本發(fā)明涉及錨桿錨固狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域,具體涉及一種用于檢測(cè)錨桿脫粘的方法。
背景技術(shù):
近年來,隨著工程建設(shè)的大規(guī)模開展,錨桿技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。錨桿雖然性能優(yōu)良,但由于在服役過程中處于復(fù)雜的受力環(huán)境,通常需要對(duì)錨桿進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的損傷(比如錨固脫粘),保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測(cè)技術(shù)已成為國內(nèi)外學(xué)者的熱門研究課題,但目前的錨桿檢測(cè)方法仍有各種局限和不足,亟待理論研究的進(jìn)展和檢測(cè)方法的改進(jìn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于此,本發(fā)明的目的是提供一種用于檢測(cè)錨桿脫粘的方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的,一種用于檢測(cè)錨桿脫粘的方法,包括以下步驟:S1利用加速度傳感器采集錨桿被激勵(lì)后的振動(dòng)加速度信號(hào);S2采用解析模式分解方法(AMD)得到振動(dòng)加速度信號(hào)的一階加速度分量,對(duì)其積分得到一階位移分量;S3對(duì)一階位移分量作希爾伯特變換,獲得錨桿的頻率-振幅曲線;S4根據(jù)頻率-振幅曲線判斷其非線性振動(dòng)程度;根據(jù)非線性振動(dòng)程度,進(jìn)行錨桿脫粘識(shí)別。
進(jìn)一步,在步驟S1中,采用力錘激勵(lì)錨桿振動(dòng)時(shí)需要敲擊錨桿的端頭。
進(jìn)一步,所述力錘錘頭上包裹有橡膠皮層。
進(jìn)一步,在步驟S2中,對(duì)位移信號(hào)采用鏡像法進(jìn)行處理,然后再進(jìn)行希爾伯特變換。
有益技術(shù)效果:
本發(fā)明探索利用非線性振動(dòng)特性進(jìn)行錨桿錨固狀態(tài)檢測(cè)的可行性,基于對(duì)錨桿桿體與膠結(jié)體界面以及錨桿膠結(jié)體與巖土體界面的無損檢測(cè),對(duì)錨桿的錨固狀態(tài)做出評(píng)價(jià),對(duì)于安全生產(chǎn)以及保障工程結(jié)構(gòu)安全都具有十分重要的意義。
附圖說明
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述,其中:
圖1為本發(fā)明的流程圖;
圖2為信號(hào)x1振幅-時(shí)間圖;
圖3為信號(hào)x1功率譜;
圖4為信號(hào)x2振幅-時(shí)間圖;
圖5為信號(hào)x2功率譜;
圖6為混合后y1位移時(shí)間圖;
圖7為混合后y1功率譜;
圖8為混合后y2位移時(shí)間圖;
圖9為混合后y2功率譜;
圖10為AMD分解后一階信號(hào)振幅-時(shí)間圖;
圖11為AMD分解后一階信號(hào)功率譜;
圖12為AMD分解后二階信號(hào)振幅-時(shí)間圖;
圖13為AMD分解后二階信號(hào)功率譜;
圖14為加速度信號(hào)SJ1-A-20;
圖15為加速度信號(hào)SJ1-A-20的功率譜;
圖16為信號(hào)一階加速度分量;
圖17為信號(hào)一階加速度分量的功率譜;
圖18為信號(hào)一階速度分量;
圖19為信號(hào)一階位移分量;
圖20為振幅時(shí)程圖;
圖21為瞬時(shí)頻率時(shí)程圖;
圖22為信號(hào)SJ1-A-20振幅-頻率曲線;
