,

(1.上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空制造系,上海 200232; 2.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系， 佛山 528216)

鋼筋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承力件，直接決定了整體結(jié)構(gòu)的靜壓、動(dòng)載荷強(qiáng)度。在混凝土結(jié)構(gòu)中，由于施工過程中的疏忽和其他一些因素，常會(huì)存在鋼筋位置偏移、鋼筋數(shù)量不足、鋼筋直徑不符、鋼筋銹蝕等問題[1],所以對鋼筋質(zhì)量的檢測，已經(jīng)成為工程質(zhì)量鑒定和驗(yàn)收中必不可少的檢測項(xiàng)目[2]。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電磁檢測技術(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無損檢測技術(shù)是利用聲、光、電、磁、熱等物理手段測定與混凝土結(jié)構(gòu)品質(zhì)有關(guān)的特征物理參數(shù)，然后通過對所測參數(shù)各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析來檢測與評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的技術(shù)。其前提條件是不破壞該結(jié)構(gòu)、不影響該結(jié)構(gòu)的使用性能?，F(xiàn)無損檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，目前主要的檢測方法有超聲、紅外、雷達(dá)、射線和電磁檢測等[3-6]。德國的弗思特在20世紀(jì)50年代初，提出了阻抗分析法，開創(chuàng)了現(xiàn)代電磁檢測分析、試驗(yàn)研究和儀器設(shè)備開發(fā)的新階段。標(biāo)準(zhǔn)GB 50204-2002《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》與GB 50204(2015年版)，對工程的梁、板類構(gòu)件保護(hù)層厚度的檢測提出了明確要求，即在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估、改進(jìn)的過程中，如果缺少原始圖紙，或者施工沒有按原設(shè)計(jì)要求和按保護(hù)層厚度要求配置鋼筋，就需要對內(nèi)部的鋼筋分布位置和保護(hù)層厚度進(jìn)行現(xiàn)場檢測；此外，探明鋼筋的實(shí)際位置，有助于鋼筋混凝土鉆孔取芯或安裝設(shè)備鉆孔時(shí)避開主筋位置。在國外，混凝土結(jié)構(gòu)電磁檢測的研究方向及重點(diǎn)主要是混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的三維成像及評(píng)價(jià)技術(shù);在國內(nèi)，20世紀(jì)60年代初開始進(jìn)行渦流檢測技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，交通部公路科學(xué)研究所，上海建材工業(yè)學(xué)院，應(yīng)用電磁感應(yīng)檢測法分別研制出了智能鋼筋保護(hù)層測試儀，鋼筋位置與保護(hù)層厚度智能檢測儀；這兩種儀器均達(dá)到了當(dāng)時(shí)國際控制新構(gòu)筑物施工質(zhì)量和舊構(gòu)筑物無損檢測儀器同類產(chǎn)品的技術(shù)水平。

2 電磁檢測方程與成像原理

2.1 電磁檢測方程

鋼筋混凝土是有損耗的電介質(zhì)媒質(zhì)。對于無損耗的電介質(zhì)媒質(zhì)，電磁波傳播可以通過Maxwell(麥克斯韋)波動(dòng)方程來描述。通常的檢測方程可寫成式(1)[2]。

(1)

式中:Pt為發(fā)射功率；Pr為接收功率；λ為電磁波波長;Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；σ為雷達(dá)散射截面積；R為探測位置到目標(biāo)的距離。

而介質(zhì)有損耗時(shí)，需要考慮介質(zhì)對電磁波吸收的影響，因此對于鋼筋檢測，有以下方程。

(2)

式中:ζt為電磁波從大氣傳播到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的透射率；ζr為電磁波從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)傳播到大氣中的透射率;α為探測介質(zhì)的衰減系數(shù)。

該表達(dá)式是基于地表和目標(biāo)在天線遠(yuǎn)場的情況下成立的；根據(jù)天線理論，遠(yuǎn)場邊界的定義如式(3)所示。

(3)

式中:DA為天線孔徑的最大直徑。

對于淺地表層的鋼筋檢測，其工作頻率一般很高(吉赫茲)，探測的物體也是離天線較近的近場；因此式(3)是鋼筋檢測的一種近似，不能嚴(yán)格表示鋼筋無損檢測儀的接收功率。實(shí)際上，采用基于全電磁模型的時(shí)域有限差分法求解近場區(qū)域的電磁場，將更為準(zhǔn)確。

2.2 成像原理

采用發(fā)射天線將高頻電磁脈沖波以寬頻帶短脈沖形式射向地下，在傳播過程中，該電磁波遇到不同介質(zhì)交界面時(shí)，一部分能量會(huì)被反射回接收天線。實(shí)際上，電磁檢測到的是來自地下介質(zhì)交界面的反射波。所以，記錄到的信息數(shù)據(jù)n(t)可以認(rèn)為是發(fā)射脈沖子波b(t)與反射波系數(shù)序列R(t)的卷積，發(fā)射子波b(t)主要由使用的探測系統(tǒng)決定，并且R(t)包含了被埋介質(zhì)的物理信息。

