小波包和功率譜密度分析法在混凝土齡期強度監測中的應用

崔 俊,王秋良

(中國地震局地震研究所地震與大地測量重點實驗室,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度監測中的應用

崔 俊,王秋良*

(中國地震局地震研究所地震與大地測量重點實驗室,武漢 430071)

利用壓電智能骨料激發的應力波,對混凝土28 d內目標齡期進行信號監測試驗研究,并通過功率譜密度和小波包能量分析法對混凝土齡期內監測信號進行分析。試驗結果表明:混凝土目標齡期內,隨著時間的逐漸增加,混凝土試件中傳感器監測信號的小波包能量和功率譜密度的幅值隨時間的變化趨勢呈現出非線性增長,6 d和12 d是增長變化的分界點,其幅值分別達到了2.345×104V2、3.923×104V2和61.54 pV2/Hz,98.86 pV2/Hz。其試驗結果與混凝土試件在實際養護過程中試件強度的變化規律具有很好的一致性。

小波包能量分析;功率譜密度分析;混凝土齡期強度;壓電智能骨料;幅值

混凝土作為現今社會使用最廣泛的建筑材料之一,其材料自身質量直接關系到建筑物的安全。然而在施工過程中,由于養護時間不足、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造成混凝土強度達不到預期設計的強度。加強混凝土早期質量的監測,保證混凝土的強度要求是當今社會研究的重要課題。

目前國內外對于混凝土強度的檢測普遍采用回彈法[1]、超聲法[2]和鉆芯法[3]等。與此同時,智能材料的出現為結構的健康監測提供了一條有效的途徑。以壓電材料為代表的結構健康監測技術得到了迅速的發展,基于壓電智能骨料的結構健康監測研究得到了國內外學者的廣泛的關注[4-5]。尤其是,運用壓電材料研究混凝土齡期強度被證明是一個有效的途徑。如,Kong等[6]基于壓電主動傳感法監測了混凝土早齡期(0～20 h)水化過程中傳感器接收的信號,通過信號振幅和頻率的分析明確了混凝土早齡期內的3個不同水化過程。Chung等[7]基于壓電主動傳感法對早齡期混凝土和砂漿板試樣的強度進行了試驗研究。Chen等[8]基于壓電智能骨料設計的無線傳感網絡可以實現早期混凝土強度的監測。我國學者也在這方面進行了深入的研究,如,浙江大學的蔡金標等[9]基于壓電阻抗技術開展了混凝土強度發展的監測試驗,建立了電導頻譜與標準試塊抗壓強度之間的定量關系。孫威等[10]選用不同頻率的正弦波作為監測信號說明了智能骨料監測信號能量的變化趨勢能很好地揭示強度發展趨勢。

郭健等[11]把小波包能量分析與測試信號的相關性分析相結合,進行了隨機荷載下橋梁支座的損傷識別試驗。安周鵬等[12]從能量和功率分析的角度出發,闡述了在水電機組故障診斷中利用小波包能量分析和功率譜分析相結合的信號特征提取的方法。王浩等[13]基于小波變換的功率譜密度函數能夠準確描述實測強風風譜的非平穩特征。上述研究表明了小波包分析可以根據信號的特征,自適應地選擇相應的頻帶,使之與被分析信號的頻譜相匹配。同時功率譜是對功率有限的信號進行分析,兩者相結合能夠有效地提取出信號中突變和不平穩的成分。

本文在小波包分析的基礎上,從能量和功率分析的角度出發,闡述了在混凝土齡期強度監測中采用小波包能量和功率譜密度分析相結合的分析方法。通過對混凝土整個水化過程中強度的發展情況進行對比分析,表明小波包能量和功率譜密度分析相結合的分析方法準確而高效,是一種應用價值較高的信號分析方法,并能為混凝土齡期強度的確定提供依據。

