第２４卷第１期 ２０１５年２月 淮 阴 工学院学报 Ｖ０１．２４ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１５ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 孙文彬教授按语：工程结构一般具有生产周期长、影响因素多、经济投入高和使用寿命长等特点，建成 后一般不可逆转。工程结构在建造和使用期内，对其可靠性进行科学客观的检测与鉴定，必要时采取有 效的加固和补强，提高其功能，延长其寿命。顾爱军的文章研究了声发射技术对钢筋混凝土结构损伤的 检测和识别，实验证明该方法可有效预警混凝土结构损伤的两个标志的界限，声发射技术拓展了钢筋混 凝土结构无损检测和健康监测理论基础和实践应用。陆路博士的文章研究了激光多普勒测速仪远程微 动测量方法、特点，创新解决了建筑结构微振动和固有频率测试方法。顾文虎等在文章中分析了建筑平 移工程中托换节点受力特性，介绍了工程应用设计方案及施工技术要点。 钢筋混凝土构件损伤状态的声发射识别 顾爱军 （扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州２２５１２７） 摘要：为实现钢筋混凝土构件的损伤识别，利用声发射技术对钢筋混凝土梁进行了损伤监测研究。采用Ｈｉｌｂｅｒｔ—Ｈｕａｎｇ 变换对声发射信号进行了分析，利用经验模态分解（ＥＭＤ）将信号分解为固有模态函数（ＩＭＦ），得到Ｈｉｌｂｅａ谱，反映信号时 频特性。从ＩＭＦ中提取声发射特征参数，即固有模态函数最大瞬时幅值和特征瞬时频率。通过参数与波形的混合分析， 确定钢筋混凝土构件的损伤状态，获得结构加固修复和失效破坏的两个安全预警信号，为声发射技术应用于钢筋混凝土 结构健康监测提供理论基础。 关键词：声发射；钢筋混凝土；损伤识别；Ｈｉｌｂｅａ—Ｈｕａｎｇ变换；特征提取 中图分类号：ＴＵ３１７ ．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—７９６１（２０１５）０１—００４１—０５ Ｄａｍａｇｅ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｕｓｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ＧＵ Ａｉ—ｊａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ，Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。 Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２５ １２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ（ＡＥ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄａｍａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍｓ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅ Ｈｉｌｂｅｒｔ—Ｈｕａｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（ＨＨＴ）ｗａｓ ａｍ— ｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ＡＥ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｅｍｐｉｉｒｃａｌ ｍｏｄｅ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＥＭＤ），ｔｈｅ ＡＥ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｅｒｅ ｄｅｃｏｍ－ ｐｏｓｅｄ ｔｏ ｓｅｖｅｒａｌ ｉｎｔｉｒｎｓｉｃ ｍｏｄｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ（ＩＭＦ），ａｎｄ Ｈｉｌｂｅｒｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍｓ ｗｅｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｉｎｓｔａｎｔａ－ ｎｅｏｕｓ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ＩＭＦ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗｅｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ＩＭＦｓ．