一种基于敲击声共振峰相对突出度下降率的火灾后混凝土损伤定量评估方法与流程

本发明属于混凝土结构无损检测，具体涉及一种基于敲击声共振峰相对突出度下降率的火灾后混凝土损伤定量评估方法，涉及建筑安全评估。

背景技术：

1、混凝土在火灾中受热后，会发生氢氧化钙脱水、c-s-h凝胶分解、骨料热膨胀等物理化学变化，导致混凝土的孔隙率增加、微裂纹扩展、弹性模量与抗压强度下降。但是火灾后混凝土内部损伤可能远大于外观可见的损伤，仅凭目测或回弹仪（受碳化层影响）会难以准确评估其内部损伤。

2、中国工程建设标准t/cecs 252-2019《火灾后工程结构鉴定标准》在混凝土构件的鉴定评级中，将锤击反应作为关键评判项目之一。该标准中，关于锤击反应与混凝土表面最高温度、损伤等级的对应关系为附录a、表6.2.1，该表格的内容如下所示。

3、表1：《火灾后工程结构鉴定标准》锤击反应与混凝土表面最高温度、损伤等级的对应关系

4、

5、上述标准给定的混凝土结构构件初步鉴定评级方法存在以下不足：

6、（1）主观性强，一致性差：“响亮”“较响亮”“较闷”“发闷”“发哑”五个等级完全依赖检测人员的个人听觉经验。不同人员对同一声音可能给出不同判断，同一人员在不同疲劳状态下判断也可能发生变化，严重影响鉴定结论的客观性和可重复性。

7、（2）缺乏量化数值标准：标准只给出了定性的文字描述，没有与之对应的定量声学参数。当构件的损伤状况处于两个等级之间的模糊地带时，人耳难以做出精确区分。

8、（3）不可记录、不可追溯：鉴定结论仅体现在报告中的文字描述，未作量化处理，无法还原当时的敲击声音。后续复核或争议时，缺乏可供检验的客观证据。

9、（4）传统主频分析失效：发明人实验发现，使用钢锤敲击混凝土时，声音频谱中幅值最大的频率峰（主频）主要由锤头自身的共振频率决定，与混凝土构件的类型、尺寸、损伤程度几乎无关。实验数据显示，在三种损伤程度明显不同的混凝土构件上，500g钢锤敲击声主频稳定在约8170 hz附近，几乎不随损伤程度变化。这意味着依赖主频变化进行损伤诊断的传统声学思路在钢锤敲击场景下完全失效。

10、（5）能量重心法不稳定：现有基于能量重心的检测方法存在同一构件不同敲击点能量重心波动剧烈的问题，自身对比可靠性差，且对操作手法和环境噪声极为敏感。

11、（6）不同锤头不可比：不同批次或型号的钢锤共振特性存在显著差异，导致同一损伤程度的混凝土构件在不同锤头下测得的声学参数不可直接比较，无法建立通用的分级阈值。

12、（7）重锤共振不稳定：发明人实验发现，锤重超过350g（如500g）时，锤头共振峰常被混凝土自身振动淹没，主频时有时无，检测可靠性大幅下降。

13、（8）已有替代技术存在局限：专业声学检测设备（如冲击回波仪、超声波检测仪）操作复杂、成本高，且钻芯取样法对构件造成二次损伤，受灾现场往往实际可选检测点有限，且火灾发生的部位不同，建筑各个部分的混凝土结构强度损伤差异极大，无法充分开展钻芯取样检测。采用非破坏性检测主要目的是保护受灾建筑的结构安全性，钻芯取样方法等破坏性检测方法存在根本性冲突。

