检测结果

图6 试件C2检测结果

由图4可知，沿重组竹长度和宽度方向进行检测时，缺陷区域与完好区域归一化灰度值存在明显差异，缺陷区域归一化灰度值接近于1.0，完好区域归一化灰度值基本<0.60。由此可见，X射线数字成像法对于重组竹内部缺陷检测具有较好的精度。

由图5，6可知，胶合竹和重组竹试件中自攻螺钉归一化灰度值基本<0.20，这与无自攻螺钉区域的归一化灰度值(基本>0.40)存在明显差异，且该差异不随自攻螺钉直径变化；归一化灰度值<0.20的区域沿x轴的宽度随自攻螺钉直径的增加而增加。

为进一步验证X射线数字成像法检测工程竹试件内部缺陷和自攻螺钉的精度，对试件内部缺陷和自攻螺钉参数设定值与X射线数字成像法检测值进行对比，结果如表1所示。

表1 试件内部缺陷和自攻螺钉参数设定值与检测值对比结果

由表1可知，X射线数字成像法对工程竹试件内部缺陷几何尺寸，自攻螺钉钻入深度、直径、间距均有较好的检测精度，检测误差绝对值平均值为6.5%，最大误差绝对值为17.6%，符合工程检测精度要求。

对工程竹试件自攻螺钉钻入角度设定值与检测值进行对比，结果如表2所示。

表2 工程竹试件自攻螺钉钻入角度设定值与检测值对比结果

由表2可知，X射线数字成像法对自攻螺钉钻入角度的检测误差绝对值平均值为2.8%，最大误差绝对值为3.5%，具有较好的检测精度。

3 结语

1)胶合竹缺陷区域归一化灰度值接近1.0，完好区域归一化灰度值基本<0.45。重组竹缺陷区域归一化灰度值接近1.0，完好区域归一化灰度值基本<0.60。胶合竹、重组竹内部缺陷区域和完好区域分界面基本可确定。

2)胶合竹和重组竹试件自攻螺钉归一化灰度值基本<0.20，这与无自攻螺钉区域的归一化灰度值(基本>0.40)存在明显差异，且该差异不随自攻螺钉直径变化；归一化灰度值<0.20的区域沿x轴的宽度随自攻螺钉直径的增加而增加。

3)X射线数字成像法对工程竹试件内部缺陷和自攻螺钉参数检测误差绝对值平均值为6.5%，最大误差绝对值为17.6%，符合工程检测精度要求。

4)本文研究成果可为工程竹结构内部缺陷和金属连接件施工质量检测提供技术支撑。本研究中工程竹试件内部缺陷为预先设置的空洞，后续需进行腐朽和虫蛀等缺陷的X射线数字成像法检测研究，进一步明确X射线数字成像法对工程竹结构缺陷检测的有效性和可靠性。