一种基于超声波的榫卯节点内部尺寸检测方法

本发明涉及土木建设结构工程领域，尤其是涉及一种基于超声波的榫卯节点内部尺寸检测方法。

背景技术：

木结构是我国主要的传统建筑结构之一，留存至今的传统木结构建筑仍有不少，其大多成为历史保护建筑。随着时间的推移，传统木结构会出现结构性能退化等一系列问题，因此加强对传统木结构的检测、鉴定和加固是十分有必要的。

传统木结构一般由木梁和木柱通过榫卯节点相连接。许多研究表明，榫卯节点是木结构的关键部位，一方面榫卯节点能够传递剪力和弯矩，另一方面榫卯节点在地震中有利于结构的减震耗能。但在实际检测的过程中，由于榫卯节点具有一定的隐蔽性，其内部尺寸难以获得，因而常常被忽略。这对节点乃至整个结构的整体评估具有一定的影响。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于超声波的榫卯节点内部尺寸检测方法，该方法克服了传统检测方法的局限性，对原结构没有损伤，保留建筑原貌，操作简便，合理可靠。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于超声波的榫卯节点内部尺寸检测方法，用于测梁柱榫卯节点内部尺寸的检测，该方法首先利用超声波检测仪探头向榫卯节点发射超声波并接收反射信号，再根据反射信号的波形变化和反射时间间隔，确定榫卯节点的内部尺寸。

进一步地，该方法在梁柱榫卯节点处设置不同的测点位置组合，所述的超声波检测仪探头通过向不同的测点位置组合发射超声波，分别实现对榫头长度方向尺寸、宽度方向尺寸和高度方向尺寸的检测。

更进一步地，进行榫头长度方向尺寸的检测时，所述的测点位置组合包括排列成一条直线的第一测点位置、第二测点位置和第三测点位置；

进行榫头宽度方向尺寸的检测时，所述的测点位置组合包括排列成一个正方形的第四测点位置、第五测点位置、第六测点位置和第七测点位置；

进行榫头高度方向尺寸的检测时，所述的测点位置组合包括一条竖向扫查线。

更进一步地，所述的榫头长度方向尺寸的检测具体包括以下步骤：

11)在梁柱榫卯节点的木柱侧表面设置第一测点位置，所述的第一测点位置为榫卯节点的中心位置；

12)将第一测点位置分别向上和向下偏移设定距离，得到第二测点位置和第三测点位置；

13)利用超声波检测仪探头依次对第一测点位置、第二测点位置和第三测点位置发射超声波；

14)根据第一测点位置、第二测点位置和第三测点位置反射的反射信号的波形变化和反射时间间隔，确定榫卯节点长度方向连接界面的位置，获取榫头长度方向的尺寸。

更进一步优选地，所述的第一测点位置、第二测点位置和第三测点位置之间间隔距离的范围为30mm～50mm。

更进一步地，所述的榫头宽度方向尺寸的检测具体包括以下步骤：

21)在梁柱榫卯节点的木柱外表面分别设置第四测点位置、第五测点位置、第六测点位置和第七测点位置；

22)利用超声波检测仪探头依次对第四测点位置、第五测点位置、第六测点位置和第七测点位置发射超声波；

23)根据第四测点位置、第五测点位置、第六测点位置和第七测点位置反射的反射信号的波形变化和反射时间间隔，计算出梁端峰值点间的距离，获取榫头宽度方向的尺寸。

更进一步地，所述的步骤22)中，超声波经过的顺序为：由木柱横纹径向到梁榫头横纹弦向，再回到木柱横纹径向。

更进一步优选地，所述的第四测点位置、第五测点位置、第六测点位置和第七测点位置排列形成的正方形的边长为50mm。

更进一步地，所述的榫头高度方向尺寸的检测具体包括以下步骤：

31)根据测得的榫头宽度方向尺寸，在宽度方向尺寸范围内在梁柱榫卯节点的木柱外表面设置一条竖向扫查线；

32)利用超声波检测仪探头沿竖向扫查线发射超声波；

33)根据竖向扫查线反射的反射信号，获取榫头高度方向的尺寸。

更进一步地，所述的步骤33)具体包括：

331)根据竖向扫查线反射的反射信号，以竖向扫查线为坐标轴建立声波传播时间或距离的图像；

332)根据图像上波形变化的起点和终点，确定榫头上下边界的距离，，获取榫头高度方向的尺寸。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明利用超声波无损检测方法，将其运用到榫卯节点内部尺寸的确定，对原结构几乎无损害，操作简便，成熟可靠，可以为既有木结构的检测、鉴定、维护、加固提供一些参考依据，在历史建筑、古建筑中具有较为广阔的使用前景；

2)本发明通过在梁柱榫卯节点处设置不同的测点位置组合，分别实现对榫头长度方向尺寸、宽度方向尺寸和高度方向尺寸的检测，对榫卯节点各个维度的尺寸都能够实现很好的检测，检测全面、准确性高。

