小波包和功率譜密度分析法在混凝土齡期強(qiáng)度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

崔 俊,王秋良

(中國(guó)地震局地震研究所地震與大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

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小波包和功率譜密度分析法在混凝土齡期強(qiáng)度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

崔 俊,王秋良*

(中國(guó)地震局地震研究所地震與大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

利用壓電智能骨料激發(fā)的應(yīng)力波,對(duì)混凝土28 d內(nèi)目標(biāo)齡期進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究,并通過功率譜密度和小波包能量分析法對(duì)混凝土齡期內(nèi)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明:混凝土目標(biāo)齡期內(nèi),隨著時(shí)間的逐漸增加,混凝土試件中傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的小波包能量和功率譜密度的幅值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng),6 d和12 d是增長(zhǎng)變化的分界點(diǎn),其幅值分別達(dá)到了2.345×104V2、3.923×104V2和61.54 pV2/Hz,98.86 pV2/Hz。其試驗(yàn)結(jié)果與混凝土試件在實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中試件強(qiáng)度的變化規(guī)律具有很好的一致性。

小波包能量分析;功率譜密度分析;混凝土齡期強(qiáng)度;壓電智能骨料;幅值

混凝土作為現(xiàn)今社會(huì)使用最廣泛的建筑材料之一,其材料自身質(zhì)量直接關(guān)系到建筑物的安全。然而在施工過程中,由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足、混凝土水灰比不符合要求以及骨料的粒徑過大等原因都會(huì)造成混凝土強(qiáng)度達(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)的強(qiáng)度。加強(qiáng)混凝土早期質(zhì)量的監(jiān)測(cè),保證混凝土的強(qiáng)度要求是當(dāng)今社會(huì)研究的重要課題。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)普遍采用回彈法[1]、超聲法[2]和鉆芯法[3]等。與此同時(shí),智能材料的出現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)提供了一條有效的途徑。以壓電材料為代表的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,基于壓電智能骨料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛的關(guān)注[4-5]。尤其是,運(yùn)用壓電材料研究混凝土齡期強(qiáng)度被證明是一個(gè)有效的途徑。如,Kong等[6]基于壓電主動(dòng)傳感法監(jiān)測(cè)了混凝土早齡期(0～20 h)水化過程中傳感器接收的信號(hào),通過信號(hào)振幅和頻率的分析明確了混凝土早齡期內(nèi)的3個(gè)不同水化過程。Chung等[7]基于壓電主動(dòng)傳感法對(duì)早齡期混凝土和砂漿板試樣的強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Chen等[8]基于壓電智能骨料設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)早期混凝土強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)。我國(guó)學(xué)者也在這方面進(jìn)行了深入的研究,如,浙江大學(xué)的蔡金標(biāo)等[9]基于壓電阻抗技術(shù)開展了混凝土強(qiáng)度發(fā)展的監(jiān)測(cè)試驗(yàn),建立了電導(dǎo)頻譜與標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度之間的定量關(guān)系。孫威等[10]選用不同頻率的正弦波作為監(jiān)測(cè)信號(hào)說明了智能骨料監(jiān)測(cè)信號(hào)能量的變化趨勢(shì)能很好地揭示強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)。

郭健等[11]把小波包能量分析與測(cè)試信號(hào)的相關(guān)性分析相結(jié)合,進(jìn)行了隨機(jī)荷載下橋梁支座的損傷識(shí)別試驗(yàn)。安周鵬等[12]從能量和功率分析的角度出發(fā),闡述了在水電機(jī)組故障診斷中利用小波包能量分析和功率譜分析相結(jié)合的信號(hào)特征提取的方法。王浩等[13]基于小波變換的功率譜密度函數(shù)能夠準(zhǔn)確描述實(shí)測(cè)強(qiáng)風(fēng)風(fēng)譜的非平穩(wěn)特征。上述研究表明了小波包分析可以根據(jù)信號(hào)的特征,自適應(yīng)地選擇相應(yīng)的頻帶,使之與被分析信號(hào)的頻譜相匹配。同時(shí)功率譜是對(duì)功率有限的信號(hào)進(jìn)行分析,兩者相結(jié)合能夠有效地提取出信號(hào)中突變和不平穩(wěn)的成分。

