基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测.pdf
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1、DOI:10.12171/j.10001522.20230307基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测王皓宇1,2彭林1,2张厚江1,2雷智勋1,2王辉3张典3唐家英3管成1,2(1.北京林业大学工学院,北京100083;2.北京林业大学木材无损检测国际联合研究所,北京100083;3.故宫博物院,北京100001)摘要:【目的】墙内暗柱是木结构古建筑的重要承重构件之一,因其处于潮湿和缺乏通风的环境,故多存在腐朽及由严重腐朽导致的材料缺失等缺陷,容易失去原有的承载能力和稳定性。墙内暗柱自身构造导致现有的检测手段受限,易造成不可逆的损坏。故本研究基于红外热成像原理开展墙内暗柱材料缺失缺陷检测
2、理论与试验研究,以期为基于红外热成像的墙内暗柱缺陷状况无损检查方法的建立奠定部分前期基础。【方法】首先,从理论角度探讨古建筑墙内暗柱传热过程,推导稳态下木柱区域与纯墙体区域的温度公式,分析影响木柱材料缺失缺陷区域温度变化的因素;然后,建立试验模型,进行墙内暗柱缺陷红外检查试验,采集红外图像;最后,通过分析所获得的红外热图,探讨墙内暗柱材料缺失缺陷大小与墙体表面温度分布之间的关系。【结果】(1)理论研究表明:由于木材的横向导热系数远小于墙体导热系数,加热面加热温度相同的情况下,木柱墙体外表面所对应的温度偏低;墙内暗柱的检测效果主要受到缺陷尺寸,即缺陷高度、缺陷深度的影响。(2)试验结果表明:在稳
3、态热传导下,木柱处的墙体外表面温度要低于纯墙体,即木柱处红外图像的颜色更浅;木柱缺陷的存在会使缺陷处墙体表面温度变高,红外图像颜色变深;木柱缺陷高度越大,缺陷导致的高温范围越大;木柱缺陷深度越大,缺陷区域温度值越高。(3)在非稳态热传导下,木柱中线温差分别与木柱缺陷高度(R20.964)、深度(R20.951)呈极强的正相关。(4)在木柱缺陷较小的情况下,墙体表面温度不因缺陷的存在而发生明显改变。【结论】木柱的缺陷高度与深度是影响缺陷红外热成像检测效果的主要因素,红外热成像法应用于古建筑墙内暗柱材料缺失缺陷的筛查与评估是可行的。关键词:古建筑;墙内暗柱;缺陷;红外热成像;无损检测中图分类号:T
4、U366.2;TN29文献标志码:A文章编号:10001522(2024)03013213引文格式:王皓宇,彭林,张厚江,等.基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测 J.北京林业大学学报,2024,46(3):132144.WangHaoyu,PengLin,ZhangHoujiang,etal.Materialdeficiencytestoffully-concealedwoodcolumninwallsofancientbuildingsbasedoninfraredthermalimagingJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2024,46(3
5、):132144.Material deficiency test of fully-concealed wood column in walls of ancientbuildings based on infrared thermal imagingWangHaoyu1,2PengLin1,2ZhangHoujiang1,2LeiZhixun1,2WangHui3ZhangDian3TangJiaying3GuanCheng1,2(1.SchoolofTechnology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;2.JointIntern
6、ationalResearchInstituteofWoodNondestructiveTestingandEvaluation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;3.ThePalaceMuseum,Beijing100001,China)Abstract:ObjectiveFully-concealedwoodcolumnisoneoftheimportantload-bearingcomponentsofancientwoodbuildings.Duetoitshumidityandlackofventilation,itoften
7、hasdefectssuchasdecayandmaterialdeficiencycausedbyseriousdecay,anditiseasytolosetheoriginalcarryingcapacityandstability.Thestructureoffully-concealedwoodcolumninwallsmakestheexistingdetectionmethodslimitedand收稿日期:20231106修回日期:20240104基金项目:故宫博物院科研项目(201909012)。第一作者:王皓宇。主要研究方向:木材无损检测。Email:地址:100083北京
8、市海淀区清华东路35号北京林业大学工学院。责任作者:张厚江,教授,博士生导师。主要研究方向:木材无损检测。Email:地址:同上。本刊网址:http:/;http:/第46卷第3期北京林业大学学报Vol.46,No.32024年3月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYMar.,2024easytocauseirreversibledamage.Therefore,basedontheprincipleofinfraredthermalimaging,thisstudycarriedouttheoreticalandexperimentalresearchonth