圖23為信號(hào)SJ1-A-20振幅-頻率歸一化曲線。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述;應(yīng)當(dāng)理解,優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明,而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
非線性振動(dòng)特性是指構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)過程中自身瞬時(shí)頻率不斷變化的性質(zhì)。錨桿通過桿體與錨固膠結(jié)體接觸面和錨固膠結(jié)體與巖土體接觸面兩個(gè)界面?zhèn)鬟f錨固力。當(dāng)界面粘結(jié)良好時(shí),錨桿在振動(dòng)過程中,錨桿桿體與錨固體以及錨固體與巖土體不產(chǎn)生相對(duì)位移,兩個(gè)接觸界面上均不會(huì)產(chǎn)生摩擦。當(dāng)界面發(fā)生脫粘時(shí),錨桿在振動(dòng)過程中,脫粘處接觸面上會(huì)發(fā)生相對(duì)位移產(chǎn)生摩擦,摩擦?xí)?dǎo)致能量的損耗,產(chǎn)生非線性振動(dòng)。當(dāng)界面出現(xiàn)脫空時(shí),脫空部位沒有接觸產(chǎn)生,界面摩擦消失。
摩擦是導(dǎo)致非線性振動(dòng)的原因。當(dāng)界面脫粘時(shí),由于界面上摩擦的存在,在一次自由振動(dòng)過程中,振幅越大,錨桿的頻率就越低。在界面粘結(jié)良好的情況下,振動(dòng)過程中界面摩擦較弱,非線性振動(dòng)特性相應(yīng)較弱。當(dāng)脫粘面積不同時(shí),脫粘面積較大的錨桿摩擦面積大,脫粘面積小的錨桿摩擦面較小,所以脫粘面積大的錨桿非線性振動(dòng)特性比脫粘小的錨桿更加明顯。
解析模式分解(AMD)是由Chan和Wang提出的一種基于希爾伯特變換的信號(hào)分解方法。通過設(shè)置確定的截?cái)囝l率,解析模式分解能夠方便地將信號(hào)中各頻帶內(nèi)的成分分離開來。
解析模式分解方法的本質(zhì)是利用希爾伯特變換把每一個(gè)具有特定頻率成分的信號(hào)解析地分解出來。對(duì)于具有多個(gè)密集頻率信號(hào)分量的復(fù)雜信號(hào),AMD通過構(gòu)造一對(duì)具有相同特定頻率的正交函數(shù),利用這對(duì)正交函數(shù)與原復(fù)雜信號(hào)的乘積的希爾伯特變換,把任意頻率小于正交函數(shù)頻率的信號(hào)解析地分解出來。
基于希爾伯特變換的解析模式分解理論的表述如下:
對(duì)于任意由n個(gè)信號(hào)分量組成的原信號(hào)x(t)
如果它每一個(gè)分量的時(shí)變頻率ω1(t),ω2(t),...,ωn(t)滿足:
|ω1(t)|<ωb1(t),ωb1(t)<|ω2(t)|<ωb2(t)..ωb(n-2)(t)<|ωn-1(t)|<ωb(n-1)(t),ωb(n-1)(t)<|ωn(t)|。
其中,ωbi(t)∈(ωi(t),ωi+1(t))(i=1,2,...,n-1)為選取的截止頻率。那么它的每一個(gè)信號(hào)分量可以解析地給出。
si(t)=sin[ωbi(t)]H{x(t)cos[ωbi(t)]}-cos[ωbi(t)]H{x(t)sin[ωbi(t)]}(i=1,2,…n-1) (3)
式中,H[.]表示希爾伯特變換運(yùn)算。
對(duì)于具有時(shí)變頻率的非平穩(wěn)信號(hào),解析模式分解定理式x(t)=ξ(t)z(t)可拓展為:si(t)=sin[θbi(t)]H{x(t)cos[θbi(t)]}-cos[θbi(t)]H{x(t)sin[θbi(t)]},(i=1,2,...,n-1) (4)