基于線性陣列的成像原理是：從陣列探測器中的某一單元出發(fā)，假設(shè)激勵(lì)為脈沖球面波入射場，然后在時(shí)域?qū)夭}沖矢量進(jìn)行疊加，從而得到高分辨率的圖像。由于其實(shí)際依據(jù)是計(jì)算機(jī)層析CT成像的投影切片理論，所以該方法可被認(rèn)為是一種合成孔徑檢測儀時(shí)域成像方法?；诰€性陣列的觀點(diǎn)，將檢測儀的合成孔徑掃描模型看作是一種電磁激勵(lì)，即被探測的鋼筋向接收陣列反射電磁脈沖。根據(jù)格林函數(shù)，反向投影成像算法就是將接收脈沖反向傳播到成像區(qū)域，其基本思想就是“延遲-求和”，天線在某點(diǎn)接收到的信號(hào)，可被看作是所有沿著與該點(diǎn)為中心的等距離矢徑上散射中心回波的疊加[4-5]。

3 鋼筋檢測模擬

文章假設(shè)被測混凝土表層下埋置了一組鋼筋。根據(jù)理論分析可知，某一時(shí)刻，在檢測傳感器線圈中加載時(shí)諧電流源或高壓窄脈沖，激勵(lì)線圈將產(chǎn)生交變的電磁場，通過電磁感應(yīng)被測物體(鋼筋)內(nèi)部將產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流(渦電流)。實(shí)際上，交變的感應(yīng)渦電流也將導(dǎo)致被測混凝土空間附近出現(xiàn)交變的磁場，這個(gè)交變的磁場在被探測傳感器線圈中感生出電動(dòng)勢，繼而得到對應(yīng)的反射功率。

3.1 電磁結(jié)構(gòu)模型

針對鋼筋混凝土實(shí)際探測結(jié)構(gòu)，電磁模型的單元類型取為空氣、線圈與混凝土鋼筋3種情況，并定義其介質(zhì)屬性。假設(shè)，被測目標(biāo)的相對磁導(dǎo)率為μr，真空磁導(dǎo)率為μ0,相對介電常數(shù)為εr，真空介電常數(shù)為ε0,則絕對磁導(dǎo)率為μ=μ0μr，絕對介電常數(shù)為ε=ε0εr。通常，μ0=1.26×10-6H·m-1，ε0=8.85×10-12F·m-1，查得鋼筋混凝土的相對磁導(dǎo)率和相對介電常數(shù)后，則能得到其絕對磁導(dǎo)率和絕對介電常數(shù)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電磁檢測模型如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的電磁檢測模型

圖2 鋼筋距離混凝土的實(shí)際檢測示意

3.2 電磁模擬與結(jié)果

(4)

基于此原理，可實(shí)現(xiàn)對鋼筋的檢測。

在實(shí)際應(yīng)用中，回波的延時(shí)與相應(yīng)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的重合概率很小，為了得到精度比較高的圖像，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理[7]。

圖3 濾波后數(shù)據(jù)圖像和歸一化掃描能量圖

圖4 BP算法成像和歸一化掃描能量圖

采用仿真工具軟件MATLAB且編寫成像算法核心程序(略)，可得如圖3所示的B掃成像圖和A掃歸一化能量圖[3]，可見檢測到的鋼筋位置極為準(zhǔn)確。對圖3采用后向投影算法(BP)處理后(見圖4)，歸一化掃描能量和為6.779，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.161，與頻域Stolt偏移成像相比，BP算法使目標(biāo)能量更加集中，所以方位分辨率較好。

一般說來，傳統(tǒng)的電磁檢測不能確定目標(biāo)的具體位置，單個(gè)位置上只能知道目標(biāo)是在以鋼筋檢測的天線為中心、以目標(biāo)和天線之間的距離為半徑的圓周上的某一點(diǎn)。而該方法將合成孔徑長度上所有天線陣元的回波曲線相干疊加，各條曲線在目標(biāo)的位置上產(chǎn)生交疊，會(huì)將該處的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，而其他非目標(biāo)位置會(huì)逐漸淹沒在背景中，從而使得鋼筋圖像清晰可見。根據(jù)圖像顯現(xiàn)的畸變形狀，鋼筋的數(shù)量、位置及清晰程度，可形象判斷、評(píng)價(jià)鋼筋的位置與質(zhì)量等。

4 結(jié)論

采用電磁檢測方法對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，具有以下特點(diǎn)：

(1) 檢測與評(píng)價(jià)便捷?？芍苯釉诨炷两Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行原位檢測與評(píng)價(jià)，能比較真實(shí)地反映鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，可克服標(biāo)準(zhǔn)試塊與實(shí)際被測結(jié)構(gòu)存在差異導(dǎo)致不能真實(shí)反映工程質(zhì)量的缺點(diǎn)。

(2) 能實(shí)現(xiàn)無損評(píng)價(jià)。對被測結(jié)構(gòu)無破壞、影響小，且操作方便；能獲得鉆芯等破壞性試驗(yàn)無法獲得的空洞、開裂等信息。

參考文獻(xiàn):

[1] 粟毅,黃春琳,雷文太.鋼筋無損檢測儀理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2006.

[2] 曾昭發(fā),劉四新,馮恒,等.鋼筋無損檢測儀原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 吳寶杰,姬美秀,楊樺.基于Matlab的鋼筋無損檢測儀數(shù)據(jù)三維顯示[J].物探與化探,2009,33(3):342-344.

[4] 孔令講.淺地層鋼筋無損檢測儀信號(hào)處理算法的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2003.

[5] 張春城.淺地層鋼筋無損檢測儀中的信號(hào)處理技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué),2005.

[6] 孔令講,周正歐.淺地表鋼筋無損檢測儀中改善成像分辨力的一種有效方法[J].信號(hào)處理,2002，18(6)：505-508.

[7] 保錚,郉孟道,王彤.檢測儀成像技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.