沖擊回波法對(duì)燒毀混凝土的評(píng)估

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沖擊回波法對(duì)燒毀混凝土的評(píng)估
摘要：為了檢測(cè)燒毀混凝土使用小波時(shí)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(cè)試的反應(yīng)和火損傷之間的相互關(guān)系。首先，對(duì)非破壞性的燒毀混凝土進(jìn)行外觀檢查，X射線衍射分析微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械試驗(yàn)評(píng)價(jià)。然后，沖擊回波點(diǎn)接收到不同程度的損害信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行了處理的小波分析。沖擊回波對(duì)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷前后的外表面測(cè)試，然后進(jìn)行分析，以評(píng)估防火材料的影響效應(yīng)。得到有關(guān)具體的退化，時(shí)間地點(diǎn)和能量的諧波成分的含量，成功獲得了信號(hào)的幅值圖。信號(hào)的幅值圖會(huì)體現(xiàn)火災(zāi)對(duì)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(wú)損傷檢測(cè)方法
1 簡(jiǎn)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(lái)評(píng)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(gè)短期應(yīng)力脈沖在混凝土表面的應(yīng)用為基礎(chǔ)的機(jī)械沖擊。撞擊器是一些直徑從5至十二點(diǎn)五毫米各不相同的鋼球。快速傅立葉變換在頻域通常用于為了分析沖擊回聲信號(hào)。近年來(lái)，這方法也被用來(lái)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室結(jié)果顯示出，沖擊回聲信號(hào)波形提供了可靠的測(cè)量混凝土板損傷的特點(diǎn)[6]。Abraham et al等人利用沖擊回波法[7]，以評(píng)估電纜灌漿預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)管道的質(zhì)量。對(duì)聯(lián)合的非破壞性方法的用途為評(píng)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(diǎn)。沖擊回波方法有許多優(yōu)點(diǎn)。它需要測(cè)量和獲得的只有一個(gè)被測(cè)試的對(duì)象。由于實(shí)施回波測(cè)量的靈活性，比起使用侵入性的方法，較大面積的測(cè)試可在更高的分辨率和更低的成本下進(jìn)行。沖擊回波法不需要任何特別的安全防范措施，是絕對(duì)安全的。根據(jù)Ghorbanpoor等人的原理，沖擊回波法是評(píng)價(jià)火災(zāi)對(duì)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(shí)，混凝土的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能會(huì)受到嚴(yán)重的影響?；炷辆哂休^低的熱擴(kuò)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(qiáng)烈的溫度梯度下，從最大范圍到幾厘米至零的深度過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)和快速減少熱損的現(xiàn)象，這是非常危險(xiǎn)的鋼筋保護(hù)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(píng)價(jià)是一個(gè)相當(dāng)困難的任務(wù)。對(duì)于一般涉及評(píng)價(jià)混凝土保護(hù)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(wèn)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(yùn)用力學(xué)和微結(jié)構(gòu)檢測(cè)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(gè)全面狀況評(píng)估的結(jié)構(gòu)。
    對(duì)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(hào)處理的方法。在非破壞性評(píng)價(jià)之前，需進(jìn)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(lái)確定混凝土內(nèi)部裂縫的存在，并評(píng)價(jià)混凝土熱損傷時(shí)性能的改變。為了評(píng)估火災(zāi)對(duì)混凝土損害，也進(jìn)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(jìn)行過(guò)了實(shí)體損害的評(píng)估和沖擊回波的試驗(yàn)，那么通過(guò)連續(xù)小波變換方法（簡(jiǎn)稱CWT），沖擊回波數(shù)據(jù)就進(jìn)行了處理。當(dāng)在對(duì)火災(zāi)中受損區(qū)域的兩根柱子和承重墻進(jìn)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(hào)進(jìn)行比較，每一混凝土構(gòu)件的P波速度和表面裂縫深度開(kāi)展（在現(xiàn)有的）都進(jìn)行了估計(jì)。
     這項(xiàng)研究的目的是要找到?jīng)_擊回波測(cè)試反應(yīng)和實(shí)際火災(zāi)損害之間的相關(guān)性。此相關(guān)性是信號(hào)通過(guò)小波變換參數(shù)的評(píng)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(píng)估可能的方法
混凝土保護(hù)層的平均效應(yīng) 逐點(diǎn)小樣本效應(yīng) 相應(yīng)原理
施密特錘反彈
溫莎探頭
探針測(cè)試
BRE內(nèi)部壓碎
超聲脈沖速度（UPV） 小規(guī)模機(jī)械測(cè)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(dá)
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(gè)信號(hào)光譜成分的活度系數(shù)。這些系數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)，因此傅立葉變換（FFT）不適用于如沖擊回波信號(hào)等的非線性信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)。連續(xù)小波變換的計(jì)算效率，使傅立葉變換成為了代表非平穩(wěn)信號(hào)中的瞬態(tài)特性好工具。連續(xù)小波變換效果類似于一個(gè)多通道帶通濾波器，它可以區(qū)分信號(hào)的頻率成分并給出了小波理論的一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明和其應(yīng)用。
    在20世紀(jì)80年代初評(píng)估地震數(shù)據(jù)的Goupillaud和Morlet 等人引進(jìn)了小波變換。從那時(shí)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(lái)分析了在時(shí)間頻域內(nèi)（即幅值圖）的影響回波信號(hào)。一個(gè)幅值圖大小是小波變換信號(hào)的平方大小，是一個(gè)在時(shí)間幅值平面（Parseval定理）上的信號(hào)的能量分布。幅值圖可以用圖像中不同顏色深淺度來(lái)表示，我們可以在現(xiàn)有的文獻(xiàn)和復(fù)雜的小波中找到。如果其傅立葉變換是從零到負(fù)頻率變換小波進(jìn)行了分析[21]。本文對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，因?yàn)檫@允許信號(hào)狀態(tài)的評(píng)價(jià)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(shí)間和頻率（或縮放）信號(hào)的能量分布。我們選擇解析小波。根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理：一個(gè)時(shí)頻窗口的大小不能任意小化和就不可能實(shí)現(xiàn)時(shí)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(gè)較小的值時(shí)。根據(jù)小波變換的匹配機(jī)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(zhǔn)確的信號(hào)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(hào)處理回波數(shù)據(jù)[13，24]。