束永龍， 孫益軒， 楊亦芃， 程 帥， 賈思豪

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.先進鋼結構技術與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

鑒于鋼管混凝土組合結構具有強度高、延性好、施工便捷、抗震性好等優(yōu)勢，在高層建筑、橋梁工程、重載交通和大跨結構等實際工程中被廣泛應用[1]。然而，據(jù)統(tǒng)計實際鋼管混凝土結構由于內(nèi)外溫差、混凝土干縮、養(yǎng)護條件、施工工藝及服役環(huán)境等因素，普遍存在脫空缺陷問題[2]。部分研究表明，混凝土脫空缺陷的存在會造成鋼管與混凝土界面脫離，顯著削弱鋼管混凝土的承載力、剛度和延性等力學性能，忽略脫空缺陷的影響，可能給實際工程埋下較大的安全隱患[3]。

鑒于上述問題，有必要對實際鋼管混凝土結構/構件的脫空情況進行合理的檢測評估，以合理診斷與防治其可能發(fā)生的質量安全事故。目前，實際鋼管混凝土結構的脫空檢測方法主要包括鉆芯取樣法、人工敲擊法和振動測試法[4]。然而，上述傳統(tǒng)脫空缺陷檢測方法存在一定的局限性，容易造成誤判或漏判，不適合當前對安全和便捷的進一步追求。使用時間最長且范圍最廣的方法是人工敲擊法，這種方法雖然操作簡單，但人工攀爬具有較大的危險性，且其準確性和操作人員的熟練程度關聯(lián)緊密，無法保證檢測結構的準確性[5]。分布式光纖檢測法可以對鋼管混凝土整體定性檢測，但在鋼管混凝土建造中鋪設光纖需要花費額外的時間和資金，并且鋼管內(nèi)表面鋪設的光纖會一定程度地影響結構強度[6]。振動測試法需要對建筑物本身施加較大的外力激勵，加載設備往往較為笨重，無法便捷攜帶[7]。綜上所述，研發(fā)一種安全、高效、精確的新型檢測技術，對實際鋼管混凝土結構脫空問題的診斷和防治具有重要意義。

因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術，結合智能機器人和超聲檢測，提出了一種鋼管混凝土脫空缺陷的智能化新型遠程傳輸檢測技術，該方法旨在為傳統(tǒng)檢測提供新思路與新方法。

1 物聯(lián)網(wǎng)工程

1.1 物聯(lián)網(wǎng)基本概念的解釋

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過網(wǎng)絡接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理，如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等的信息承載體，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)工程概念圖解

1.2 物聯(lián)網(wǎng)工程對鋼管混凝土脫空檢測的助力

物聯(lián)網(wǎng)作為新興技術的代表之一，具有舊經(jīng)濟形勢下所沒有的新特征，新內(nèi)容，并且以其新形勢吸引了諸多方面的研究與關注。目前階段來看，物聯(lián)網(wǎng)技術是先進生產(chǎn)力的代表，在新形勢下具有極大的發(fā)展空間。為了適應外界條件的變化，諸多的傳統(tǒng)作業(yè)方式已經(jīng)與物聯(lián)網(wǎng)技術結合起來，達到了意想不到的效果。

對于鋼管混凝土的脫空檢測，仍然具有數(shù)量龐大、信息復雜、危險性大等諸多特點，結合物聯(lián)網(wǎng)的應用實例來看，可以推斷，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到鋼管混凝土脫空檢測是必要的，是新形勢下的新要求，物聯(lián)網(wǎng)技術一定會推動鋼管混凝土檢測技術形成體系并且不斷向外延拓。

物聯(lián)網(wǎng)技術作為新興的技術代表之一，因其代表著先進的生產(chǎn)力，其當然就能夠為社會創(chuàng)造更大的財富，也能提升國家的競爭力和綜合實力。綜合近年我國的政策來看，物聯(lián)網(wǎng)技術擁有比傳統(tǒng)技術更多的政策扶持，在政策條件的保障下，物聯(lián)網(wǎng)技術擁有極為廣闊的市場。結合目前我國物聯(lián)網(wǎng)技術應用仍極為狹窄的情況，物聯(lián)網(wǎng)技術衍生的產(chǎn)品擁有極大的需求。綜上所述，如果能將物聯(lián)網(wǎng)技術與鋼管混凝土脫空技術的檢測結合衍生產(chǎn)品，將會產(chǎn)生極大的利潤效益，為以后技術的發(fā)展創(chuàng)新提供堅實的基礎，將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到土建方面將會是時代發(fā)展不可改變的趨勢，研究物聯(lián)網(wǎng)技術下的鋼管混凝土脫空技術檢測也是必要可行的。

2 超聲波檢測技術

超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質，這一特性被廣泛用于超聲波探傷、厚度測量、距離測量、遙控和超聲成像技術等中。采用超聲波對鋼管混凝土進行缺陷檢測，其基本原理即基于超聲波傳導的這一特性。在進行檢測時，將超聲波探傷儀的換能器(分為發(fā)射器和接收器)放置在檢測截面的兩對側，超聲波由其發(fā)射器傳導到接收器,期間經(jīng)過鋼管混凝土截面。如果截面上存在缺陷，譬如存在內(nèi)部空洞、鋼管和混凝土之間脫空等，則超聲波的波速、波形、幅值以及頻率都會發(fā)生改變。