式中為截止頻率的積分,即相位角。
原信號(hào)可以表示為2個(gè)信號(hào)之和:
和表示s1(t)和的傅里葉變換,并分別在|ω|>ωb和|ω|<ωb為0。ωb代表任意的正數(shù),稱為截止頻率。根據(jù)Parseval理論和附錄A中證得結(jié)論,可得:
因此,s1(t)和在(-∞,+∞)是實(shí)函數(shù)。
令sc(t)=cos(ωbt),ss(t)=sin(ωbt)。則sk(t)c(t),(k=c,s)的希爾伯特變換可表示為:
因?yàn)閟1(t)和的希爾伯特變換只有在ω=ωb時(shí)非零,根據(jù)Bedrosian理論,式8可化為:
將k=c,s帶入式8,并解方程組,可得:
sc(t)和ss(t)的希爾伯特變換可表示為:
H[sc(t)]=sin(ωbt)與H[ss(t)]=-cos(ωbt) (12)
則有,
ss(t)H[sc(t)]-sc(t)H[ss(t)]=1 (13)
公式6、7可化為:
s1(t)=sin(ωbt)H[x(t)cos(ωbt)]-cos(ωbt)H[x(t)sin(ωbt)] (14)
故信號(hào)和s1(t)的希爾伯特變換由式(1)得:
由附錄A中結(jié)論,可以得到公式(14)中s1(t)的傅里葉變換,在ω<ωb時(shí)等于在ω>ωb時(shí)為0。同樣的公式(16)中的傅里葉變換,在ω>ωb時(shí)等于在ω<ωb時(shí)為0。
公式3是在截止頻率取ωbi(i=1,2,...,n-1)時(shí),公式(12)的應(yīng)用。
信號(hào)分解:
令截止頻率ωb=ωb1,ωb2,...,ωb(n-1),則原信號(hào)可被分解為:
公式(2)則可表示為:
其中,si(t)(i=1,2,...,n-1)和可通過令公式(14)、(16)中ωb=ωbi和ωb=ωb(n-1)得到。這個(gè)處理過程被稱為原信號(hào)的分解過程。
數(shù)值積分:
對(duì)于邊續(xù)的加速度曲線a(t),對(duì)其進(jìn)行兩次積分可得位移曲線s(t),即
∫a(t)dt=v(t),∫v(t)dt=s(t) (20)。
實(shí)際測(cè)得的加速度信號(hào),是離散的時(shí)間序列,無法直接積分。在此利用積分原理,將測(cè)得的t時(shí)刻前的n個(gè)離散加速度信號(hào)連線,其與x軸所圍的面積的代數(shù)和近似的看作t時(shí)刻前加速度信號(hào)的積分,即t時(shí)刻的速度,當(dāng)時(shí)采樣頻率足夠大,其積分得到的值的準(zhǔn)確度和可信度越高。即采用t時(shí)刻前的n個(gè)加速度值的累加和,與采樣時(shí)間間隔之積近似表示t時(shí)刻的速度。故而在matlab中我們用到累加和函數(shù)cumsum,對(duì)某一數(shù)組進(jìn)行cumsum函數(shù)運(yùn)算,其第n項(xiàng)為原數(shù)組前n項(xiàng)之和。所以對(duì)采樣得到的加速度信號(hào)進(jìn)行cumsum運(yùn)算之后,再乘以時(shí)間間隔,便得到速度信號(hào)。對(duì)速度時(shí)間序列再進(jìn)行該運(yùn)算,便得到位移信號(hào)。
附錄A
函數(shù)sc(t)=cos(ωbt)和ss(t)=sin(ωbt)的傅里葉變換可表示為:
δ[.]是Dirac Dleta函數(shù)。則yc(t)=x(t)sc(t)和ys(t)=x(t)ss(t)傅里葉變換可由式(A3)(A4)的卷積積分得到
由希爾伯特變換與傅里葉變換的關(guān)系,則yc(t)和ys(t)的希爾伯特變換的傅里葉變換等于:
式中代表方括號(hào)中方程的希爾伯特變換的傅里葉變換。sgn(ω)是符號(hào)函數(shù)。則方程(14)中s1(t)的傅里葉變換為:
則
可由方程14得到,
