臺灣博碩士論文加值系統

研究中主要以混凝土板表面經敲擊後激發出板波的傳遞特性，檢測混凝土板結構中是否有缺陷問題。將針對混凝土板結構，以一個敲擊源及一個接收器的配置進行實驗，以短時傅立葉轉換以及再分配時頻譜求得頻散曲線。
利用有限元素模擬可感測敲擊源與接收器擷取接收間距的反應位移波形，得到數值解之波慢-頻率圖並擷取出A0反對稱模態，與Disperse程式得到之理論解進行比較分析。A0模態擷取研究以分層劣化混凝土為例，以數值模擬及實驗分層劣化混凝土來驗證此程式之可行性，並進行分析比較。
數值模擬顯示，敲接距離過短對於整體波速的影響甚大，但若把敲接距離拉長約至所要量測板厚的3倍以上即可將干擾降低。程式對於擷取出A0模態之波速轉折的波長位置約上層厚度的1.6倍，三層劣化混擬土對於中間層的波速難以觀測只能看出最低與最高波速。
實驗結果得知，邊界反應的影響甚大，使得其它模態在波慢譜中的訊號更加明顯以致A0模態擷取困難，上層3 cm與上層5 cm板厚的分層厚度與數值模擬結果相互比對，可發現上層厚度約1.6-2倍的波長可以清楚發現波速轉折的趨勢，藉此判別分層的厚度。

The purpose of this research is on detecting flaw inside concrete slab structure using the characteristics of Lamb waves generated by an impacting force applying on the surface. The experiments were conducted by one excitation source and one receiver configuration. The dispersion curves of the test results were obtained by short-time Fourier transform spectrum and amplitude reassigned method.

Using the finite-element simulation, the response displacement waveform between the impact source and the receiver can be obtained. The slowness dispersion diagrams of the numerical solution is obtained and the antisymmetric mode of A0 is extracted. That is compared with the theoretical solution obtained by the program Disperse. The methodology of extracting A0 modal dispersion curve is demonstrated by the example of concrete plate with layered deterioration. FEM simulation and experiments of layering deteriorated concrete plate were conducted to verify the feasibility of using this program for analysis and comparison.

Finite-element simulations show that short impactor-receiver distance has a great effect on the overall wave velocity, but the interference is reduced if the impactor-receiver distance is more than three times longer than the interested thickness. For A0 mode, the turning point of wave speed from lower speed to higher one is at the wavelength about 1.6 times the thickness of the upper deteriorated concrete layer. For three-layered case, the wave velocity of the middle layer is difficult to observe, and only the lowest layer wave speed and the one of bottom sound concrete can be seen.

The experimental results show that the effect of boundary reflection is very strong, which makes the signal of the other modes in the slowness spectrum more obvious and makes the recognition of A0 mode difficult. The cases with the thicknesses of the upper layer 3cm and the upper layer 5cm are compared with the numerical simulation results. It was found that there is a trend of wave velocity transition for the wave length in the range about 1.6-2 times of the upper layer thickness. This trend can be utilized to discriminate the thickness of the weak top concrete layer.

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章. 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機及目的 1
1.3 研究流程 2
第二章. 文獻回顧 3
2.1 基本波傳原理 3
2.2 群波速度與相位波速【33】 4
2.3 表面波譜法 5
2.4 敲擊回音法 7
2.5 板波檢測法 9
2.5.1 板波波傳原理 9
2.5.2 國內相關文獻 11
2.6 短時傅立葉轉換 16
2.7 再分配時頻譜【27】 18
第三章. 再分配時頻譜擷取表面波頻散曲線方法 20
3.1 程式編寫概念 20
3.2 程式編寫流程 20
3.3 擷取結果討論 23
第四章. 上層劣化混凝土板數值模擬 26
4.1 概述 26
4.2 有限元素數值模擬 26
4.3 Disperse介紹及應用【25】 26
4.4 雙層混凝土板模型 27
4.4.1雙層混凝土板模型不同劣化分層、邊界反應與敲接間距比對之擷取結果 27
4.5 三層混凝土模型 33
4.5.1三層混凝土板模型之敲接間距比對之擷取結果 33
4.6 Disperse理論解 36
4.6.1上層固定5 cm 下層5變化至45 cm 36
4.6.2單層劣化層與雙層劣化層之影響 36
4.7 各層劣化混凝土敲接間距之比對 38
4.8 小結 39
4.8.1雙層劣化混凝土板結果 39
第五章. 分層劣化混凝土板檢測實驗 41
5.1 概述 41
5.2 儀器介紹 41
5.3 實驗配置 42
5.3.1 上層劣化混凝土試體規劃 42
5.3.2雙層試體檢測方法 43
5.4 板波檢測實驗結果 43
5.4.1 數據分析 43
5.4.2上層劣化3cm混凝土板 44
5.4.3上層劣化5cm混凝土板 46
5.5 雙層劣化混凝土相同敲接間距比對 49
5.6 上層為10公分厚水泥砂漿弱層板狀試體[23] 51
5.7 表面火害之混凝土試體[23] 52
5.8 小結 54
第六章. 結論與建議 56
6.1 結論 56
6.2 建議 57
參考文獻 58