Ｔｈｅ ｄａｍ－ ａｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｂｙ ａ ｈｙｂｒｉｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ＡＥ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ．Ｔｗｏ ｅａｒｌｙ ｗａｒｎｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ，ａｎｄ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｏｂ— ｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｅｓ ｆｏｒ ＡＥ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄ：ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｄａｍａｇｅ ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ；Ｈｉｌｂｅｒｔ—Ｈｕａｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（ＨＨＴ）； ｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ 收稿日期：２０１４—０９—０３ 基金项目：国家自然科学基金项目（１１４０２１０１，１１２７２１３８） 作者简介：顾爱军（１９６８一），男，江苏泰兴人，副教授，博士在读，主要从事桩基检测、混凝土结构无损检测和安全监 测、混凝土结构声发射技术等方面研究。 ４２ 淮 阴 工学院学报 ２０１５正 Ｏ 引言 混凝土结构安全问题一直是不容忽视的重大 新的ＡＥ特征参数，实现钢筋混凝土构件损伤状态 的ＡＥ识别。 问题，对重大工程结构及关键构件进行健康监测 与损伤诊断就显得极为重要。然而，对于桥梁、高 层建筑、基础设施、大坝等大型结构而言，由于体 积庞大、结构复杂等原因使得用常规检测费时费 力。加之结构关键部位往往被保护层或覆盖物所 １ 声发射特性分析方法 １．１ 声发射特性的混合分析方法 钢筋混凝土这类复杂材料，仅采用参数分析对 损伤进行识别又有一定的难度。因此，将参数分析 与波形分析相结合可以利用各自的优势达到既快速 隐藏，增加了检测工作的困难性。 声发射技术是一种无损检测方法，具有灵敏 方便，又准确可靠的识别目的。实际构件破坏过程 度高、覆盖面广、在线检测等独特优势，可方便地 进行大型结构的健康监测。声发射（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅ． ｍｉｓｓｉｏｎ，简称ＡＥ）是指结构材料发生不可恢复的 损伤时，从材料局部快速释放能量而产生瞬态弹 性波的现象 。材料在损伤和断裂时都会有声发 射发生，但多数声发射信号强度很弱，需要借助灵 敏的声发射仪器进行检测，评估构件的损伤状况， 此即为声发射技术。对于钢筋混凝土结构，由于 材料的复杂性以及实际工程结构环境干扰因素 多，使得ＡＥ技术用于混凝土结构监测和健康监测 还存在诸多问题，如声源的区分与识别、噪声的识 别与剔除等。 近十几年来，随着现代信号处理技术的发展， 现代谱分析、小波分析、Ｈｉｌｂｅｒｔ—Ｈｕａｎｇ变换 （ＨＨＴ）等技术被逐渐应用到ＡＥ技术领域，并取得 了很好的效果。谱分析能够快速地获取信号的频 率特性，早期的基于信号的分析较多地采用了这 种方法 Ｊ。然而，谱分析并不适用于频率随时问 变化的信号，相对而言，时频分析能够同时反映信 号的时域和频域的分布规律，更加合理。