基于HHT的钢筋混凝土结构损伤检测新方法分析

　　1　引言

　　目前,我国的基础设施建设处在飞速发展阶段,由于一些施工中不确定因素和外界环境因素,在这些结构中难免产生各种类型的缺陷,尤其是当结构出现裂缝,并且扩展到一定程度时,结构的可靠性、使用功能和耐久性将至关重要。而如何对这些缺陷进行识别,诸多无损检测方法中信号处理技术是关键所在。传统的信号分析是建立在Fourier变换基础之上的,它是一种　　纯频域分析方法,用频率从零到无穷大的各复正弦分量的叠加来拟合原函数在每个时刻上的值,即用F(w)分辨f(t),因此,Fourier变换分析方法有一个最大的不足是在向频域变换过程中时间信息丢失了,特别是非平稳信号在时间轴上的一些突变,将影响到频谱图中的突变[1];另一种常用的是小波变换(wavelet　transform, WT)方法,它虽然能同时反映振动信号的时域和频域局部化信号,但小波基的长度有限,对信号作小波变换时会产生能量泄露,反映在所在频段内幅值相应减小,使得信号中出现原来并不含有的频率成分,把不同频率的幅值比例改变而“误解”成主要频率,因而也难以对信号作精确的分析[2]。

　　为了解决以上方法分析信号的不足,本文对预制好的带有裂缝缺陷的钢筋混凝土梁进行侧向激振检测,采用一种新的数据分析方法———HHT(Hilbert-Huang transformation)分析信号,获得损伤信号特征。该方法源于美国宇航局HuangNE等人1998年提出的,是一种新的适用于非线性、非平稳信号的时频分析方法[3]。该方法由经验模态分解(empirical mode ecomposition,　　EMD)和Hilbert谱分析(Hilbert spectral analysis, HSA)构成,这一方法在激振响应作用下的数据分析优于常规的Fourier变换分析方法和小波变换(WT)方法,通过HHT分析可以得到一个时间—频率—能量三维Hilbert谱图,没有固定的先验基底,在处理非线性、非平稳信号方面具有强大优势[4]。HHT变换已应用于地震、海洋和结构健康监测等工程中,工程实践证明该分　　析方法行之有效[5-7]。

　　2　HHT分析方法原理简介[8]

　　2.1　EMD方法

　　EMD方法的思想是通过对非线性、非平稳信号的分解,获得一系列表征信号特征时间尺度的固有模态函数IMF(intrinsic mode function),即对信号进行分解,使之能表示许多单分量信号———IMF之和。经Hilbert变换后具有清晰的瞬时振幅和瞬时频率意义。只有满足以下两个基本条件的IMF才是一个单分量信号,一是极值点的个数与零交叉点的个数必须相等或至多相差1个;二是在任意时刻,由极大值点形成的包络线和由极小值点产生的包络线的平均值为零。求出上下包络线的平均值记为m1(t),将原始信号x(t)减去m1(t)即可得到一个新的信号h1(t),看是否满足以上两个条件;若不满足,则重复以上的筛分处理,直到满足IMF条件,这样就得到第1阶IMF分量,记为c1(t)。再用x(t)减去c1(t)得到剩余序列r1(t)。将余项r1(t)重复以上步骤,直到再也没有IMF解析出来为止,这样从原信号中分离出n阶IMF分量c1,c2,…,cn和rn,即