1 試驗材料及數據處理方法

1.1 試驗材料

在本實驗中,運用了壓電智能骨料SA(Smart Aggregate)(圖1),其由焊接有導線的壓電陶瓷片、外層防水涂層、環氧樹脂膠保護層和大理石保護層組成。壓電陶瓷片安置在中間位置,并用環氧樹脂進行粘結與封裝從而實現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材料。

同時,試驗中也運用了主動傳感法。其原理是預先埋入試件內部的兩個壓電傳感器(如圖2),將其中一個SA作為驅動器,在外部電場激勵作用下,發射一個固定頻段的掃頻信號,此應力波信號在試件介質中傳播,最終被試件中另一個SA所接收并轉化為電信號輸出。由于養護過程中混凝土前期強度的變化很大程度取決于混凝土水化的過程,而混凝土強度隨著水化過程的不斷發展也會逐漸增強,也更加有利于應力波在混凝土試件中的傳播,在同等強度激勵信號作用下,最終傳感器接收信號的能量也會相應增加。因此理論上對接收到的應力波信號進行時域和頻域分析,利用其接收信號的特征參數的變化即可以用來評價混凝土強度的變化特性。

圖2 壓電主動傳感的結構監測示意圖

圖1 智能骨料及其結構形式

1.2 數據處理方法

小波包分析是一種為信號提供更加精細的分析方法。假設對監測信號S進行小波包分析,將S分解成為由多個等寬的頻帶組成的信號。采用小波包分析將混凝土養護期間傳感器的監測信號進行分解,S為含有n個采樣點的原始監測信號,S經N層小波包分解重構后可以得到2N個子信號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間序列中脈動信息的時序分析方法。它是將有限長序列x(n)(0≤n≤Ns-1先分段,每段長為M,段與段之間的重疊量為M-K,第i個數據段經加窗后可表示為xi(n)=G(n)x(n+iK)(0≤i≤L-1,0≤n≤M-1),K為整數,L為分段數,它們之間滿足關系(L-1)K+M≤Ns,G(n)為窗口函數。該數據段的功率譜密度估計為

圖3 試驗試件與裝置

(3)

(4)

功率譜密度分析對平穩和時不變信號進行分析時有很好的結果。

2 試驗裝置與試件

實驗用的鋼筋混凝土試件尺寸為150mm×150mm×550mm,混凝土標號為C30。水泥采用華新水泥生產的普通硅酸鹽水泥,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)。試件中預埋入4個壓電智能骨料,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作為驅動器發射信號,SA3作為傳感器接受信號。傳感器中心距試件底面的距離均為90mm。在實驗中,壓電陶瓷片以智能骨料的形式封裝。主動傳感系統由NIUSB-6363采集卡、鋼筋混凝土試件和PC機組成。監測信號選取掃頻正弦波,頻率變化范圍150Hz～300kHz,信號時長1s,幅值為10V,模式為線性掃頻。掃頻正弦波作為監測信號的優勢在于不斷變化的頻率能夠滿足混凝土強度不斷變化的要求[15]。本實驗每隔15min實時記錄、自動保存一次數據,直至混凝土養護期28d。試驗中所用壓電陶瓷片參數如表1所示。

表1 壓電陶瓷片參數表

圖4 傳感器在第1小時、第12小時和第24小時的時域響應

3 試驗結果

3.1 第1天傳感器接收信號的時域、頻域響應

從圖4、圖5可以看出傳感器接收信號的時域和頻域響應在第1小時和第12小時基本沒有變化,從第12小時和第24小時的信號時域響應圖可以看出信號幅值在第24小時出現了一個明顯的波峰,從第12小時和第24小時的信號頻域響應圖可以看出混凝土的固有頻率從89.84 kHz增加到了175.8 kHz,信號幅值的變化和混凝土固有頻率的增加都表明了混凝土內部在不斷的進行水化反應。