时频分 析包括短时Ｆｏｕｒｉｅｒ变换（ＳＴＦＴ）、小波变换 （ＷＴ）ｆ ３ｊ、Ｈｉｌｂｅｒｔ—Ｈｕａｎｇ变换（ＨＨＴ） 等，ＳＴＦＴ 和ｗＴ实质上没有脱离Ｆｏｕｒｉｅｒ变换的本质，而 ＨＨＴ是一种自适应的时频分析方法，根据信号的 局部时变特征进行自适应的时频分解，不但消除 了人为因素，而且更适于ＡＥ信号特征分析。通过 经验模态分解（ＥＭＤ）将信号分解为平稳的固有模 态函数（ＩＭＦ），使其物理意义明确，Ｈｉｌｂｅｒｔ谱反映 能量在时间和频率上的分布规律。近年来，ＨＨＴ 已被用于旋转机械状态监测、复合材料研究 等 领域，用于混凝土结构的ＡＥ信号分析相对较少。 本文对钢筋混凝土四点弯梁进行ＡＥ技术的 损伤监测研究，采用参数与波形相结合的混合方 法对ＡＥ信号进行分析，波形分析利用ＨＨＴ获得 反映声源特性的ＩＭＦ和Ｈｉｌｂｅｒｔ时频谱，提取两个 中的ＡＥ信号往往数以万计。因此，首先采用参数 分析法，利用ＡＥ能量参数（或其他类似参数）进行 筛选，选择重要的信号进行波形分析。ＡＥ能量的优 点是既体现了信号的幅值又反映了持续时间，且对 电压阈值与信号频率不敏感 。由于不同ＡＥ事 件的能量大小可能相差几个数量级，本文采用能量 的常用对数定义为“能量级”（简称“能级”，Ｅｎｅｒｇｙ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）作为参数筛选的工具，即： Ｅｎｅｒｇｙ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ＝ｌｏｇ（Ｅ） （１） 其中 为某声发射事件的ＡＥ能量参数，由声发射 程序通过时域信号的包络面积计算获得。能级取 决于事件的能量，反映该事件释放能量的大小，实 际测试中，虽然多数信号的能级处于一个较小的 水平，仍然可用于对声发射源进行初步的分类。 根据初步筛选出的ＡＥ信号，进行进一步的波形分 析以提取ＡＥ特性，判断损伤类型。 利用ＨＨＴ进行经验模态分解（ＥＭＤ），得到各 阶固有模态函数（ＩＭＦ），ＩＭＦ有助于识别ＡＥ信号 的物理机制，再通过Ｈｉｌｂｅｒｔ变换获得信号时频分 布特征的Ｈｉｌｂｅｒｔ谱。从Ｈｉｌｂｅｒｔ谱中可进一步提 取出新的ＡＥ参数，固有模态函数的最大瞬时幅值 （ＭＩＡ）及其对应的特征瞬时频率（ＣＩＦ），用于构件 损伤状态变化的监测。 １．２ Ｈｉｌｂｅｒｔ—Ｈｕａｎｇ变换 ＨＨＴ由两个主要部分组成 ，一是经验模态 分解（Ｅｍｐｉｉｒｃａｌ Ｍｏｄｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＥＭＤ），二是 Ｈｉｌｂｅｒｔ谱分析（ＨＳＡ）。ＥＭＤ是ＨＨＴ的关键核心 部分。它是基于信号的局部特征时间尺度大小， 采用极值尺度参数把一个复杂的信号分解为有限 个固有模态函数（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｍｏｄｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＩＭＦ）与 一个残差项之和，即信号可以分解为如下形式： （２） 式中 （ｔ）为分析信号，Ｃ 为第ｉ阶ＩＭＦ，ｎ为ＩＭＦ的 个数， 为残差项。由ＥＭＤ方法分解得到的每一 第１期 顾爱军：钢筋混凝土构件损伤状态的声发射识别 ４３ 个ＩＭＦ包含了信号从高到低不同频率段的成分， 是信号频带的一种自动划分，另外每一个ＩＭＦ包 含原始信号的局部特征信息，反映了信号内部固 有的波动性，且一个周期仅含一个波动模态，这能 很好地消除模态混叠的现象。 ＨＳＡ基于ＥＭＤ方法，通过将ＥＭＤ得到的各 图１ 钢筋混凝土梁配筋图及其尺寸 戡蕊 阶ＩＭＦ即作Ｈｉｌｂｅｒｔ变换得到： ｉｆ ｄ丁 （３） 一 再构解析信号： ｚ （ｔ）＝Ｃ （ｔ）＋ｊｃ （ｔ）＝ａ （ｔ） “”（４） 得到幅值函数和相位函数： 口 （ｔ）＝√ｃ （ｔ）＋ｃ （ｔ） （５） ｒ （ ）＝ａｒｃｔａｎ （６） 得瞬时频率：Ｗｉ（ ）＝ （７） 最终得到Ｈｉｌｂｅｒｔ谱： 日（ ， ）＝Ｒｅ∑ａｉ（ ） （８） ｅ表示取实部。Ｈｉｌｂｅｒｔ谱反映了信号幅值随时 间和频率的变化规律。从ＩＭＦ中提取反映声源特 性的有效参数就非常重要，有效解决了ＥＭＤ分解的 ＩＭＦ的复杂Ｉ生及Ｈｉｌｂｅｒｔ谱对声源直接判断困难｝生。 ２ 实验验证 ２．１试件及实验装置 试验采用１５０ ｍｍ×１８０ １ＴＩ１ＴＩ×１５００ ｍｍ的梁，其 配筋见图１。混凝土粗骨料的最大粒径控制在９ｍｍ 左右，小于４００ｋＨｚ以下的ＡＥ波在混凝土中传播的 波长，在此情况下，混凝土材料的不均匀性对波的传 播影响可以忽略。