由式(A7)和(A8)可知,和分別在|ω|>ωb和|ω|<ωb時(shí)為0,都在|ω|=ωb時(shí)等于
注:1.Parsevals理論:函數(shù)平方的和或積分,等于其傅里葉轉(zhuǎn)換式的平方和或積分。
現(xiàn)有研究表明,各頻率成分的能量占總能量的比率為(其中n=1,2,3....)。可以計(jì)算出基頻能量約占總能量的80%,一階振動(dòng)分量能攜帶信號(hào)的大部分能量,故本發(fā)明研究錨桿界面振動(dòng)信號(hào)的非線性振動(dòng)特性時(shí)采用一階振動(dòng)分量進(jìn)行分析。解析模式分解具有高效精確的優(yōu)點(diǎn),可以將其應(yīng)用于信號(hào)分解以得到準(zhǔn)確的單分量一階信號(hào)。
構(gòu)造一個(gè)具有兩個(gè)動(dòng)力自由度的系統(tǒng),設(shè)其自由振動(dòng)階段的位移方程為:
式中各參數(shù)的含義為:Ai為振幅,A1=60,A2=50;ξi為阻尼比,ξ1=0.01,ξ2=0.012;fi為其各階頻率,fi=60,f2=100;θi相位角,θ1=20,θ2=30。采樣頻率設(shè)置為1000Hz,采樣時(shí)長取為2s。
構(gòu)建的系統(tǒng)由兩部分組成,一階和二階信號(hào)分別為:
x1=60×[exp(-2π0.01×60t)]×cos(2π×60t)+20 (22)
x2=50×[exp(-2π0.012×100t)]×cos(2π×100t)+30 (23)
各分量的振幅-時(shí)間圖以及其功率譜如圖2-圖5所示:
使用Matlab內(nèi)置函數(shù)rand(2)生成一個(gè)2×2階的隨機(jī)矩陣M,將上述兩個(gè)原信號(hào)組合而成的矩陣X與隨機(jī)矩陣M進(jìn)行卷積(Y=M*X)得到混合信號(hào)Y?;旌闲盘?hào)的兩個(gè)分量y1,y2及其功率譜如圖6、7、8、9:
從圖6、7、8、9可以看出混合后的y1功率譜顯示有60Hz和100Hz兩種頻率成分,而y2雖然含有60Hz和100Hz兩種頻率成分,但主要為60Hz頻率成分,100Hz頻率成分相當(dāng)少,幾乎可以忽略。現(xiàn)在采用解析模式分解方法把混合信號(hào)y1中的兩種頻率成分分離開,根據(jù)y1功率譜圖設(shè)置二分截?cái)囝l率為80Hz,通過AMD分解得到y(tǒng)1混合信號(hào)中小于80Hz的頻率成分,即為一階信號(hào)分量s1,再用混合信號(hào)y1減去一階信號(hào)分量s1即得到二階信號(hào)分量s2。分離后的信號(hào)見圖10~圖12:
由混合信號(hào)y1分離出的一階和二階信號(hào)頻率(功率譜峰值)分別為60.0586Hz和100.0977Hz,可以看出分離出的單分量信號(hào)頻率與對(duì)應(yīng)的原信號(hào)頻率非常接近,因此認(rèn)為AMD分解是成功且可行的。
使用AMD分解的方法獲取錨桿自由振動(dòng)的一階加速度分量,積分得到一階位移分量,用希爾伯特變換對(duì)其進(jìn)行處理,獲得一階位移分量的瞬時(shí)頻率以及對(duì)應(yīng)的位移幅值,進(jìn)而對(duì)錨桿的非線性振動(dòng)特性進(jìn)行分析是可行的。
通過以上分析可以看出,利用錨桿的非線性振動(dòng)特性來識(shí)別界面脫粘情況是可行的,同時(shí)脫粘程度也能得到判別。
基于此,本發(fā)明提供了一種用于檢測(cè)錨桿脫粘的方法,包括以下步驟:
S1利用加速度傳感器采集錨桿被激勵(lì)后的振動(dòng)加速度信號(hào);
由于要對(duì)錨桿進(jìn)行激勵(lì),加速度傳感器要采集錨桿的縱向振動(dòng)信號(hào),故傳感器要安裝在錨桿端頭上。