本文在小波包分析的基礎(chǔ)上,從能量和功率分析的角度出發(fā),闡述了在混凝土齡期強(qiáng)度監(jiān)測(cè)中采用小波包能量和功率譜密度分析相結(jié)合的分析方法。通過對(duì)混凝土整個(gè)水化過程中強(qiáng)度的發(fā)展情況進(jìn)行對(duì)比分析,表明小波包能量和功率譜密度分析相結(jié)合的分析方法準(zhǔn)確而高效,是一種應(yīng)用價(jià)值較高的信號(hào)分析方法,并能為混凝土齡期強(qiáng)度的確定提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗(yàn)材料

在本實(shí)驗(yàn)中,運(yùn)用了壓電智能骨料SA(Smart Aggregate)(圖1),其由焊接有導(dǎo)線的壓電陶瓷片、外層防水涂層、環(huán)氧樹脂膠保護(hù)層和大理石保護(hù)層組成。壓電陶瓷片安置在中間位置,并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘結(jié)與封裝從而實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷片與外界的絕緣、防潮、隔熱等,選用近似于混凝土骨料尺寸的大理石作為表層保護(hù)材料。

同時(shí),試驗(yàn)中也運(yùn)用了主動(dòng)傳感法。其原理是預(yù)先埋入試件內(nèi)部的兩個(gè)壓電傳感器(如圖2),將其中一個(gè)SA作為驅(qū)動(dòng)器,在外部電場(chǎng)激勵(lì)作用下,發(fā)射一個(gè)固定頻段的掃頻信號(hào),此應(yīng)力波信號(hào)在試件介質(zhì)中傳播,最終被試件中另一個(gè)SA所接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。由于養(yǎng)護(hù)過程中混凝土前期強(qiáng)度的變化很大程度取決于混凝土水化的過程,而混凝土強(qiáng)度隨著水化過程的不斷發(fā)展也會(huì)逐漸增強(qiáng),也更加有利于應(yīng)力波在混凝土試件中的傳播,在同等強(qiáng)度激勵(lì)信號(hào)作用下,最終傳感器接收信號(hào)的能量也會(huì)相應(yīng)增加。因此理論上對(duì)接收到的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析,利用其接收信號(hào)的特征參數(shù)的變化即可以用來評(píng)價(jià)混凝土強(qiáng)度的變化特性。

圖2 壓電主動(dòng)傳感的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)示意圖

圖1 智能骨料及其結(jié)構(gòu)形式

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

小波包分析是一種為信號(hào)提供更加精細(xì)的分析方法。假設(shè)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)S進(jìn)行小波包分析,將S分解成為由多個(gè)等寬的頻帶組成的信號(hào)。采用小波包分析將混凝土養(yǎng)護(hù)期間傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分解,S為含有n個(gè)采樣點(diǎn)的原始監(jiān)測(cè)信號(hào),S經(jīng)N層小波包分解重構(gòu)后可以得到2N個(gè)子信號(hào)Si(i=1,2,…,2N):

Si=[Si,1,Si,2,…,Si,j,…,Si,M-1,Si,M]

(1)

(2)

功率譜密度分析是獲得時(shí)間序列中脈動(dòng)信息的時(shí)序分析方法。它是將有限長(zhǎng)序列x(n)(0≤n≤Ns-1先分段,每段長(zhǎng)為M,段與段之間的重疊量為M-K,第i個(gè)數(shù)據(jù)段經(jīng)加窗后可表示為xi(n)=G(n)x(n+iK)(0≤i≤L-1,0≤n≤M-1),K為整數(shù),L為分段數(shù),它們之間滿足關(guān)系(L-1)K+M≤Ns,G(n)為窗口函數(shù)。該數(shù)據(jù)段的功率譜密度估計(jì)為

圖3 試驗(yàn)試件與裝置

(3)

(4)

