钢筋混凝土梁损伤声发射信号特征提取与识别研究

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发布时间：2021-09-13

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钢筋混凝土梁损伤声发射信号
特征提取与识别研究
彭德红，孙德立
(1．义乌工商学院建筑与艺术学院，金华322000；2．同济大学土木工程学院，上海200092)
摘要：钢筋混凝土桥梁暴露在恶劣工作环境下常常受到裂纹损伤威胁，及时有效地检测到混泥土梁的微裂纹
以及识别梁的损伤状况是保证桥梁安全作业的重要基础。针对目前采用全波形声发射仪采集声信号受到噪声污染
而影响探伤精度的问题，提出了基于神经网络的非线性独立分量分析(ICA)与维格纳分布 VD)的损伤声发射信号
特征提取与识别的新方法。通过R_BF网络估计混入声信号中的非线性噪声成分，利用ICA算法分离出真实的梁损
伤声信号，消除噪声干扰，并应用W VD分析分离信号的时频谱分布，提取信号特征频率处的能量特征作为识别损
伤状态的有效参数。三点弯曲加载试验结果表明，非线性ICA能够有效抑制噪声导致的声信号频率漂移，得到信号
可靠的关键特征，提高梁裂纹损伤的识别精度，且结果比不进行去噪处理提高了9％。
关键词：钢筋混凝土；无损探伤；声发射；非线性独立分量分析；谱分析
Abstract：Reinforced concrete beams often sufer from cracks due to severe operation conditions．Therefore，it is
imperative to monitor the beam condition in time to prevent damages．However,fault acoustic signal recorded by the
waveform acoustic emission instrument is submerged by noise．To elimin~e the noise，a new approach to identify the beam
damages is presented．It firstly uses a RBF neural network to estimate the mixed nonlinear noise in the original acoustic
signal，then the independent components analysis (ICA)is used to separate the true fault signal with the noise removed，
lastly，the Wigner-Ville distribution (WVD)is adopted to extract distinct energy features of the separated signal in the
time—frequency domain to realize the recognition of the beam health states．The three points bending loading test has been
carried out to evaluate the proposed detection method．The experiment results show that the mixed noise can be eliminated
efectively by the use of nonlinear ICA，and the identification precision is improved．Moreover，the performance of the
proposed method is superior to the method without the ICA processing．
Key words：Reinforced concrete；Nondestructive inspection；Acoustic emission；Nonlinear independent components
analysis(ICA)；Spectrum analysis
中图分类号：TU528．07 文献标识码A：文章编号：1000—4637(2011)12-45-04
0 前言
混凝土作为应用最为广泛的工程材料，在建
筑、道路、桥梁、大坝等工程结构中起着非常重要的
作用。其中，桥梁多为钢筋混凝土结构，在恶劣的应
用环境中，结构很容易产生细微裂纹等缺陷，如果
不及时发现并处理，微裂纹继续发展有可能导致桥
梁结构的损坏，严重情况下将造成桥梁断裂破坏，
带来巨大的人员伤亡与财产损失fl-2]。因此，对桥梁
结构早期微裂纹的有效检测，消除故障隐患，对保
证桥梁的安全使用影响巨大。
目前，对钢筋混凝土结构缺陷检测的方法主要
有超声法、红外热像法以及声发射法等[3]。其中，声
基金项目：交通部西部交通建设科技攻关重点项目
(201141286010)。
发射(Acoustic Emission，简称AE)能够利用材料局
部能量变化释放的瞬态弹性波来准确检测和定位
故障缺陷，灵敏度非常高，可以达到微米数量级，
加之声发射具有动态连续检测功能，从而在在诸多
领域得到了广泛的研究与应用。因此，将声发射技
术应用到桥梁钢筋混凝土结构缺陷的在线实时监
测中，是一种可靠的途径，并得到了专家学者们的
重视。纪洪广等通过三点弯曲试验分析混凝土断裂
过程中声发射关联分维数的变化规律，确定了混凝
土试块在I临界断裂时的分型特征识别模式，并证明
此识别模式可以作为材料临界断裂的判别特征[5-6]。
陈兵等通过三点弯曲试验将钢纤维混凝土梁的声
发射信号振幅分布特性划分为不同的区段，并与混
凝土内部不同的破坏机制建立一一对应的联系『7埽]