附图说明

图1是本发明侧梁柱榫卯节点的结构示意图。

图2是榫卯节点尺寸长度方向检测示意图。

图3是榫卯节点尺寸宽度方向检测示意图。

图4是榫卯节点尺寸高度方向检测示意图。

1、第一测点位置，2、第二测点位置，3、第三测点位置3，4、第四测点位置，5、第五测点位置，6、第六测点位置，7、第七测点位置，8、竖向扫查线，9、超声波检测仪探头，10、木柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-图4所示，本发明公开了一种基于超声波的榫卯节点内部尺寸检测方法，用于测梁柱榫卯节点内部尺寸的检测，该方法首先利用超声波检测仪探头9向榫卯节点发射超声波并接收反射信号，再根据反射信号的波形变化和反射时间间隔，确定榫卯节点的内部尺寸。

该方法在梁柱榫卯节点处设置不同的测点位置组合，超声波检测仪探头9通过向不同的测点位置组合发射超声波，分别实现对榫头长度方向尺寸、宽度方向尺寸和高度方向尺寸的检测。

在超声波检测仪使用前应根据实际需要选择合适的探头和设备，测量之前还应进行仪器的校准和试用。

如图2所示，进行榫头长度方向尺寸的检测时，测点位置组合包括排列成一条直线的第一测点位置1、第二测点位置2和第三测点位置3，检测过程如下：

首先根据结构实际情况，在待测木构架梁柱榫卯节点的木柱10侧表面确定第一测点位置1，第一测点位置1为节点中心位置。在第一测点位置1处采用超声波检测仪探头9发射超声波，并接收反射的电信号，电信号经检测仪处理后以特定的波形显示于屏幕上。声波遇到榫卯节点接触缝隙其幅度和反射时间会发生变化，因此可以通过波形的变化与时间间隔来确定榫卯节点连接界面的位置。

然后将第一测点位置1分别向上、下偏移30mm～50mm的距离，得到第二测点位置2和第三测点位置3，按照上面第一测点位置1的方式重新测试，多次检测取平均值以减小测量误差，最终可以确定榫头长度方向的尺。

具体步骤包括：

11)在梁柱榫卯节点的木柱10侧表面设置第一测点位置1，第一测点位置1为榫卯节点的中心位置；

12)将第一测点位置1分别向上和向下偏移设定距离，得到第二测点位置2和第三测点位置3；

13)利用超声波检测仪探头9依次对第一测点位置1、第二测点位置2和第三测点位置3发射超声波；

14)根据第一测点位置1、第二测点位置2和第三测点位置3反射的反射信号的波形变化和反射时间间隔，确定榫卯节点长度方向连接界面的位置，获取榫头长度方向的尺寸。

如图3所示，进行榫头宽度方向尺寸的检测时，测点位置组合包括排列成一个正方形的第四测点位置4、第五测点位置5、第六测点位置6和第七测点位置7，检测过程如下：

根据结构实际情况，在待测木构架梁柱榫卯节点的木柱10外表面确定合适的第四测点位置4、第五测点位置5、第六测点位置6和第七测点位置7，第四测点位置4、第五测点位置5、第六测点位置6和第七测点位置7四个点形成一个边长约为50mm的正方形。在第四测点位置4、第五测点位置5、第六测点位置6和第七测点位置7处采用超声波检测仪探头9发射超声波，并接收反射的电信号，电信号经检测仪处理后以特定的波形显示于屏幕上。声波经过的顺序为：木柱10横纹径向——梁榫头横纹弦向——木柱10横纹径向，根据波形的变化，计算出梁端峰值点间的距离，即为榫头宽度。

具体步骤包括：

21)在梁柱榫卯节点的木柱10外表面分别设置第四测点位置4、第五测点位置5、第六测点位置6和第七测点位置7；

22)利用超声波检测仪探头9依次对第四测点位置4、第五测点位置5、第六测点位置6和第七测点位置7发射超声波；

23)根据第四测点位置4、第五测点位置5、第六测点位置6和第七测点位置7反射的反射信号的波形变化和反射时间间隔，计算出梁端峰值点间的距离，获取榫头宽度方向的尺寸。

如图4所示，进行榫头高度方向尺寸的检测时，测点位置组合包括一条竖向扫查线8，检测过程如下：

根据结构实际情况，在进行榫头宽度方向尺寸检测的基础上，在待测木构架梁柱榫卯节点的木柱10外表面确定合适的竖向扫查线8，以竖向扫查线8为坐标轴建立声波传播时间或距离的图像，根据图像上波形变化的起点和终点确定榫头上下边界的距离，从而确定榫头高度。

具体步骤包括：

31)根据测得的榫头宽度方向尺寸，在宽度方向尺寸范围内在梁柱榫卯节点的木柱10外表面设置一条竖向扫查线8；

32)利用超声波检测仪探头9沿竖向扫查线8发射超声波；

33)根据竖向扫查线8反射的反射信号，获取榫头高度方向的尺寸，具体为：

331)根据竖向扫查线8反射的反射信号，以竖向扫查线8为坐标轴建立声波传播时间或距离的图像；

332)根据图像上波形变化的起点和终点，确定榫头上下边界的距离，，获取榫头高度方向的尺寸。

本发明的原理是通过超声波检测仪对被测物体发射一持续时间很短的电脉冲，激励探头发射脉冲超声波，并接受反射回来的脉冲波信号，通过检测信号返回的时间和幅度判断截面的位置，从而确定榫卯节点的内部尺寸。

本发明方法克服了传统检测方法的局限性，对原结构没有损伤，保留建筑原貌，操作简便，合理可靠，可以为既有木结构的检测、鉴定、维护、加固提供一些参考依据，在历史建筑、古建筑中具有较为广阔的使用前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。