9、edetectionofmaterialdeficiencyoffully-concealedwoodcolumninwalls,inordertolayapartofthepreliminaryfoundationforthefinalestablishmentofthenon-destructive inspection method of fully-concealed wood column defects in walls based on infraredthermalimaging.MethodFirstly,theheattransferprocessoffully-conce
10、aledwoodcolumninwallsofancientbuildingswasdiscussedfromthetheoreticalpointofview,andthetemperatureformulaofthewoodcolumnareaandthepurewallareaundersteadystatewasdeduced,andthefactorsaffectingthetemperaturechangeinthematerialdeficiencydefectareaofthewoodcolumnwereanalyzed.Then,thetestmodelwasestablis
11、hed,andtheinfraredinspectiontestoffully-concealedwoodcolumninwallswascarriedouttocollect the infrared image.Finally,by analyzing the infrared heat map,we discussed the relationshipbetweenthematerialdeficiencydefectsizeoffully-concealedwoodcolumninwallsandthetemperaturedistributionofthewallsurface.Re
12、sult(1)Thetheoreticalresearchshowedthatthetransversethermalconductivityofwoodwasmuchsmallerthanthatofthewall,andthetemperaturecorrespondingtotheoutersurface of the wood column wall was lower given the same heating temperature on the surface.Thedetectioneffectofthefully-concealedwoodcolumnsinthedetec
13、tionwallwasmainlyaffectedbythedefectsize,i.e.,thedefectheightandthedefectdepth.(2)Thetestresultsshowedthatundertheconditionofsteadyheatconduction,theexternalsurfacetemperatureofthewallatthewoodcolumnwaslowerthanthatofthepurewall,i.e,thecoloroftheinfraredimageattheformerwaslighter.Thesurfacetemperatu
14、reofthewallbecamehigherandthecoloroftheinfraredimagebecamedarker.Thehigherthedefectheightwas,thegreatertherangeofhightemperaturecausedbydefectswas.Thehigherthedefectdepthwas,thehigherthetemperatureinthedefectareawas.(3)Inthecaseofunsteadyheatconduction,thetemperaturedifferenceinthemiddlelineofthewoo
15、dcolumnshowedastrongpositivecorrelationwiththeheight(R20.964)anddepth(R20.951)ofwoodcolumndefects.(4)Inthecaseofsmallwoodcolumndefects,thesurfacetemperatureofthewalldidntchangesignificantlyduetotheexistenceofdefects.ConclusionTheheightanddepthofdefectsoffully-concealedwoodcolumnarethemainfactorsaffe
16、ctingthedetectioneffectofdefectsbyinfraredthermalimaging.Itispossibletouseinfraredthermalimagingmethodtoscreenandevaluatethematerialdeficiencydefectoffully-concealedwoodcolumninwallsofancientbuildings.Key words:ancientarchitecture;fully-concealedwoodcolumninwalls;defect;infraredthermalimaging;nondes
17、tructivetesting中国木结构古建筑是人类文明长河中最悠久持续的传统建筑之一,其体系的完备和规范无与伦比,堪称中华文化瑰宝中的璀璨明珠1。木柱是木结构古建筑的关键承重构件之一,支撑着建筑顶部的全部重量。古建筑木柱根据其与墙体间的位置关系,可分为露明柱、半露明柱和墙内暗柱 3 类2。其中,墙内暗柱是指完全被墙体包裹的木柱,因其根部处于易潮湿和缺乏通风的环境,易产生腐朽及由严重腐朽导致的材料缺失等缺陷。这些缺陷会使木柱丧失原有的承重能力,给整个古建筑的安全带来隐患。为了检测古建筑木柱内部以及被墙体遮挡处的缺陷,往往需要采用无损检测技术,这类非破坏式检测可在尽量保持材料和结构完整的前提下,