超聲波屬于無損檢測方法，能判斷管內(nèi)部混凝土缺陷的位置和大小，主要方法有首波聲時法(波速)、波形識別法、首波頻率法、振幅法和多參數(shù)綜合分析法。超聲波儀器通過測量不同測點的聲時，并根據(jù)距離測量可以算得對應的聲速。鋼管混凝土脫空時，超聲波傳遞所需的時間長于在緊密結合的鋼管混凝土中傳遞所需時間。計算超聲波自激發(fā)端抵達接收端經(jīng)過的時間，就可以確定鋼管混凝土脫空情況和脫空嚴重性。因此，可以通過分析所得數(shù)據(jù)來判別鋼管混凝土中是否存在缺陷，以及產(chǎn)生的缺陷種類[7]。

3 鋼管混凝土檢測機器人

目前，常見的機器人按機器人的運動方式分類有以下幾種，見表1。

表1 機器人分類

考慮到鋼管混凝土脫空缺陷檢測工作主要在道路橋梁和大型建筑進行，而爬行機器人可以在高空墻壁作業(yè)，也可以在水下進行檢測工作，同時它們的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)進入了行業(yè)的成熟期，所以它們完全可以勝任這項學科交叉的工作內(nèi)容。機器人有諸多優(yōu)點：行動較為迅速，對地形的要求有一定的適應能力；可以全天候使用，提高檢測效率；代替人工檢測，減少檢測錯誤的發(fā)生，以及對檢測工作人員的安全進行保障等，可以作為檢測的有利幫手。

3.1 操作方法選擇

常見的機器人操作方法有有線操作和無線操作兩種。有線操作機器人的傳輸速度較快、信號傳輸相對較為準確，但是傳輸數(shù)據(jù)線的存在使得有線傳輸有著無法遠距離傳輸?shù)娜毕荨Ｏ啾戎?，無線操作機器人具有傳輸距離遠、設備占地小、便于操作等優(yōu)點，它更加符合鋼管混凝土脫空缺陷檢測所需要的設備要求。

基于以上內(nèi)容，無線傳輸技術可以更好地結合機器人技術與鋼管混凝土脫空缺陷檢測技術實現(xiàn)實時檢測。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)技術受到了國家的大力推行，使用物聯(lián)網(wǎng)技術可以將無線傳輸技術和檢測技術無縫銜接實現(xiàn)“1+1>2”的目的。

3.2 機器人設計

結合以上各種因素的分析，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的混凝土脫空檢測輔助機器人，如圖2、圖3所示，主要組成包括：

(1)機械系統(tǒng)：主要為攀爬系統(tǒng)，其中攀爬系統(tǒng)負責機器人整體的運動——沿鋼管混凝土爬行，同時提供足夠掛載檢測儀器的空間和載重。

(2)作業(yè)系統(tǒng)：為鋼管混凝土脫空檢測儀器，包括超聲波脫空檢測儀器和紅外脫空檢測儀器。

(3)收集和傳導系統(tǒng)：包括視頻采集系統(tǒng)、視頻傳輸系統(tǒng)和檢測結果傳輸系統(tǒng)。其中視頻采集系統(tǒng)完成視頻的采集和存儲，如高清攝像頭，視頻傳輸系統(tǒng)完成所采集信息的實時傳輸。

(4) 交互系統(tǒng)：包括機器人行為指令傳輸系統(tǒng)和機器人控制系統(tǒng)。其中的行為指令傳輸系統(tǒng)用于發(fā)送與接收機器人遠程遙控命令，以及機器人狀態(tài)信息的實時傳輸，機器人控制系統(tǒng)則基于遙控指令或預先輸入程序完成電動機控制、姿態(tài)控制等工作。

檢測機器人的動力部分包括四個伺服馬達，x軸舵機與45度舵機，吸附方式為電磁鐵吸附，通過舵機與推桿進行姿態(tài)控制，檢測機器人與檢測數(shù)據(jù)分析設備和電源間為有線連接，數(shù)據(jù)處理結果通過無線網(wǎng)絡傳輸至終端，如圖2、圖3所示。該設計包含的各系統(tǒng)結構可以完成高空鋼管混凝土結構的脫空檢測，并且將檢測結果收集傳輸。

圖2 機器人整體圖

圖3 機器人俯視圖

我們通過不同類型爬行系統(tǒng)的比對，權衡效費比、不同鋼管混凝土形狀的適應性，選定四足爬行機器人的結構為設計方案，如圖4和圖5所示，以滿足在大跨度結構上平穩(wěn)攀爬，跨越鋼管混凝土連接節(jié)點，獲取脫空檢測信息。

圖4 機器人足部組合設計圖

圖5 機器人連接部件

該四足爬行機器人通過電磁鐵來吸附于鋼管混凝土表面，通過旋轉舵機與推桿、電磁鐵的通電與斷電，來進行行進與避障。機器人體積設計為小型，盡可能適應在不同環(huán)境和截面的鋼管混凝土表面爬行，通過細纜線與蓄電池、信號無線傳輸結構相連，檢測儀器固定于爬行機器人中部，超聲波探頭與鋼管接觸來進行脫空檢測。該爬行機器人主要避障目標為跨越鋼管混凝土連接處，通過前后肢分別抬起，來跨越鋼管混凝土連接處的凸起，測量對象主要為體育場，橋梁等大跨度鋼管混凝土結構，預期擁有輸入指令后，獨立完成鋼管混凝土脫空缺陷檢測任務的能力。

4 結 論

本文基于對當前帶脫空缺陷鋼管混凝土結構的研究現(xiàn)狀和檢測手段總結歸納，結合物聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸和機器人工程技術，提出了一種全、高效、精確的新型檢測技術，為實際鋼管混凝土結構脫空問題的診斷和防治提供了可靠的技術支撐，同時為傳統(tǒng)檢測提供新的思路與方法。