CN112432861A - 一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，将钢筋混凝土梁作为实验对象，采集构件在四点弯曲分级加载作用下的声发射信号，直至混凝土材料碎裂，得到声发射能量参数时程图与加载曲线；结合钢筋混凝土梁破坏过程的损伤发展特征和声发射能量参数的特点，提取10ms声发射能量突变时刻对应的信号波形；选择sym8小波基函数，通过数值模拟的方法确定分解层数，对缺陷信号波形进行基于Rigrsure软阈值的小波降噪；选取IMF分量信号，计算信号的归一化能量向量；选择归一化能量向量中能量占比较大的几阶IMF分量快速傅里叶变换，得到IMF分量的瞬时频率。通过不同声发射信号中IMF分量的瞬时频率范围，从而判断钢筋混凝土梁构件内部损伤状态。

Description

一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，属于材料损伤检测技术领域。

背景技术

钢筋混凝土结构兼具钢筋与混凝土的优势，具有强度高、刚度大、造价低等特点，广泛应用于土木、水利等行业。随着这一系列相关行业的发展，众多学者愈发重视已建钢筋混凝土建筑物的安全稳定性，尽可能准确地判断钢筋混凝土构件内部损伤程度。声发射(AE)技术作为一项动态无损检测方法，能够随时接收到混凝土开裂、钢筋滑移等应变能释放产生的弹性波，及时地存储构件开裂、破坏过程中的声发射信号用于评估结构损伤程度。波形分析法是对声发射信号的一种重要分析方法，如何利用信号的波形特征评估钢筋混凝土构件的损伤程度，仍然缺少有效、精确的手段。本发明是基于上述的背景提出的一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤评估方法，为评估钢筋混凝土构件在分级荷载作用下的内部损伤情况提供一种新的方法。

发明内容

为了解决现有技术方法的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，提取钢筋混凝土构件发生缺陷时的声发射信号波形特征，意义明确、针对性强，便于测量、可操作性强，为评估钢筋混凝土构件在分级荷载作用下的内部损伤情况提供一种新的方法。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将钢筋混凝土梁作为实验对象，采集构件在四点弯曲分级加载作用下的声发射信号，直至混凝土材料碎裂，得到声发射能量参数时程图与加载曲线；

步骤2，结合钢筋混凝土梁破坏过程的损伤发展特征和声发射能量参数的特点，提取10ms声发射能量突变时刻对应的信号波形；

步骤3，选择sym8小波基函数，通过数值模拟的方法确定分解层数，对缺陷信号波形进行基于Rigrsure软阈值的小波降噪；

步骤4，将步骤3经过小波阈值降噪后的信号进行CEEMD分解得到i个IMF分量(c₁，c₂，···，c_i)；

步骤5，选取IMF分量信号，计算信号的归一化能量向量；

步骤6，选择步骤5中归一化能量向量中能量占比较大的几阶IMF分量快速傅里叶变换，得到IMF分量的瞬时频率。通过不同声发射信号中IMF分量的瞬时频率范围，从而判断钢筋混凝土梁构件内部损伤状态。

进一步地，步骤3中对声发射能量突变时刻对应的信号波形进行小波阈值降噪的步骤如下：

步骤3.1，通过数值模拟的方法，确定利用小波基函数对信号进行2到10层小波分解，得到各层细节系数d₁,d₂,···,d_n以及第n层近似系数a_n(n为分解层数)，其中模拟信号的表达式为：

式中，A_i、a_i、t_i、f_i和m分别为第i个信号的幅值、衰减系数、峰值时刻、频率和信号总数。

步骤3.2，利用Rigrsure阈值计算规则对各层细节系数进行软阈值处理，软阈值函数表达式如下：

式中，w_j,k为小波系数，

为经过阈值量化处理后的小波系数，T为选择的阈值。

步骤3.3，确定最适合的分解层数，将最后一层的近似系数与经过Rigrsure软阈值处理后的各层细节系数重构钢筋混凝土梁构件发生缺陷时有效的声发射信号f(t)。

进一步地，步骤4中对小波降噪后信号CEEMD分解的步骤如下：

步骤4.1，重构的声发射信号f(t)中，添加一对幅值相等、符号相反的高斯白噪声，得到两个新信号：

f_i ⁺(t)＝f(t)+n_i(t) (3)

f_i ^-(t)＝f(t)-n_i(t)(4)

式中，f_i ⁺(t)、f_i ^-(t)为加入高斯白噪声后的两个新信号；n_i(t)为添加的高斯白噪声。

步骤4.2，对两个新信号f_i ⁺(t)、f_i ^-(t)进行EMD分解，分别得到两组IMF分量

以及余项

步骤4.3，进行i次步骤4.2和4.3，直至余项不能被分解。将

分量求均值得到最终的IMF分量结果，即：

假设忽略余项，得到一系列的IMF分量(c₁，c₂，···，c_i)。

进一步地，步骤5中计算信号归一化能量向量的公式如下：

I＝[E₁/E' E₂/E' … E_i/E'] (7)