激勵(lì)設(shè)備采用力錘,由于錘頭的硬度對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大影響,所以錘頭的堅(jiān)硬程度必須滿足需要。錘頭越堅(jiān)硬,撞擊時(shí)攜帶的能量越多,錨桿更多的模態(tài)將會(huì)被激勵(lì)出來,頻譜較寬,力的脈沖寬度窄。在本發(fā)明中,需要采集的是一階模態(tài),因而要盡量避免激振出高階模態(tài),而且傳感器本身的靈敏度較高,所以在力錘錘頭上包裹橡膠皮,減小錘頭堅(jiān)硬程度,避免超出傳感器量程造成信號(hào)失真,同時(shí)又能得到需要的模態(tài)。
在實(shí)施例中,傳感器的采樣頻率設(shè)置為1000赫茲。正式測(cè)試前先試測(cè)一段信號(hào),判斷此時(shí)外界振動(dòng)的影響是否足夠小,當(dāng)信號(hào)波動(dòng)很小時(shí),認(rèn)為滿足要求,可以正式開始測(cè)試。采用力錘敲擊錨桿的端頭,采集其振動(dòng)加速度信號(hào)。
S2采用解析模式分解方法得到振動(dòng)加速度信號(hào)的一階加速度分量,再對(duì)其積分得到一階位移分量;S3對(duì)一階位移分量作希爾伯特變換,獲得錨桿的頻率-振幅曲線;
通過分析一錨桿在某個(gè)加載等級(jí)下的振幅-頻率曲線,說明錨桿在一定程度錨固脫粘下的非線性振動(dòng)特性。
加速度傳感器采集到的信號(hào)定義為SJ1-A-20。
振動(dòng)信號(hào)初始段受到錘擊的干擾,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取,去掉信號(hào)受干擾的初始段,留下純自由振動(dòng)部分。再利用直接法periodogram函數(shù)查看信號(hào)的功率譜,獲得信號(hào)的一階頻率,見圖14、15。
從上圖14、15的信號(hào)功率譜可以看出力錘敲擊激勵(lì)出了錨桿的前兩階振動(dòng)分量。由希爾伯特變換的特性和瞬時(shí)頻率的定義可知,進(jìn)行希爾伯特變換的信號(hào)必須為單分量信號(hào),所以必須將原信號(hào)分離,使其成為單分量信號(hào)?,F(xiàn)有研究表明,基頻能量約占總能量的80%,即一階振動(dòng)分量能攜帶信號(hào)的大部分能量,故采用一階振動(dòng)分量進(jìn)行非線性振動(dòng)特性的分析。查看功率譜可以得到信號(hào)的一階頻率在493Hz左右,而第二階頻率在1436Hz左右,所以可以采用AMD分解的方法去掉高階分量,只保留第一階分量。設(shè)置信號(hào)的上下截?cái)囝l率時(shí),上下截?cái)囝l率相差越大,分解后的信號(hào)失真越小。由于試驗(yàn)獲得的信號(hào)一二階頻率相隔較遠(yuǎn),故分解頻率下限設(shè)置為450赫茲,上限設(shè)置為550赫茲。利用AMD分解信號(hào)后查看分離出的一階信號(hào)及其功率譜,檢驗(yàn)信號(hào)是否分離干凈。分解處理后的一階分量見圖16、圖17。
從圖16、圖17可以看出,經(jīng)過分解處理后的信號(hào)變得更加均勻和平滑,而且功率譜為單峰,說明已經(jīng)成功分離出原加速度信號(hào)的一階分量。將分離出的一階加速度信號(hào)積分兩次可得到位移信號(hào)。每次積分后應(yīng)乘以時(shí)間間隔,即除以采樣頻率1000Hz。一階加速度信號(hào)經(jīng)過一次積分得到的速度信號(hào)和經(jīng)過兩次積分得到的位移信號(hào)分別如圖18、圖19所示。