 
表目錄
表 4-1 數值模擬模型種類 84
表 4-2 雙層模型混凝土模擬參數 84
表 4-3 三層模型混凝土模擬參數 84

表 5-1 試體規劃 107
表 5-2 檢測設定之訊號參數設定 107
表 5-3 表面火害試體規劃 107

 
圖目錄
圖 1-1 研究流程圖 62
圖 2-1 應力波動行為示意圖 63
圖 2-2 表面波譜法表面波譜法之典型試驗配置圖【8】 63
圖 2-3 表面波譜法流程 64
圖 2-4 典型之頻散曲線圖 65
圖 2-5 接收器及敲擊源示意圖 65
圖 2-6 表面位移波形 66
圖 2-7 頻率-波數圖【13】 66
圖 2-8 頻率-相速圖【13】 67
圖 2-9 等向(isotropic)板的理論相位波速頻散曲線頻率-相速圖【16】 67
圖 2-10 對稱與反對稱模態圖【16】 68
圖 2-11 自由板上板波頻散曲線圖【17】 68
圖 2-12 純鋼板32個接收器間距18 mm之頻散曲線圖【18】 69
圖 2-13 為敲擊與接收器間距40.05cm之頻散曲線圖【19】 69
圖 2-14 為敲擊與接收器間距44.05 cm之頻散曲線圖【19】 70
圖 2-15 為敲擊與接收器間距50.05 cm之頻散曲線圖【19】 70
圖 2-16 數值模擬混凝土板之頻散曲線與混凝土板理論解比較圖【22】 71
圖 2-17 數值模擬複合板波長-波速(上5cm下10cm) 【22】 71
圖 2-18 單層混凝土板試驗之波速-波長圖 72
(敲擊接收距離為2m敲擊源直徑為9mm)【23】 72
圖 2-19 純水泥漿+混凝土雙層複合板試驗與雙層混凝土板理論解比較 (上層0.06 m，下層0.14 m，敲接0.5 m) 【23】 72
圖 2-20 純水泥漿+混凝土雙層複合板試驗與雙層混凝土板理論解比較圖 (上層0.1 m，下層0.1 m，敲接0.5 m) 【23】 73
圖 2-21 以單一訊號短時傅力葉轉換所得之板波頻散譜【23】 73
圖 2-22 以再分配頻譜獲得之原始譜圖【23】 74
圖 3-1 (a)Step1分割頻率、(b)分割波慢 75
圖 3-2 (a)Step3找出最大振幅平均值、(b)Step4定義波慢基準區(SL_B)與起始分析頻率(F0) 76
圖 3-3 (a)Step5選定(SF-current)、(b)Step6.1擷取條件之避免SF-current過於跳躍 77
圖 3-4 (a)Step6.2擷取條件之避免SF-current(黃格)持續偏高或偏低、(b)Step6.1擷取條件之忽略SF-current(黃格)內振幅微弱訊號 78
圖 3-5 橫向1m縱向3-22cm雙層劣化混凝土之敲接間距0.7m(a)(b)原訊號、(c)(d)擷取訊號、(e)(f)平均訊號 79
圖 3-6 上層10cm下層10cm可感3mm雙層劣化混凝土之敲接間距1.5m(a)(b)原訊號、(c)(d)擷取訊號、(e)(f)平均訊號 80
圖 3-7 上層10cm下層10cm可感3mm雙層劣化混凝土之敲接間距1m(a)(b)原訊號、(c)(d)擷取訊號、(e)(f)平均訊號 81
圖 3-8 Step6.1圖解訊號擷取範圍頻率8500-9900 Hz、波慢0.15-0.5 (ms/m)擷取方向頻率為高往低擷取 黃格-擷取訊號的區間，藍格-限制範圍 82
圖 3-9 Step6.2圖解訊號擷取範圍頻率(9700-11100Hz)波慢(0.15-0.5(ms/m))擷取方向為右往左擷取 黃格-擷取的訊號，藍格-限制範圍 83
圖 4-1 模擬雙層及三層劣化混凝土板設計圖 85
圖 4-2 模擬雙層及三層劣化混凝土板Disperse理論解【25】 86
圖 4-3 橫向1 m縱向3-22 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7 m。 87