14、因此，急需一种标准化、定量化、可记录的数字化敲击声学评估方法，以克服锤头共振对主频的锁定效应，为t/cecs 252-2019的定性描述提供客观的定量替代方案。帮助评估人员在火灾后混凝土损伤定量评估中，做出准确、可靠、可复现的判断结论，以科学的完成判断构件是否安全、是否需要加固或拆除的评估作业。更好的保障受火灾影响的人员生命安全和财产损失评估。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中火灾后混凝土损伤定量评估方法中存在的主观性强、一致性差、区分度不足且评估结论复现性差的的缺陷，提供一种基于敲击声共振峰相对突出度下降率的火灾后混凝土损伤定量评估方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、在第一方面，本发明提供一种火灾后混凝土损伤定量评估方法，克服现有火灾后混凝土损伤评估中依赖人工听音判断所导致的主观性强、一致性差、缺乏定量标准、不可追溯，以及传统主频分析方法和能量重心法失效的缺陷，基于锤头共振与混凝土调制效应的理论发现，提出以共振峰相对突出度下降率δr%作为客观、定量、可重复、可记录的火灾后混凝土损伤定量评估。

4、具体方案如下，一种基于敲击声共振峰相对突出度下降率的火灾后混凝土损伤定量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

5、（1）使用标准化钢锤对待评估混凝土构件进行连续敲击不少于5次，采集声音信号，得到待测样本；

6、（2）将待测样本和基准样本的声音信号分别进行频谱分析，识别主频（记作fpeak），计算共振峰相对突出度（记作r值）；

7、（3）对同一构件的多次敲击计算得到共振峰相对突出度（即r值）采用迭代极差法进行异常值剔除。然后，对异常值剔除后的各次有效敲击的共振峰相对突出度（r）取算术平均值或最小值，得到基准样本共振峰相对突出度推定值（记作r基准）、待测样本的共振峰相对突出度（记作r损伤）。优选的，r基准作为该款锤头的基准值长期保存，同一款锤头针对同一强度不同类型构件的后续检测无需重复校准。

8、（4）计算待评估混凝土构件相对于基准混凝土构件的共振峰相对突出度下降率，计算公式如下：

9、δr%=（r基准r损伤）/r基准×100%

10、式中，

11、δr%为共振峰相对突出度下降率，

12、r基准为基准样本的共振峰相对突出度推定值，

13、r损伤为待测样本的共振峰相对突出度推定值；

14、（5）将共振峰相对突出度下降率（δr%）与预先标定的分级阈值进行比较，输出与现行标准t/cecs 252-2019中锤击反应定性等级对应的定量评估结果。

15、本发明的理论基础为锤头共振与调制效应，发明人通过大量实验发现：当使用200g~350g标准化钢锤敲击混凝土时，主频（幅值最大的频率点）高度稳定在锤头固有共振频率附近（例如200g锤约8170 hz、250g锤约5670hz、350g锤约5200hz，极差<10hz），由锤头自身的质量和刚度决定，与混凝土构件的类型、尺寸、损伤程度几乎无关。混凝土损伤不改变主频位置，但改变主频对应的共振峰的突出程度——混凝土损伤越严重，共振峰越被“淹没”，频谱越扁平。这一“调制效应”正是人耳判断“清脆”与“发哑”的物理本质。

16、所以，本发明火灾后混凝土损伤定量评估方法以共振峰相对突出度下降率（δr%）的客观指标定量表征混凝土损伤导致的敲击声音变化，替代现行标准t/cecs 252-2019中依赖人耳主观判断的“声音响亮、较响亮、较闷、发闷、发哑”五级定性描述，解决了人工听音法主观性强、一致性差、缺乏定量标准的技术难题。

17、本发明方法的核心创新在于：基于锤头共振与混凝土调制效应的理论发现，混凝土损伤不改变主频位置（主频由锤头自身共振决定），但改变共振峰的突出程度。损伤越严重，共振峰越被“淹没”，r值越低。r值度量的是“锤头共振峰在频谱中有多突出”，与人耳判断“清脆”与“发哑”的物理本质完全一致。

18、通过基准校准将不同锤头的测量结果归一化为δr%，实现了跨锤头通用的损伤定量评估。δr%采用百分比下降率而非绝对偏移量，消除了不同混凝土强度等级、不同构件尺寸导致的基准差异，使分级阈值具有跨构件的普适性。