根據(jù)希爾伯特變換特性,在對(duì)一階位移信號(hào)進(jìn)行非線性分析時(shí),在時(shí)頻曲線首尾將出現(xiàn)較為明顯的“端點(diǎn)效應(yīng)”。為了解決這個(gè)問題,本發(fā)明采用鏡像法對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行處理以減小端點(diǎn)效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響。對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行鏡像處理后再經(jīng)過希爾伯特變換得到振幅包絡(luò)線時(shí)程圖及瞬時(shí)頻率時(shí)程圖,如圖20、圖21所示。
如圖20、圖21所示,鏡像數(shù)據(jù)的中間1/3段為原始信號(hào)數(shù)據(jù),經(jīng)過鏡像處理后,端點(diǎn)效應(yīng)得到了抑制,有效地減小了誤差。然而振幅-時(shí)間曲線和頻率-時(shí)間曲線的中間部分仍存在小幅振蕩,由于分析目的是找到曲線的變化趨勢(shì),因此可以對(duì)振幅-時(shí)間曲線進(jìn)行光滑處理,對(duì)頻率-時(shí)間曲線取其線性化趨勢(shì),這樣處理過后的曲線能較準(zhǔn)確的反應(yīng)真實(shí)情況。根據(jù)非線性振動(dòng)理論,頻率的變化值與振幅有關(guān),所以比較錨桿在不同程度錨固脫粘下振動(dòng)信號(hào)的非線性振動(dòng)特性差異時(shí),必須取相同振幅區(qū)間內(nèi)的頻率變化情況進(jìn)行比較。振幅區(qū)間對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的時(shí)間區(qū)間,在選取振幅區(qū)間時(shí)要注意,對(duì)應(yīng)這個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)的瞬時(shí)頻率不能有較大的波動(dòng),這樣的頻率變化才是真實(shí)的頻率變化。有較大波動(dòng)的瞬時(shí)頻率是信號(hào)處理方法導(dǎo)致的非真實(shí)頻率變化。經(jīng)過頻率線性趨勢(shì)處理后的振幅-頻率曲線見圖22。
從圖22可以看出,隨著振幅的增大,瞬時(shí)頻率在降低,這就是本發(fā)明前面提到的錨桿的非線性振動(dòng)特性,在所選取的振幅內(nèi)頻率的變化值即為需要求得的非線性振動(dòng)特性指標(biāo)。本實(shí)施例在小振幅情況下,當(dāng)振幅增大時(shí),鋼筋與水泥砂漿界面的摩擦在增大,摩擦耗能增加,所以錨桿的頻率降低。隨著自由振動(dòng)的衰減,振幅逐漸變小,摩擦耗能減小,錨桿的頻率又恢復(fù)到原來的大小。
由于各曲線的起點(diǎn)存在頻率差,不方便比較錨桿不同次測(cè)試信號(hào)的非線性振動(dòng)特性,所以對(duì)得到的振幅-頻率曲線進(jìn)行歸一化處理,把曲線的縱坐標(biāo)均減去曲線上出現(xiàn)的縱坐標(biāo)最大值,即把曲線平移到以零為起點(diǎn),得到如圖23所示曲線。圖23和圖22中兩條曲線的變化趨勢(shì)完全相同,歸一化處理后能夠方便地比較不同信號(hào)得到的振幅-頻率曲線的變化趨勢(shì)和非線性振動(dòng)特性指標(biāo)。
S4根據(jù)頻率-振幅曲線判斷其非線性振動(dòng)程度;根據(jù)非線性振動(dòng)程度,進(jìn)行脫粘識(shí)別。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,并不用于限制本發(fā)明,顯然,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣,倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi),則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。