圖 4-4 橫向1 m縱向3-22 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7 m。 88
圖 4-5 橫向4 m縱向3-22 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7 m。 89
圖 4-6 橫向4 m縱向3-22 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7 m。 90
圖 4-7 橫向4 m縱向3-22 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距1 m、(c)(d)接收間距1.5 m、(e)(f)接收間距2 m。 91
圖 4-8 橫向4 m縱向3-22 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距1 m、(c)(d)接收間距1.5 m、(e)(f)接收間距2 m。 92
圖 4-9 橫向1 m縱向5-20 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7 m。 93
圖 4-10 橫向1 m縱向5-20 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7 m。 94
圖 4-11 橫向4 m縱向5-20 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7 m。 95
圖 4-12 橫向4 m縱向5-20 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7 m。 96
圖 4-13 橫向4 m縱向5-20 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距1 m、(c)(d)接收間距1.5 m、(e)(f)接收間距2 m。 97
圖 4-14 橫向4 m縱向5-20 cm-20 s雙層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距1 m、(c)(d)接收間距1.5 m、(e)(f)接收間距2 m。 98
圖 4-15 橫向4 m縱向2-3-20 cm-20s三層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7m。 99
圖 4-16 橫向4m縱向2-3-20cm-20 s三層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距0.4 m、(c)(d)接收間距0.5 m、(e)(f)接收間距0.7m。 100
圖 4-17 橫向4m縱向2-3-20 cm-20 s三層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距1 m、(c)(d)接收間距1.5 m、(e)(f)接收間距2 m。 101
圖 4-18 橫向4m縱向2-3-20 cm-20 s三層劣化混凝土之敲擊源與接收器間距不同-(a)(b)接收間距1 m、(c)(d)接收間距1.5 m、(e)(f)接收間距2 m。 102
圖 4-19 上層劣化總後厚度不同之雙層混凝土板波長-波速圖比對 103
圖 4-20 上層劣化總後厚度不同之雙層混凝土板波長-波速圖-最大波速趨勢比對圖 103
圖 4-21 分層不同總厚度相同劣化混凝土波速-波長圖比對 104
圖 4-22 橫向4 m縱向3-22 cm-20 s雙層劣化混凝土之接收器間距不同 105
圖 4-23 橫向4 m縱向5-20 cm-20 s雙層劣化混凝土之接收器間距不同 105
圖 4-24 橫向4m縱向3-22 cm-60 s雙層劣化混凝土之接收器間距不同 106
圖 4-25 橫向4m縱向2-3-20 cm-20 s雙層劣化混凝土之接收器間距不同 106