功率譜密度分析對(duì)平穩(wěn)和時(shí)不變信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)有很好的結(jié)果。

2 試驗(yàn)裝置與試件

實(shí)驗(yàn)用的鋼筋混凝土試件尺寸為150mm×150mm×550mm,混凝土標(biāo)號(hào)為C30。水泥采用華新水泥生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥,沙子采用中沙,石子采用最大粒徑為10mm的碎石,人工拌制、振搗混凝土(圖3)。試件中預(yù)埋入4個(gè)壓電智能骨料,其中左、右兩邊的傳感器是作為備用,以防混凝土在振搗過程中損壞中間的壓電智能骨料。SA2作為驅(qū)動(dòng)器發(fā)射信號(hào),SA3作為傳感器接受信號(hào)。傳感器中心距試件底面的距離均為90mm。在實(shí)驗(yàn)中,壓電陶瓷片以智能骨料的形式封裝。主動(dòng)傳感系統(tǒng)由NIUSB-6363采集卡、鋼筋混凝土試件和PC機(jī)組成。監(jiān)測(cè)信號(hào)選取掃頻正弦波,頻率變化范圍150Hz～300kHz,信號(hào)時(shí)長(zhǎng)1s,幅值為10V,模式為線性掃頻。掃頻正弦波作為監(jiān)測(cè)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)在于不斷變化的頻率能夠滿足混凝土強(qiáng)度不斷變化的要求[15]。本實(shí)驗(yàn)每隔15min實(shí)時(shí)記錄、自動(dòng)保存一次數(shù)據(jù),直至混凝土養(yǎng)護(hù)期28d。試驗(yàn)中所用壓電陶瓷片參數(shù)如表1所示。

表1 壓電陶瓷片參數(shù)表

圖4 傳感器在第1小時(shí)、第12小時(shí)和第24小時(shí)的時(shí)域響應(yīng)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 第1天傳感器接收信號(hào)的時(shí)域、頻域響應(yīng)

從圖4、圖5可以看出傳感器接收信號(hào)的時(shí)域和頻域響應(yīng)在第1小時(shí)和第12小時(shí)基本沒有變化,從第12小時(shí)和第24小時(shí)的信號(hào)時(shí)域響應(yīng)圖可以看出信號(hào)幅值在第24小時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)明顯的波峰,從第12小時(shí)和第24小時(shí)的信號(hào)頻域響應(yīng)圖可以看出混凝土的固有頻率從89.84 kHz增加到了175.8 kHz,信號(hào)幅值的變化和混凝土固有頻率的增加都表明了混凝土內(nèi)部在不斷的進(jìn)行水化反應(yīng)。

圖5 傳感器在第1小時(shí)、第12小時(shí)和第24小時(shí)的頻域響應(yīng)

3.2 第2～第14天傳感器接收信號(hào)的時(shí)域、頻域響應(yīng)

從圖6中傳感器接收信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)可以看出,傳感器接收信號(hào)幅值的峰值從3 mV不斷增加到13 mV,在0.6 s時(shí)信號(hào)幅值都會(huì)有一個(gè)明顯的波峰,相對(duì)應(yīng)信號(hào)頻域響應(yīng)則表示混凝土產(chǎn)生了共振;根據(jù)圖7中傳感器接收信號(hào)的頻域響應(yīng)可以看出,隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加,混凝土的固有頻率在164.1 kHz～175.8 kHz之間微小的變化,說明混凝土的水化反應(yīng)在緩慢的發(fā)展。

圖6 傳感器時(shí)域和頻域響應(yīng)

3.3 第15～第28天內(nèi)傳感器接收信號(hào)的時(shí)域、頻域響應(yīng)

從圖7的信號(hào)時(shí)域響應(yīng)可以看出,在第15～第28天內(nèi),傳感器接收信號(hào)幅值的峰值基本沒有變化,維持在13 mV;根據(jù)圖7的信號(hào)頻域響應(yīng)可以看出混凝土的固有頻率維持在168 kHz沒有變化;此階段傳感器接受信號(hào)幅值的峰值和混凝土固有頻率都沒有變化說明混凝土的水化反應(yīng)基本完成。同時(shí),隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加,混凝土固有頻率下的功率譜密度在不斷的增加,并且變化趨勢(shì)很小。