18、利用现代物理手段和仪器对其缺陷情况以及物理力学性能进行检测与分析34。根据 T/CECS7142020古建筑木结构检测标准5和 DB11/T1190.12015古建筑结构安全性鉴定技术规范第一部分6,目前用于检测古建筑木柱缺陷的方法主要有微钻阻力法和应力波法等。陈勇平等7通过分析微钻阻力曲线的轮廓和走势,实现了对瓜棱柱露明柱内部结构的精确探测,从而推断出早期和后期瓜棱柱维修的差异。段新芳等8采用应力波测定仪 FAKOPP 对塔尔寺大金瓦殿部分木构件中的木柱进行了检测,结果表明应力波技术可以判断和测量木构件内部的缺陷情况和力学强度。张典等2、于永柱等9对故宫养心殿墙体木柱(半露明柱和墙内暗柱)缺
19、陷状况进行了无损检测研究,对半露明柱的检查充分利用了木柱外露表面提供的仪器操作空间,而墙内暗柱利用透风墙体的通风口拆除部分砖块形成的拆口,作为仪器操作空间进行检查,并利用有限元进行了安全性分析。Kandemir-Yucel 等10利用超声波速测量技术与其他技术结合对土耳其清真寺中的木结构进行无损第3期王皓宇等:基于红外热成像的古建筑墙内暗柱材料缺失检测133检测,评估包括木柱在内的结构木构件的保存状态、潮湿情况与修复情况。到目前为止,古建筑木柱无损检查研究和应用多针对的是露明柱和半露明柱,而对墙内暗柱缺陷状况检测相对很少,且往往需要利用墙内暗柱透风口并拆除部分砖块形成的拆口进行检测。这种墙内暗
20、柱检查方式在一定程度上会破坏古建筑原有结构与形貌,且由于仪器无法全面铺开,存在检测死角,检测效果并不理想。因此,亟需一种不破坏古建筑结构的墙内暗柱无损检查方法。红外热成像技术利用物体会按照温度辐射不同波长电磁波的原理,将检测物体发出的红外辐射转换为可视化温度场,实现对物体的缺陷测量11。有研究者将红外热成像技术应用到墙壁外保温层的热工缺陷、表面开裂和墙面间空鼓等的检测中。Grinzato 等12通过热像仪记录温度的空间分布与时间演变过程,基于最合适的局部热参数对数据进行处理,以检测出墙体的缺陷分布,但无法检测具有较低热信号特征的缺陷。Tavukuolu 等13将红外热成像技术与超声波相结合,有
21、效地检测了历史砌体的裂缝,并区分裂缝深度,但需要对区域进行连续热监测,以升温速率判断深度。Afshani 等14基于被动热成像检测损伤的混凝土结构中的缺陷,解释了由于传导、对流和辐射机制引起的混凝土管片、隧道空气和空隙内部空气中的热量传递,并分析了空洞类型、温差和空洞深度对检测精度的影响。Martnez 等15利用被动红外热成像技术评估西班牙马德里木质屋顶建筑的缺陷情况,证明该技术可以检测热变化的缺陷,但环境因素与检测时间会影响热检测的效果,且没有进行主动热成像的缺陷检测研究。本研究团队针对古建筑墙内暗柱缺陷状况检测困难的问题,基于红外热成像无损检测技术开展了相关研究。首先,从理论上分析墙体与
22、木柱传热机理,以及缺陷参数对热传导的影响;然后,建立试验模型,进行墙内暗柱材料缺失红外检查试验,采集红外图像;最后,通过分析获得的红外热图,探讨墙内暗柱缺陷大小与墙体表面温度分布之间的关系。以期为基于红外热成像的墙内暗柱缺陷状况的材料缺失无损检测方法的建立,奠定部分前期基础。1热成像检测理论基础1.1 红外热成像检测原理因为墙内暗柱根部最易腐朽,所以按照外表面垂直剖面介质的不同,将古建筑墙内暗柱观测面分为 3 个部分:纯墙体区域 P1、完整木柱区域 P2、缺陷木柱区域 P3(图 1)。本研究模拟冬季暖气等加热设备加热室内墙体的环境,近似认为加热设备给墙面施加均匀稳定的热。此时室内的墙体表面靠近
23、热源,被定义为内表面,远离热源的室外墙体表面被定义为外表面。当 P3 区域木柱出现缺陷缺失时,热量辐射到墙壁内表面并传热至观测面(外表面),导致观测面上 P1、P2、P3 区域的温度存在一定差异,从而产生不同的红外表征,红外热像仪利用这种辐射差异,在形成的红外热图上出现其相对应的“热区”和“冷区”。因此,可以通过红外热像图红外表征分析古建筑墙内暗柱缺陷情况。热量Quantity of heatZXY内表面Inner surface木柱墙体WallP1P2P1P3外表面Outer surfaceWood columnP1.纯墙体区域Purewallarea;P2.完整木柱区域Completewo
24、odcolumnarea;P3.缺陷木柱区域Defectivewoodcolumnarea图1墙内暗柱观测区域划分Fig.1Divisionofobservationareaoffully-concealedwoodcolumninwalls1.2 传热机理1.2.1墙体与木柱传热机理以 Y-Z 平面为剖面剖切墙体,图 2a 为 P1 区域单层砖墙体导热16示意图,其两个表面分别维持在均匀且恒定的温度 T0、T1中,图 2b 为 P2 区域 3 层导热示意图,第一层和第三层为砖墙体,第二层为木柱,两个表面分别维持在均匀且恒定的温度 T0、T3中。该导热问题的数学描述为d2Tdx2=0(1)式中
25、:T 为温度,;x 为表示长度的横坐标,m。将式(1)连续积分两次,并将边界条件 x=0,T=T0和x=d(墙体厚度),T=T1分别代入其中,可得出温度分布。T=T1T0 x+T0(2)因为、T0、T1为定值,所以温度呈线性分布,即温度分布曲线的斜率是常数。dTdx=T1T0(3)对于表面积为 A(m2),两侧表面各自维持均匀温度的墙壁,将式(3)代入傅里叶定律的表达式可得134北京林业大学学报第46卷q=A=dTdx(4)式中:q 为热流密度,W/m2;为热流量,W;为导热系数,W/(m)。R 为单位面积热阻,m2/W,它表示热量传递过程中的阻力,热阻越小则单位面积热流量越大。R=Txq=(
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