圖 5-1 敲擊回音之實驗主要儀器 108
圖 5-2 檢測點位配置(a)水泥砂漿層厚度5公分(b)水泥砂漿層厚度3公分 108
圖 5-3 實驗檢測照片 108
圖 5-4 上層3cm雙層劣化混凝土板之縱向位置4敲擊接收間距0.4m -(a)(b)敲擊接收FJ、(c)(d)敲擊接收JF。 109
圖 5-5 上層3cm雙層劣化混凝土板之縱向位置4敲擊接收間距0.4m -(a)(b)敲擊接收FJ、(c)(d)敲擊接收JF。 110
圖 5-6 上層3cm雙層劣化混凝土板之縱向位置5敲擊接收間距0.4m -(a)(b)敲擊接收FJ、(c)(d)敲擊接收JF。 111
圖 5-7 上層3cm雙層劣化混凝土板之縱向位置5敲擊接收間距0.4m -(a)(b)敲擊接收FJ、(c)(d)敲擊接收JF。 112
圖 5-8 上層3cm雙層劣化混凝土板之縱向位置H敲擊接收間距0.5m -(a)(b)敲擊接收16、(c)(d)敲擊接收38 113
圖 5-9 上層3cm雙層劣化混凝土板之縱向位置H敲擊接收間距0.5m -(a)(b)敲擊接收16、(c)(d)敲擊接收38 114
圖 5-10 上層3cm雙層劣化混凝土板之敲擊接收間距0.7m -(a)(b)縱向位置H敲擊接收18、(c)(d) 縱向位置J敲擊接收18。 115
圖 5-11 上層3cm雙層劣化混凝土板之敲擊接收間距0.7m -(a)(b)縱向位置H敲擊接收18、(c)(d) 縱向位置J敲擊接收18。 116
圖 5-12 上層5cm雙層劣化混凝土板之縱向位置4敲擊接收間距0.4m -(a)(b)敲擊接收AE、(c)(d)敲擊接收EA。 117
圖 5-13 上層5cm雙層劣化混凝土板之縱向位置4敲擊接收間距0.4m -(a)(b)敲擊接收AE、(c)(d)敲擊接收EA。 118
圖 5-14 上層5cm雙層劣化混凝土板之縱向位置5敲擊接收間距0.4m -(a)(b)敲擊接收AE、(c)(d)敲擊接收EA。 119
圖 5-15 上層5cm雙層劣化混凝土板之縱向位置5敲擊接收間距0.4m -(a)(b)敲擊接收AE、(c)(d)敲擊接收EA。 120
圖 5-16 上層5cm雙層劣化混凝土板之縱向位置D敲擊接收間距0.5m -(a)(b)敲擊接收16、(c)(d)敲擊接收38 121
圖 5-17 上層5cm雙層劣化混凝土板之縱向位置D敲擊接收間距0.5m -(a)(b)敲擊接收16、(c)(d)敲擊接收38 122
圖 5-18 上層5cm雙層劣化混凝土板之敲擊接收間距0.7m -(a)(b)縱向位置C敲擊接收18、(c)(d) 縱向位置D敲擊接收18。 123
圖 5-19 上層5cm雙層劣化混凝土板之敲擊接收間距0.7m -(a)(b)縱向位置C敲擊接收18、(c)(d) 縱向位置D敲擊接收18。 124
圖 5-20 上層3 cm雙層劣化混凝土板之擊接收間距0.4 m疊圖：縱向位置1-8敲擊接收位置FJ。 125
圖 5-21 上層3 cm雙層劣化混凝土板之擊接收間距0.4 m疊圖：縱向位置1-8敲擊接收位置JF。 125
圖 5-22 上層3 cm雙層劣化混凝土板之擊接收間距0.5 m疊圖：縱向位置F-J敲擊接收位置16。 126
圖 5-23 上層3 cm雙層劣化混凝土板之擊接收間距0.5 m疊圖：縱向位置F-J敲擊接收位置38。 126
圖 5-24 上層3 cm雙層劣化混凝土板之擊接收間距0.7 m疊圖：縱向位置F-J敲擊接收位置18。 127
圖 5-25 上層5 cm 雙層劣化混凝土板之敲擊接收間距0.4 m疊圖：縱向位置1-8敲擊接收位置AE。 128
圖 5-26 上層5 cm 雙層劣化混凝土板之敲擊接收間距0.4 m疊圖：縱向位置1-8敲擊接收位置EA。 128
圖 5-27 上層5 cm 雙層劣化混凝土板之敲擊接收間距0.5 m疊圖：縱向位置A-E敲擊接收位置16。 129
圖 5-28 上層5 cm 雙層劣化混凝土板之敲擊接收間距0.5 m疊圖：縱向位置A-E敲擊接收位置38。 129
圖 5-29 上層5 cm雙層劣化混凝土板之擊接收間距0.7 m疊圖：縱向位置A-E敲擊接收位置18。 130
圖 5-30 上層10cm微弱層與下層10cm混凝土板 131
圖 5-31 上層10 cm純水泥漿下層10 cm混凝土之雙層複合板試體 132
圖 5-32 上層10 cm純水泥漿下層10 cm混凝土之雙層複合板試體 133
圖 5-33 上層10 cm純水泥漿下層10 cm混凝土之雙層複合板試體 134
圖 5-34 上層10 cm純水泥漿下層10 cm混凝土之雙層複合板試體 135
圖 5-35 上層10 cm純水泥漿下層10 cm混凝土之雙層複合板試體 136
圖 5-36 上層10 cm純水泥漿下層10 cm混凝土之雙層複合板試體 136
圖 5-37 上層6 cm火害版下層9 cm混凝土之雙層複合板試體 137
圖 5-38 上層4 cm火害版下層11 cm混凝土之雙層複合板試體 138
圖 5-39 上層4 cm火害版下層11 cm混凝土之雙層複合板試體 139
圖 5-40 上層6 cm火害版下層9 cm混凝土與上層4 cm火害版下層11 cm混凝土雙層複合板試體，敲接間距0.4 m之疊圖比對。 140

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