圖7 傳感器在第15天、第20天、第28天的時(shí)域和頻域響應(yīng)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 小波包能量分析

通過對(duì)28天內(nèi)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行小波包能量分析,可以得到混凝土齡期(28 d)監(jiān)測(cè)信號(hào)能量變化圖(圖8)。從圖8中可以看出:隨著齡期的不斷增加,傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的能量變化趨勢(shì)可以分為3個(gè)階段:第1個(gè)階段是第1～第6天,傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的能量在第6天時(shí)達(dá)到2.345×104V2,達(dá)到了齡期內(nèi)最大強(qiáng)度4.155×104V2的56.43%;第2個(gè)階段是第7～第12天,傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)能量也在不斷的增加,最后是3.923×104V2,達(dá)到了齡期內(nèi)最大強(qiáng)度4.155×104V2的94.41%;第3個(gè)階段是第13～第28天,傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的能量維持在3.923×104V2～4.155×104V2之間微小的變化。上述3個(gè)階段信號(hào)能量的變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[8]中混凝土強(qiáng)度和齡期之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系相符。

圖8 混凝土齡期(28 d)監(jiān)測(cè)信號(hào)能量變化圖

4.2 功率譜密度分析

對(duì)28 d內(nèi)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行功率譜密度分析,可以得到混凝土試件在整個(gè)試驗(yàn)過程中,監(jiān)測(cè)得到的功率譜密度函數(shù)在固有頻率(168 kHz)下的幅值隨時(shí)間變化圖(圖9)。

圖9 混凝土固有頻率(168 kHz)下功率譜密度隨時(shí)間的變化圖

從圖9可以看出,隨著時(shí)間的逐漸增加,混凝土試件中,傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的功率譜密度在固有頻率下的幅值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可以分為3個(gè)階段:第1階段是第1～第6天,功率譜密度數(shù)值逐漸增加,直到第6天為61.54 pV2/Hz,達(dá)到最大值106.4 pV2/Hz的57.84%;第2階段是第7～第12天,功率譜密度值也在逐漸增加,最后在第12天時(shí)是98.86 pV2/Hz,達(dá)到最大值106.4 pV2/Hz的的92.91%;第3階段為第13～第28天,功率譜密度增加的趨勢(shì)逐漸變緩,從98.96 pV2/Hz逐漸增加到106.4 pV2/Hz。上述3個(gè)階段混凝土試件監(jiān)測(cè)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)在固有頻率下的幅值變化趨勢(shì)與已知混凝土強(qiáng)度和齡期之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系也[10]相符。

5 結(jié)論

本文采用的是預(yù)先在鋼筋混凝土試件內(nèi)埋入壓電智能骨料,基于壓電主動(dòng)傳感法對(duì)混凝土齡期內(nèi)強(qiáng)度的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,①對(duì)28天內(nèi)監(jiān)測(cè)的信號(hào)進(jìn)行小波包分析,發(fā)現(xiàn)其能量變化趨勢(shì)與實(shí)際混凝土強(qiáng)度和齡期之間的變化具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;②對(duì)28天內(nèi)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行功率譜密度分析,發(fā)現(xiàn)混凝土試件監(jiān)測(cè)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)在固有頻率(168 kHz)下的幅值,隨時(shí)間變化趨勢(shì)與實(shí)際混凝土強(qiáng)度和齡期之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系相一致;③對(duì)比分析傳感器接收信號(hào)能量和混凝土試件監(jiān)測(cè)應(yīng)力波信號(hào)的功率譜密度函數(shù),在固有頻域下幅值的變化趨勢(shì)之后發(fā)現(xiàn),兩者在3個(gè)階段的變化趨勢(shì)基本相同。因此,小波包能量分析和功率譜密度分析對(duì)開展混凝土齡期內(nèi)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)具有可行性。

[1] 劉漢勇,趙尚傳,王建生. 甌江大橋混凝土回彈法專用測(cè)強(qiáng)曲線研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào),2015(1):41-48.