19、由于本方法的核心指标δr%是基于同一锤头自身共振特性进行归一化计算的，且反映的是敲击点局部表面硬度对锤头共振的调制效应，因此该方法不受待评估混凝土构件的宏观几何形状、截面尺寸或边界条件的限制，可直接适用于梁、板、柱、墙等不同类型的混凝土构件，无需为每种构件单独建立评估标准。

20、相比于现有技术钻芯取样测抗压强度、热重分析测水化产物残留，能直接给出残余强度，但需要对结构进行破坏性试验，本发明火灾后混凝土损伤定量评估方法更加容易实施，且对于已经受到损伤的建筑构件伤害极小，可以忽略不计。

21、进一步，在步骤（1）中，敲击次数不少于5次，优选的，敲击6次或以上，例如敲击7次、8次。

22、进一步，在步骤（1）中，还包括：使用标准化钢锤对基准构件进行连续敲击（不少于5次），采集基准声音信号，作为基准样本。

23、基准样本的声音信号可以重复使用，对于相同规格的火灾后待评估混凝土构件，可以采用标准的基准样本。所述基准样本根据混凝土的强度等级，如c30、c40、c60等；同时，还可以按照混凝土构件的类型进行划分。

24、进一步，所述基准构件是基准混凝土构件，选自以下三种方式之一：

25、（1）火灾前，与火灾影响范围相同、强度等级相同的构件；

26、（2）火灾后，与火灾影响范围相同、强度等级相同但构件未受损部位；

27、（3）火灾后，与火灾影响范围相邻、强度等级相同的构件。

28、优选，边界条件相同、构件尺寸相同、强度等级相同的同类构件。例如，遭受火灾的c30混凝土梁，采用同样尺寸的未遭受火灾的c30混凝土梁作为基准混凝土构件。

29、进一步，步骤（2）中所述共振峰相对突出度的计算公式为：

30、

31、其中，

32、

r为共振峰相对突出度；

33、

fpeak为主频，

34、

b为相对带宽比例，取值范围为 5%~20%，优选10%；

35、

a(f)为频率

f处的幅值；

36、为分析频段下限，优选

fl取主频的3%~8%，优选5%，且不小于300hz；

37、为分析频段上限，优选

fh取主频的1.5~2.5倍，优选2.0倍。

38、该公式通过计算频域能量占比，以表征共振峰的相对突出度。具体是以b为相对带宽比例范围，计算频谱峰值附近的信号能量，分析其占整个分析频段总能量的比例，进而量化信号能量在主导频率处的集中程度。

39、进一步，在步骤（2）中，进行频谱分析前，对采集的声音信号依次进行去直流处理和幅度归一化处理：去直流处理通过减去信号均值消除录音设备的直流偏置；幅度归一化处理通过除以信号绝对值的最大值将振幅范围统一缩放至[-1, 1]，以消除录音距离和敲击力度差异对分析结果的影响。

40、进一步，步骤（3）中所述迭代极差法的具体操作为：

41、（a）计算同一构件多次敲击所得r值的极差；其中，极差为最大值与最小值之差；

42、（b）当极差超过平均值的预设比例时，剔除偏离均值最远的测量值；

43、（c）对剩余数据重新计算均值与极差，重复步骤（b），直至极差不超过平均值的预设比例或剩余数据不足3个为止；

44、（d）所述预设比例的取值范围为15%~25%，优选值为20%；

45、（e）有效数据多于3次时取算术平均值作为r推定值，等于3次时取最小值作为r推定值，不足3次时提示重新采集。

46、等于3次时取最小值作为推定值，是为了在小样本检测场景下偏于安全地评估损伤程度，避免因个别数据偏高而低估构件的实际损伤，符合工程安全评估的保守原则。

47、进一步，同一构件多次敲击r值的极差作为混凝土表面均匀度的辅助诊断指标：极差小于0.10表示表面均匀密实；极差在0.10~0.20之间表示表面略不均匀；极差大于0.20表示表面显著不均匀或存在局部缺陷。充分利用多次敲击检测过程中产生的冗余信息，进行r值极差分析，为评估人员提供了更多关于混凝土表面状态的参考依据。