式中，c_m(t)为第m阶固有模态函数分量，

用于对能量向量进行归一化处理。

进一步地，步骤6中对IMF分量快速傅里叶变换的计算公式如下：

式中，g_n为f(t)的离散频谱，|g_n|为f(t)的离散振幅频谱，arg(g_n)为f(t)的离散相位频谱。

本发明提供的基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，能够有效滤除试验过程中噪声干扰、避免IMF分量模态混叠，提取钢筋混凝土梁缺陷信号特征频率的方法，是一种计算参数物理意义明确、可操作性强的计算方法，能够实时、全面、长期、准确地评估钢筋混凝土梁损伤状态，从而为监测钢筋混凝土建筑物安全性、稳定性提供一种新的途径、方法。

附图说明

图1是本发明实施例的流程示意图；

图2是本发明实施例中钢筋混凝土梁试件尺寸及配筋图；

图3是本发明实施例中声发射传感器位置及加载位置示意图；

图4是本发明实施例中声发射能量参数时程图及加载曲线；

图5是本发明实施例中数值模拟信号各层分解重构的信号；

图6是本发明实施例中A信号前8阶IMF分量；

图7是本发明实施例中声发射信号A至J的归一化能量向量；

图8是本发明实施例中声发射信号A至J部分IMF分量的中心频率。

具体实施方式

下面结合实施实例与附图对本发明作进一步地详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

如图1所示，本发明的一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，包括以下步骤：

步骤1，在钢筋混凝土梁试件一侧两端分别设置一个声发射传感器，采用四点弯曲分级加载方式进行加载。每级加载需要间隔一段时间确保裂纹得到充分发展，加载直至混凝土碎裂，得到声发射能量参数时程图与加载曲线。

试验中钢筋混凝土梁试件如图2，采用的混凝土强度为C20，试件尺寸为1200mm×150mm×100mm，梁中上部受压钢筋为2A10HPB235，下部受拉钢筋为2C10HRB400,箍筋为A8@200HPB235光圆钢筋。采用全信息声发射信号分析仪采集并存储声发射信号。根据现场情况设定增益40dB，门槛值40dB，采样频率3MHz。声发射传感器分别布置在梁中轴线距离左端250mm处及右端250mm处，加载位置位于距离梁左端400mm处及右端400mm处，具体布置如图3所示。加载过程中尽量保证线性加载，得到声发射能量参数时程图与加载曲线，如图4。

步骤2，结合钢筋混凝土梁破坏过程的损伤发展特征和声发射能量参数的特点，分别提取A、B、C、D、E、F、G、H、I、J共十处长度为10ms的声发射能量突变时刻对应的信号波形，如图4箭头所标识；

步骤3，选择sym8小波基函数，通过数值模拟的方法确定分解层数，对缺陷信号波形进行基于Rigrsure软阈值的小波降噪；

在混凝土材料检测试验中，sym8小波对缺陷更敏感，具有高检出率、高分辨率的特征，故选择sym8小波基函数。同时通过数值模拟公式(1)典型声发射的方法来确定合适的分解层数：

本实例中各参数取：m＝3，A₁＝4V，A₂＝3V，A₃＝2V，a₁＝6×10⁸，a₂＝2×10⁸，a₃＝3×10⁸，t₁＝0.4ms，t₂＝0.6ms，t₃＝0.8ms，f₁＝150kHz，f₂＝50kHz，f₃＝100kHz，设定采样频率为500kHz，总采样时长2ms。加入均值为0，标准差为1，信噪比为10dB高斯白噪声后，使用sym8小波基函数对叠加信号降噪，分解层次为2到10，如图5。通过各层分解重构后的信号比较，将层数确定为6层较为合适。

步骤4，将经过小波阈值降噪后的信号进行CEEMD分解得到i个IMF分量(c₁，c₂，···，c_i)，利用CEEMD方法一定程度上可以避免传统EMD模态混叠的现象，以A信号前8阶IMF分量为例如图6；

步骤5，选取IMF分量信号、进行能量归一化，得到归一化能量向量，如图7；

步骤6，由于钢筋混凝土梁不同加载阶段微观结构、宏观结构发生变化时，声发射信号具有不同特征，声发射能量大小也随之变化，产生的弹性波也具有不同的特征，故可以通过对不同声发射信号IMF分量进行快速傅里叶变换求瞬时频率，从而判断钢筋混凝土梁试件内部损伤状态。

图8中标识出A至J共十处归一化能量向量较大的IMF分量瞬时频率。

A信号能量集中出现在19.2kHz附近是由于混凝土在浇筑时内部存在孔隙、微裂纹，试验开始阶段试件受第一级加载的作用，孔隙、微裂纹被压缩从而产生低频弹性波。

B信号IMF1能量占比最大，主频为163.6kHz，是混凝土微裂纹萌发扩展的特征频率；IMF5含有少量能量，频率为13.4kHz，可认为在第二级加载过程中微裂纹萌发的同时，部分混凝土结构仍处于受压缩状态。