[2] 羅勤. 關(guān)于混凝土強(qiáng)度檢測(cè)方法的探討[J]. 建筑結(jié)構(gòu),2010(S2):569-571.

[3] 黃柳云,王家全,吳輝琴,等. 基于聲透法和鉆芯法建立樁基混凝土測(cè)強(qiáng)曲線的研究[J]. 混凝土,2013(1):135-138.

[4] 李鵬,陳雨,鄧洪敏,等. 埋入混凝土式壓電陶瓷聲——壓特性的路徑映射分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2016,29(3):3.

[5] 王濤,羅毅,劉紹鵬,等. 基于壓電主動(dòng)傳感方式的螺栓松動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(8):1059-1063.

[6] Kong Q,Hou S,Ji Q,et al. Very Early Age Concrete Hydration Characterization Monitoring Using Piezoceramic Based Smart Aggregates[J]. Smart Materials and Structures,2013,22(8):085025-08503.

[7] Chung K,Kharkovsky S,Kong Q,et al. Cure-State Monitoring of Concrete and Mortar Specimens Using Smart Aggregates[C]//2014 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference(I2MTC)Proceedings. IEEE,2014:304-308.

[8] Chen J,Li P,Song G,et al. Piezo-Based Wireless Sensor Network for Early-Age Concrete Strength Monitoring[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2016,127(5):2983-2987.

[9] 蔡金標(biāo),吳濤,陳勇. 基于壓電阻抗技術(shù)監(jiān)測(cè)混凝土強(qiáng)度發(fā)展的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊,2013(2):124-128.

[10] 孫威,陳佳,閻石,等. 基于壓電智能骨料的混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)方法研究[J]. 混凝土與水泥制品,2016(2):1-5.

[11] 郭健,裘力奇,張新軍,等. 基于小波包分析的橋梁支座損傷識(shí)別試驗(yàn)研究[J]. 浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,44(6):695-698.

[12] 安周鵬,肖志懷,陳宇凡,等. 小波包能量譜和功率譜分析在水電機(jī)組故障診斷中的應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào),2015,34(6):182-190.

[13] 王浩,程懷宇,茅建,等. 基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的蘇通大橋?qū)崪y(cè)強(qiáng)風(fēng)演變功率譜[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,43(6):838-844.

[14] 蔣凡. 基于壓電陶瓷的混凝土—鋼塔筒損傷監(jiān)測(cè)及譜元法模擬研究[D]. 長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2014.

[15] 孫威. 利用壓電陶瓷的智能混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)[D]. 大連:大連理工大學(xué),2009.

崔 俊(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及信號(hào)處理,andersontsui@sina.com;

王秋良(1972-),男,理學(xué)博士,副研究員,主要研究方向?yàn)楣こ痰卣鹋c結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)故障診斷,wql0703@163.com。

Application of Wavelet Packet and Power Spectral Density Analysisin Early Age of Concrete Strength Monitoring

CUI Jun,WANG Qiuliang*

(Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Wuhan 430071,China)

The stress wave generated by a piezoelectric patch and signal monitoring testwere conducted in each target age within 28 d. Power spectral density and wavelet packets energy algorithms wereemployed to analyze the stress wave signals

by the sensors at concrete. It’s showed from the experiment results that during the concrete curing period,the change of the wavelet packet energy of sensor signals and the power spectral density under structure natural frequency showed a nonlinear increase with time:and 6 d and 12 d were the boundary points of the change. The amplitude reached 2.345×104V2,3.923×104V2and 61.54 pV2/Hz,98.86 pV2/Hz. The test results have been proven to coincide well with the change rules of the strength of specimens in the process of practical maintenance.

wavelet packets energy analysis;power spectral density analysis;the strength of concrete early age;smart aggregate;amplitude

2016-11-21 修改日期:2017-03-10

TP393

A

1004-1699(2017)07-1131-08

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.027