沖擊回波法對燒毀混凝土的評估

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沖擊回波法對燒毀混凝土的評估
摘要：為了檢測燒毀混凝土使用小波時間頻率技術(shù)，提出了沖擊回波方法。其研究的目的是找到?jīng)_擊回聲測試的反應(yīng)和火損傷之間的相互關(guān)系。首先，對非破壞性的燒毀混凝土進行外觀檢查，X射線衍射分析微觀結(jié)構(gòu)和機械試驗評價。然后，沖擊回波點接收到不同程度的損害信號的特點進行了處理的小波分析。沖擊回波對鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷前后的外表面測試，然后進行分析，以評估防火材料的影響效應(yīng)。得到有關(guān)具體的退化，時間地點和能量的諧波成分的含量，成功獲得了信號的幅值圖。信號的幅值圖會體現(xiàn)火災(zāi)對混凝土損傷作用。
關(guān)鍵詞：沖擊回波法 小波分析   火災(zāi) 鋼筋混凝土 無損傷檢測方法
1 簡介
    在應(yīng)力波的非破壞性方法，沖擊回波（IE）方法頻繁被用來評估混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量[1，2]。沖擊回波法是建立在一個短期應(yīng)力脈沖在混凝土表面的應(yīng)用為基礎(chǔ)的機械沖擊。撞擊器是一些直徑從5至十二點五毫米各不相同的鋼球?？焖俑盗⑷~變換在頻域通常用于為了分析沖擊回聲信號。近年來，這方法也被用來檢測和定量堿硅土反應(yīng)或被延遲的鈣礬石形成造成的崩裂。沖擊回聲技術(shù)的極限和潛在性在可以被發(fā)現(xiàn)[5]。一些實驗室結(jié)果顯示出，沖擊回聲信號波形提供了可靠的測量混凝土板損傷的特點[6]。Abraham et al等人利用沖擊回波法[7]，以評估電纜灌漿預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)管道的質(zhì)量。對聯(lián)合的非破壞性方法的用途為評估包含空隙和纜繩隧道的具體式樣平板也被建議了[8]。沖擊回波法有很多優(yōu)點。沖擊回波方法有許多優(yōu)點。它需要測量和獲得的只有一個被測試的對象。由于實施回波測量的靈活性，比起使用侵入性的方法，較大面積的測試可在更高的分辨率和更低的成本下進行。沖擊回波法不需要任何特別的安全防范措施，是絕對安全的。根據(jù)Ghorbanpoor等人的原理，沖擊回波法是評價火災(zāi)對鋼筋混凝土的損傷最合適的技術(shù)之一。
眾所周知，當(dāng)混凝土遇到火時，混凝土的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能會受到嚴重的影響。混凝土具有較低的熱擴散率，這就保證了結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)瞬態(tài)慢熱的傳播；因此，當(dāng)混凝土在非常強烈的溫度梯度下，從最大范圍到幾厘米至零的深度過程中會出現(xiàn)和快速減少熱損的現(xiàn)象，這是非常危險的鋼筋保護層。由于混凝土結(jié)構(gòu)遇火異構(gòu)的性質(zhì)，其殘余性能的評價是一個相當(dāng)困難的任務(wù)。對于一般涉及評價混凝土保護層的平均靈敏度或一些混凝土構(gòu)件整體響應(yīng)的解釋的特殊技巧，解決這一問題的方法如表1所示。
目前，確定受火混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度的可接受的方法之一是運用力學(xué)和微結(jié)構(gòu)檢測核心樣本的切除方法。微觀結(jié)構(gòu)分析一般決定了分布式損傷的原因和損害的程度，但它不能提供一個全面狀況評估的結(jié)構(gòu)。
    對火災(zāi)破壞后的建筑物分析，文中提出了應(yīng)用沖擊回波方法和一種新的信號處理的方法。在非破壞性評價之前，需進行直觀的檢查。此外，從結(jié)構(gòu)中的提取的一些核心部分，來確定混凝土內(nèi)部裂縫的存在，并評價混凝土熱損傷時性能的改變。為了評估火災(zāi)對混凝土損害，也進行了X射線分析和相關(guān)研究領(lǐng)域的核心力學(xué)性能的分析。一旦進行過了實體損害的評估和沖擊回波的試驗，那么通過連續(xù)小波變換方法（簡稱CWT），沖擊回波數(shù)據(jù)就進行了處理。當(dāng)在對火災(zāi)中受損區(qū)域的兩根柱子和承重墻進行分析，結(jié)果與同一建筑物未損壞的混凝土中沖擊回波信號進行比較，每一混凝土構(gòu)件的P波速度和表面裂縫深度開展（在現(xiàn)有的）都進行了估計。
     這項研究的目的是要找到?jīng)_擊回波測試反應(yīng)和實際火災(zāi)損害之間的相關(guān)性。此相關(guān)性是信號通過小波變換參數(shù)的評估而獲得的。
   