混凝土强度等级为Ｃ３０。采用 ３２５水泥，混凝土配合比（水：水泥：砂：碎石）为０．４： １．０：１．１３７：２．６５，２８天抗压实测值３４ＭＰａ。 四只宽频ＡＥ传感器（ＰＡＣ ＷＤＩ—ＡＳＴ）分别 用黄油粘接于梁的上下表面，以采集加载过程中 梁发出的ＡＥ信号。加载系统为２００ｋＮ万能试验 机，配以特制的加载架实现四点弯曲加载。加载 架与梁之间采用１５０ｍｍ×８０ｍｍ×１０ｍｍ钢板并加 垫橡胶垫进行荷载传递，避免梁的局部破坏，橡胶 垫还可以阻隔梁外部的干扰信号。加载过程采用 位移控制，以控制裂纹形成后的扩展速度，加载速 度为２ｍｍ／ｍｉｎ，使混凝土的变形能能够及时释放。 按估算的最大荷载确定每级加载量为２０ｋＮ。 ２．２ 实验结果 试验机记录的加载曲线如图２所示，图中柱状 图为ＡＥ系统同步记录的ＡＥ事件能量参数。由图 ２可见，当荷载接近１１０ｋＮ时，曲线的斜率发生显 著变化，说明此时已发生了显著的宏观破坏。斜 率的不断降低使加载曲线逐渐弯曲，而梁的损伤 演化使其整体刚度明显下降。 加载曲线在最后的破坏阶段发生显著的变 化，对前期产生的混凝土开裂破坏并不敏感。而 ＡＥ系统对构件的损伤演化非常敏感，包括微裂纹 萌生。试验中采集的信号往往数以万计，按能级 进行筛选以减少进一步进行波形分析的工作量是 必要的。图２中标注字母Ａ～Ｉ的ＡＥ事件是本文 筛选的具有代表性事件，用于后续分析研究。 图２加载曲线及相应的ＡＥ能量 对重要ＡＥ事件进行信号筛选后即可进行波 形分析。利用ＨＨＴ的ＥＭＤ分解得图３所示的 ＩＭＦ，进行Ｈｉｌｂｅｒｔ变换可得信号的时频分布特性， 根据时频分布特性实现ＡＥ源进行分类和识别。 淮 阴 工学院学报 属于较为单一的简单声源，或以某一种声源为绝 对占优，其他声源可以忽略。若信号能量以二阶 或更多阶ＩＭＦ为主，则属于较为复杂的声源。 ３分析与讨论 钢筋混凝土梁在加载过程中经历了三个阶 段，一是微损伤阶段，材料内部微观缺陷（如孔洞 等）受力变形引起的微观裂纹萌生与汇聚；二是带 裂缝工作阶段，混凝土表面出现可见裂纹，随着荷 （ｂ）时频分布 载的增加进一步扩展，梁仍处于正常工作阶段，但 需时刻关注其损伤状态，防止进入最后的破坏阶 段；三是破坏阶段，钢筋达到屈服强度，混凝土开 图３ ＡＥ信号的ＥＭＤ分解及时频分布 对信号中的噪声，可利用ＥＭＤ分解实现去 噪。图３（ａ）中第一阶ＩＭＦ为等幅、连续的高频信 裂、压碎、钢筋滑移等破坏可能同时发生。利用混合方法对Ａ～Ｉ的９个典型信号进行综 号，具有典型的噪声特征，可将其去除，并对有用 信息进行分析。若信号的能量集中于某一阶ＩＭＦ， 合分析，参数特性及对应损伤类型见表１。表１ 钢筋混凝土梁弯曲试验中典型事件的ＡＥ特性 在梁的微损伤阶段，ＡＥ事件的能级及信号的 ４ａ）。紧跟其后的事件Ｇ与之类似，但高频成分占 ＭＩＡ值均较小，同时ＥＭＤ分解显示了１ＭＦ分量的 主要成分（图４ｂ），其ＣＩＦ达３５３ｋＨｚ，具有滑移信 多样性，表明材料内部薄弱点的各种损伤与劣化 号的特征 Ｊ。可见此阶段梁的开裂已达一定程 使得声源较为丰富。 度，梁中虽仍以开裂损伤为主，但损伤状态开始变 当出现较大能量的事件Ｂ时，梁的表面出现 得更加复杂，出现了高频信号，此信号来自开裂过 了一条宏观裂纹，表明进入第二阶段。此时ＡＥ事 程中钢筋与混凝土之间的局部滑移。此时的构件 件变得活跃，各种能级的事件不断出现。其中较 仍可继续工作，但其开裂破坏已达一定程度，结构 大能级的事件均以混凝土开裂为主，信号的特征 可靠度下降，信号预警结构需要加固、修复或做进 瞬时频率ＣＩＦ基本都在１００—１４０ｋＨｚ之间变化，与 一步检测。 第一阶段类似。此后梁处于裂纹扩展或新开裂出 到将近６０ｋＮ即极限荷载的一半左右时，由新的宏 观开裂产生的Ｆ、Ｇ等事件具有不同的ＣＩＦ特征。 当荷载接近１１０ｋＮ时（接近事件Ｈ），加载曲 载曲线逐渐弯曲，荷载趋于极限值，同时梁的整体 现的损伤演化状态，信号特征相当。当荷载增加 线的斜率开始降低，构件进入破坏阶段。此时加 刚度明显下降。在此过程中，两次大的损伤事件 事件Ｆ具有信号幅值大、持续时间长的特点，因此 （事件Ｈ和Ｉ）造成荷载值的两次下降，即产生了较 能级较大。其ＣＩＦ为１７２ｋＨｚ，明显高于其他开裂 大的能量释放。从事件Ｈ和Ｉ的进一步分析可 其信号能量主要集中于单个ＩＭＦ中，结合较大 信号。从信号的时频分布可看出其中包含了高频 见，Ａ及较低的ＣＩＦ值，说明混凝土开裂在该事 和低频两条主要频带，但仍以低频信号为主（图 的ＭＩ