C信号可认为是钢筋混凝土梁四点弯曲试验中典型的声发射信号，信号的绝对能量较小，同时IMF1主频为170.2kHz，其余分量能量几乎为0，是混凝土点源激励的声发射信号特征，判断为微裂纹的萌发和汇聚。

当外荷载从15kN增加到20kN时，钢筋混凝土梁试件发出崩裂声，跨中下部出现第一条宏观裂纹，对应的D信号除主频为172.3kHz的IMF1能量占比达0.9902外，IMF2为第二大能量占比0.1347，频率为93.8kHz，判断此信号为混凝土初始宏观开裂。

在荷载保持期间出现较小幅度的声发射能量事件，对应的E信号绝对能量较小，各阶IMF能量分布特点与A信号相似，但有多阶信号能量集中在20kHz附近，判断为荷载保持期间裂纹的发展。

F、G、H信号IMF分量能量分布与C信号相似，一、二阶能量占比大。20～25kN、25～30kN两级加载试验过程中，竖向宏观裂纹不断产生，原先的宏观裂纹向上扩展，判断为混凝土的进一步开裂。

在最后一级加载期间，原先的裂纹迅速扩展导致I信号具有较大的声发射能量，与之前信号均不同的是IMF1中心频率高达442.9kHz，为钢筋滑移的特征频率范围；同时I信号能量占比最大的IMF2分量主频为189.9kHz，判断为钢筋与混凝土的滑移和较大的混凝土开裂同时发生的事件信号。

J为混凝土结构断裂失效的声发射信号，IMF分量能量分布特点与D、F、G、H信号相同，主频为171.2kHz的IMF1分量能量占比达0.9947，主频为109.5kHz的IMF2分量能量占比为0.0925，但信号含有的绝对能量巨大，判断为大的混凝土开裂。

以上所述，仅是本发明的较优实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将钢筋混凝土梁作为实验对象，采集构件在四点弯曲分级加载作用下的声发射信号，直至混凝土材料碎裂，得到声发射能量参数时程图与加载曲线；

步骤2，结合钢筋混凝土梁破坏过程的损伤发展特征和声发射能量参数的特点，提取10ms声发射能量突变时刻对应的信号波形；

步骤3，选择sym8小波基函数，通过数值模拟的方法确定分解层数，对缺陷信号波形进行基于Rigrsure软阈值的小波降噪；

步骤4，将步骤3经过小波阈值降噪后的信号进行CEEMD分解得到i个IMF分量(c₁，c₂，···，c_i)；

步骤5，选取IMF分量信号，计算信号的归一化能量向量；

步骤6，选择步骤5中归一化能量向量中能量占比较大的几阶IMF分量快速傅里叶变换，得到IMF分量的瞬时频率；通过不同声发射信号中IMF分量的瞬时频率范围，从而判断钢筋混凝土梁构件内部损伤状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，其特征在于，步骤3的具体步骤为：

步骤3.1，通过数值模拟的方法，确定利用小波基函数对信号进行2到10层小波分解，得到各层细节系数d₁,d₂,···,d_n以及第n层近似系数a_n，n为分解层数，其中模拟信号的表达式为：

式中，A_i、a_i、t_i、f_i和m分别为第i个信号的幅值、衰减系数、峰值时刻、频率和信号总数；

步骤3.2，利用Rigrsure阈值计算规则对各层细节系数进行软阈值处理，软阈值函数表达式如下：

式中，w_j,k为小波系数，

为经过阈值量化处理后的小波系数，T为选择的阈值；

步骤3.3，确定最适合的分解层数，将最后一层的近似系数与经过Rigrsure软阈值处理后的各层细节系数重构钢筋混凝土梁构件发生缺陷时有效的声发射信号f(t)。

3.根据权利要求2所述的一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，其特征在于，步骤4的具体步骤为：

步骤4.1，重构的声发射信号f(t)中，添加一对幅值相等、符号相反的高斯白噪声，得到两个新信号：

f_i ⁺(t)＝f(t)+n_i(t)(3)

f_i ^-(t)＝f(t)-n_i(t)(4)

式中，f_i ⁺(t)、f_i ^-(t)为加入高斯白噪声后的两个新信号；n_i(t)为添加的高斯白噪声；

步骤4.2，对两个新信号f_i ⁺(t)、f_i ^-(t)进行EMD分解，分别得到两组IMF分量

以及余项

步骤4.3，进行i次步骤4.2和4.3，直至余项不能被分解；将IMF_i ⁺、IMF_i ^-分量求均值得到最终的IMF分量结果，即：

4.根据权利要求3所述的一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，其特征在于，步骤5中归一化能量向量计算公式如下：

I＝[E₁/E' E₂/E'…E_i/E'] (7)

式中，c_m(t)为第m阶固有模态函数分量，

用于对能量向量进行归一化处理。

5.根据权利要求4所述的一种基于声发射波形分析的钢筋混凝土梁损伤状态评估方法，其特征在于，步骤6中IMF分量快速傅里叶变换的计算公式如下：

式中，g_n为f(t)的离散频谱，|g_n|为f(t)的离散振幅频谱，arg(g_n)为f(t)的离散相位频谱。

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