48、进一步，步骤（4）中所述共振峰相对突出度下降率（δr%）的计算以基准构件的平均共振峰相对突出度（r）基准为归一化基准，将共振峰相对突出度的绝对偏移量转换为相对百分比数值，使共振峰相对突出度下降率（δr%）成为无量纲归一化指标；步骤（5）中所述分级阈值基于所述无量纲归一化指标预先标定，使得相同强度等级的不同混凝土构件共享同一套分级阈值。

49、进一步，步骤（5）中所述分级阈值与t/cecs 252-2019五级定性描述的对应关系如下表所示。

50、表2：分级阈值和五级定性描述的对应关系

51、

52、进一步，还包括现场声音等级动态标定方法：当受损构件多，且需要将 δr% 与具体工程的五级声音等级更精确对应时，在现场选取声音“响亮”“较响亮”“较闷”“发闷”“发哑”这5类代表性构件各至少3根作为声学标杆，计算各标杆构件的δr%，取前一类3个标杆构件δr%的最大值与相邻后一类3个标杆构件δr%的最小值之和的平均值，作为该相邻两类构件的界限，建立本工程专属的五级分级标尺。

53、检测人员依据t/cecs 252-2019的五级定性描述，在现场选取声音“响亮”“较响亮”“较闷”“发闷”“发哑”这5类代表性构件各至少3根作为声学标杆，计算各标杆构件的δr%，取前一类3个标杆构件δr%的最大值与相邻后一类3个标杆构件δr%的最小值之和的平均值，作为该相邻两类构件的界限，建立本工程专属的五级分级标尺。

54、进一步，还包括残余强度现场标定方法：当需要推断残余抗压强度时，选取 3~5根覆盖不同损伤梯度的典型构件进行钻芯取样和抗压强度试验，将每根芯样构件的 δr%与残余强度比一一对应，通过回归拟合建立定量转换关系曲线，其余构件通过δr%反查获得残余强度比推断值。

55、当需要推断残余抗压强度时，可采用现场强度标定方法：对所有待评估的同类构件进行敲击检测并计算δr%，按δr%从小到大排序，选取3~5根覆盖不同损伤梯度的典型构件进行钻芯取样和抗压强度试验，将每根芯样构件的δr%与残余强度比一一对应，通过回归拟合建立定量转换关系曲线，其余构件通过δr%反查获得残余强度比推断值。

56、进一步，在步骤（1）中，对敲击事件自动检测：采用滑动窗口法计算信号的短时能量曲线，窗口宽度取10毫秒±3毫秒，例如10毫秒的窗口；当短时能量值超过信号全局均方根能量的预设倍数时，判定为一次敲击事件。所述预设倍数可根据环境噪声水平在2~5倍范围内选取，典型值为3倍。两次相邻敲击之间的最小间隔设定≥0.2秒，以防止同一次敲击的余振被误判为多次敲击。

57、进一步，锤头质量限定在200g~350g范围内。实验表明，锤重超过350g（如500g）时，锤头共振峰常被混凝土自身振动淹没，主频时有时无，检测可靠性大幅下降。200g~350g范围内的轻锤可稳定激发锤头自身共振，主频高度稳定（极差<20 hz），确保r值计算的可靠性和检测结果的可重复性。

58、进一步，步骤（1）中采用标准化操作方式进行敲击和录音：

59、采用锤重200g~350g的实心钢制检测锤，优选200g或250g。

60、优选的，固定垂直落距100mm～200mm，同一构件连续敲击次数不少于5次，敲击点按100mm×100mm网格间距布置，每点单次敲击且相邻敲击间隔≥1~2秒。