圖5 傳感器在第1小時、第12小時和第24小時的頻域響應

3.2 第2～第14天傳感器接收信號的時域、頻域響應

從圖6中傳感器接收信號的時域響應可以看出,傳感器接收信號幅值的峰值從3 mV不斷增加到13 mV,在0.6 s時信號幅值都會有一個明顯的波峰,相對應信號頻域響應則表示混凝土產生了共振;根據圖7中傳感器接收信號的頻域響應可以看出,隨著混凝土養護齡期的增加,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在緩慢的發展。

圖6 傳感器時域和頻域響應

3.3 第15～第28天內傳感器接收信號的時域、頻域響應

從圖7的信號時域響應可以看出,在第15～第28天內,傳感器接收信號幅值的峰值基本沒有變化,維持在13 mV;根據圖7的信號頻域響應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基本完成。同時,隨著混凝土養護齡期的增加,混凝土固有頻率下的功率譜密度在不斷的增加,并且變化趨勢很小。

圖7 傳感器在第15天、第20天、第28天的時域和頻域響應

4 試驗結果分析

4.1 小波包能量分析

通過對28天內傳感器采集的信號進行小波包能量分析,可以得到混凝土齡期(28 d)監測信號能量變化圖(圖8)。從圖8中可以看出:隨著齡期的不斷增加,傳感器監測信號的能量變化趨勢可以分為3個階段:第1個階段是第1～第6天,傳感器監測信號的能量在第6天時達到2.345×104V2,達到了齡期內最大強度4.155×104V2的56.43%;第2個階段是第7～第12天,傳感器監測信號能量也在不斷的增加,最后是3.923×104V2,達到了齡期內最大強度4.155×104V2的94.41%;第3個階段是第13～第28天,傳感器監測信號的能量維持在3.923×104V2～4.155×104V2之間微小的變化。上述3個階段信號能量的變化趨勢與文獻[8]中混凝土強度和齡期之間的對應關系相符。

圖8 混凝土齡期(28 d)監測信號能量變化圖

4.2 功率譜密度分析

對28 d內傳感器采集的信號進行功率譜密度分析,可以得到混凝土試件在整個試驗過程中,監測得到的功率譜密度函數在固有頻率(168 kHz)下的幅值隨時間變化圖(圖9)。

圖9 混凝土固有頻率(168 kHz)下功率譜密度隨時間的變化圖

從圖9可以看出,隨著時間的逐漸增加,混凝土試件中,傳感器監測信號的功率譜密度在固有頻率下的幅值隨時間的變化趨勢可以分為3個階段:第1階段是第1～第6天,功率譜密度數值逐漸增加,直到第6天為61.54 pV2/Hz,達到最大值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天時是98.86 pV2/Hz,達到最大值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逐漸變緩,從98.96 pV2/Hz逐漸增加到106.4 pV2/Hz。上述3個階段混凝土試件監測信號的功率譜密度函數在固有頻率下的幅值變化趨勢與已知混凝土強度和齡期之間的對應關系也[10]相符。

5 結論

本文采用的是預先在鋼筋混凝土試件內埋入壓電智能骨料,基于壓電主動傳感法對混凝土齡期內強度的變化進行監測和分析。試驗結果表明,①對28天內監測的信號進行小波包分析,發現其能量變化趨勢與實際混凝土強度和齡期之間的變化具有很好的對應關系;②對28天內傳感器采集的信號進行功率譜密度分析,發現混凝土試件監測信號的功率譜密度函數在固有頻率(168 kHz)下的幅值,隨時間變化趨勢與實際混凝土強度和齡期之間的對應關系相一致;③對比分析傳感器接收信號能量和混凝土試件監測應力波信號的功率譜密度函數,在固有頻域下幅值的變化趨勢之后發現,兩者在3個階段的變化趨勢基本相同。因此,小波包能量分析和功率譜密度分析對開展混凝土齡期內強度監測具有可行性。

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崔 俊(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向為結構健康監測及信號處理,andersontsui@sina.com;

王秋良(1972-),男,理學博士,副研究員,主要研究方向為工程地震與結構健康監測故障診斷,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