表一：受火損害的混凝土結(jié)構(gòu)的非破壞性評估可能的方法
混凝土保護層的平均效應(yīng) 逐點小樣本效應(yīng) 相應(yīng)原理
施密特錘反彈
溫莎探頭
探針測試
BRE內(nèi)部壓碎
超聲脈沖速度（UPV） 小規(guī)模機械測試
差熱分析
熱重分析
熱膨脹儀（TMA）
熱釋光
孔率
比色法
微裂紋密度分析
化學(xué)分析 UPV間接法
沖擊回波
聲波成像
表面模態(tài)分析
探地雷達
電阻率

2 連續(xù)小波變換
    傳統(tǒng)的傅里葉分析只給出代表一個信號光譜成分的活度系數(shù)。這些系數(shù)與時間無關(guān)，因此傅立葉變換（FFT）不適用于如沖擊回波信號等的非線性信號和瞬態(tài)信號。連續(xù)小波變換的計算效率，使傅立葉變換成為了代表非平穩(wěn)信號中的瞬態(tài)特性好工具。連續(xù)小波變換效果類似于一個多通道帶通濾波器，它可以區(qū)分信號的頻率成分并給出了小波理論的一個簡要說明和其應(yīng)用。
    在20世紀80年代初評估地震數(shù)據(jù)的Goupillaud和Morlet 等人引進了小波變換。從那時起，各種小波變換得到了發(fā)展，并在許多其他應(yīng)用程序被發(fā)現(xiàn)[18-20]。連續(xù)小波變換的利益是用來分析了在時間頻域內(nèi)（即幅值圖）的影響回波信號。一個幅值圖大小是小波變換信號的平方大小，是一個在時間幅值平面（Parseval定理）上的信號的能量分布。幅值圖可以用圖像中不同顏色深淺度來表示，我們可以在現(xiàn)有的文獻和復(fù)雜的小波中找到。如果其傅立葉變換是從零到負頻率變換小波進行了分析[21]。本文對信號進行分析處理，因為這允許信號狀態(tài)的評價以及其分別解析的幅度。解析小波很復(fù)雜，它是完全地表現(xiàn)為其真正的部分[21]。 因此，為了形象化隨時間和頻率（或縮放）信號的能量分布。我們選擇解析小波。根據(jù)海森堡測不準原理：一個時頻窗口的大小不能任意小化和就不可能實現(xiàn)時頻分辨率的完善的，該尺度圖分辨率是受限的[22]。
 
               圖1沖擊回波和Morlet 主波的比較

在本文中，采用的是復(fù)雜的Morlet小波。Morlet小波是類似于幾何形狀的脈沖，尤其是當(dāng)縮放功能調(diào)整為一個較小的值時。根據(jù)小波變換的匹配機制，在幾何形狀中與更好的小波函數(shù)相匹配，被小波系數(shù)更準確的信號表示[23]（圖1）。
    一些研究者已經(jīng)成功地應(yīng)用連續(xù)小波變換信號處理回波數(shù)據(jù)[13，24]。