61、优选的，录音设备采样率≥48khz且位深≥24bit，录音设备固定置于敲击点侧上方10cm～20cm处。

62、优选的，信号截取长度为0.1~0.3秒，优选0.2秒。

63、优选的，加窗处理采用汉宁窗。汉宁窗（hanning window）是窗函数之一，是升余弦窗的一个特例，是3个矩形时间窗的频谱之和。

64、本发明方法以共振峰相对突出度下降率δr%作为客观指标，替代现行标准t/cecs252-2019中依赖人耳主观判断的“声音响亮、较响亮、较闷、发闷、发哑”五级定性描述。而非绝对偏移量作为损伤评估指标，消除了不同混凝土强度等级、不同构件尺寸导致的基准共振峰相对突出度差异，使分级阈值对不同工程对象具有普适性，避免因基准共振峰相对突出度不同而需要为每种混凝土单独标定绝对偏移阈值。

65、进一步，对于相同设计强度等级的混凝土构件，不受构件宏观几何形状、截面尺寸或边界条件的限制，可直接适用于梁、板、柱、墙等不同类型的构件；对于不同设计强度等级的构件，应各自建立基准，不能跨等级混用。

66、与现有技术相比，本发明的有益效果：

67、1.客观定量：本发明火灾后混凝土损伤定量评估方法采用客观定量分析，代替现有鉴定标准从“响亮”“较响亮”“较闷”“发闷”“发哑”等模糊评价，实现了损伤程度的连续量化，消除了人耳主观差异，输出结果变为共振峰相对突出度下降率的精确数值。

68、2.跨锤头通用：本发明火灾后混凝土损伤定量评估方法通过基准校准将不同锤头的测量结果归一化，δr%具有跨锤头的可比性。锤头一次标定后长期使用，待测构件无需预设基准。实验验证表明，200g锤（主频约8170 hz）、250g锤（主频约5670 hz）、350g锤（主频约5200 hz）经基准校准后，测得的分级阈值偏差在±3%以内。

69、3.同强度等级内跨类构件通用：由于本方法的核心指标δr%是基于同一锤头自身共振特性进行归一化计算的，且反映的是敲击点局部表面硬度对锤头共振的调制效应，因此对于相同设计强度等级的混凝土构件，该方法不受构件宏观几何形状、截面尺寸或边界条件的限制，可直接适用于梁、板、柱、墙等不同类型的构件，无需为每种构件单独建立评估标准。对于不同设计强度等级的构件，应各自建立基准，不能跨等级混用。

70、4.克服锤头共振干扰：本发明基于锤头共振与混凝土调制效应的理论发现，通过共振峰相对突出度r度量锤头共振峰的突出程度，不受锤头自身共振频率的锁定效应影响，能够有效区分不同损伤程度的混凝土构件，克服了现有技术中锤头共振导致反馈信号无变化的问题。

71、5.物理意义清晰：r值直接度量“锤头共振峰在频谱中有多突出”，与人耳判断“清脆”与“发哑”的物理本质完全一致。经大量实验验证，r值在不同表面状态的混凝土构件之间区分度清晰。

72、6.可深度量化：可选配现场钻芯标定，将δr%转换为残余强度推断值，为后续加固设计提供更直接的技术依据。

73、7.可追溯可复验：本发明火灾后混凝土损伤定量评估方法仅需普通录音设备（手机即可）和标准化钢锤进行检测，无需专用检测仪器，检测效率高，且测试得到的录音文件可永久保存，检测结论可随时复验。任何利益相关方均可调取原始录音进行复核，实现了鉴定数据资料可重复可溯源的效果。特别是对于火灾后大面积快速普检具有重要意义。

74、8.两级质量控制：本发明火灾后混凝土损伤定量评估方法采取了迭代极差剔除策略，在小样本场景下能够可靠地剔除异常值，保证评估结果的稳健性。同时极差本身作为表面均匀度的辅助诊断指标，提供了损伤评估的额外维度。