劉波　李求源　李祥

（1.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司湖南長沙4101992.懷化市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督管理處湖南懷化　418000）

淺談電磁感應(yīng)法在混凝土橋梁檢測中的應(yīng)用

劉波1李求源1李祥2

（1.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司湖南長沙4101992.懷化市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督管理處湖南懷化418000）

隨著我國公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷加大，我國已有橋梁數(shù)量不斷攀升，對既有橋梁的檢測與評定任務(wù)不斷加劇，無損檢測方法在橋梁檢測中的充分運(yùn)用，電磁感應(yīng)法在測定混凝土橋梁的鋼筋布置、保護(hù)層厚度及鋼筋直徑的廣泛運(yùn)用，通過對該法的基本原理進(jìn)行分析，對采用該法的誤差來源進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法與措施，論述了該法進(jìn)行鋼筋直徑的檢測存在較大的誤差，提出采用其它檢測方法進(jìn)行相互驗(yàn)證。

電磁感應(yīng)法；無損檢測；自感傳感器原理；鋼筋直徑檢測

1　引言

公路橋梁作為公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的主要組成部分，隨著我國公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入不斷加大，現(xiàn)我國公路橋梁截至2013年底，全國公路橋梁達(dá)71.34萬座，合計(jì)3662.78萬延米，我國橋梁數(shù)量眾多，混凝土橋梁占有較大的比重，大部分橋梁已修建了較長時(shí)間；在20世紀(jì)80年代前修建的橋梁所采用的設(shè)計(jì)荷載偏低，在一定程度上不滿足現(xiàn)今實(shí)際荷載要求，同時(shí)由于時(shí)間久遠(yuǎn)，部分橋梁的設(shè)計(jì)文件、施工記錄、質(zhì)量檢測及竣工資料的缺失，給既有橋梁評定照成一定的困難，為保證評定結(jié)果的準(zhǔn)確性與有效性，為更好的保證加固維修的合理性，如今混凝土橋梁的檢測中大量采用無損檢測技術(shù)，其中主要包括混凝土強(qiáng)度的無損檢測、鋼筋銹蝕的無損檢測及鋼筋定位的無損檢測，鋼筋的相關(guān)檢測對于資料缺失的混凝土橋梁的評估與加固是檢測工作的重中之重，對于既有非預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁承載能力驗(yàn)算關(guān)鍵在于明確構(gòu)件的鋼筋布置與直徑[1]。

針對鋼筋定位的無損檢測方法主要包括：紅外線檢測、射線檢測、雷達(dá)檢測及電磁感應(yīng)檢測，其中雷達(dá)檢測與電磁感應(yīng)檢測在現(xiàn)今運(yùn)用較多，其中市場大量運(yùn)用的電磁感應(yīng)檢測儀器均帶有鋼筋直徑檢測功能，并在實(shí)際工程中得到較為廣泛的運(yùn)用，但采用電磁感應(yīng)法檢測鋼筋直徑在一定程度存在較大的誤差。

2　電磁感應(yīng)法檢測原理

電磁感應(yīng)法檢測鋼筋的位置、分布與直徑時(shí)，依據(jù)的原理為電磁自感式傳感器原理相同如圖1所示，自感式傳感器一般由線圈、鐵芯和銜鐵組成，其中鐵芯與銜鐵均為導(dǎo)磁材料制成，當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度啄發(fā)生變化從而導(dǎo)致磁路中磁阻變化，直接引起感應(yīng)線圈的電感值變化，通過測點(diǎn)電感量的變化確定銜鐵位移量的大小和方向[2]。

當(dāng)線圈的匝數(shù)為N時(shí)，線圈中的電流為（A），磁路磁通為準(zhǔn)（Wb），則根據(jù)電磁感應(yīng)原理，可得電磁感應(yīng)量表達(dá)式為：

由磁路歐姆定律可知：

式中：鬃為線圈總磁鏈；I為線圈中的電流；N為線圈中的匝數(shù)；準(zhǔn)為穿過線圈的磁通；Rm為磁路總磁阻。

由（1～2）式可得：

磁阻Rm由鐵芯、銜鐵和氣隙中的磁阻組成。對于變隙式傳感器，因?yàn)闅庀缎?，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的，若不及磁路中的磁損，則磁路中的總磁阻為

式中：滋0、滋1、滋2分別為空氣、鐵芯材料、銜鐵材料的導(dǎo)磁率，L1為磁通通過鐵芯的長度，L2磁通通過銜鐵的長度，A、A1、A2為氣隙、鐵芯、銜鐵的截面面積。

由于一般磁導(dǎo)體的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁率，所以

由（6）式可知當(dāng)線圈的匝數(shù)為常數(shù)，電感僅與磁路中的磁阻有關(guān)[3]。運(yùn)用電磁感應(yīng)法檢測混凝土橋梁中鋼筋分布、保護(hù)層厚度及鋼筋直徑均采用該原理，但實(shí)際工程檢測中為非理想情況，因此在運(yùn)用該原理進(jìn)行檢測時(shí)導(dǎo)致檢測結(jié)果具有一定的誤差。

圖1　自感式傳感器示意圖

3　電磁感應(yīng)法在混凝土橋梁檢測中運(yùn)用

電磁感應(yīng)法在混凝土橋梁無損檢測中得到廣泛運(yùn)用，而運(yùn)用該檢測方法所得的檢測結(jié)果存在一定的誤差，為保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，在運(yùn)用該檢測方法進(jìn)行檢測時(shí)，必須了解誤差的來源，采用一定的技術(shù)手段減小誤差，盡可能的保障檢測結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。

3.1誤差來源分析

3.1.1理論誤差

電磁感應(yīng)法檢測的原理與自感式傳感器原理相同，如上節(jié)所述自感式傳感器氣隙小，氣隙中的磁場是均勻分別，忽略磁路的磁損，而采用電磁感應(yīng)法檢測混凝土橋梁時(shí)，由于混凝土保護(hù)層厚度的影響，磁損是不能忽略。

3.1.2鋼筋布置形式及電磁特性

已有的研究表明[4]采用電磁感應(yīng)法對混凝土結(jié)構(gòu)檢測時(shí)，鋼筋焊網(wǎng)形式、排列方式對檢測的精度均有明顯影響；鋼筋銹蝕、含雜質(zhì)時(shí)鋼筋的磁導(dǎo)率均會(huì)改變，由電磁感應(yīng)法的檢測原理可知將直接導(dǎo)致檢測誤差增大。

3.1.3混凝土的影響

混凝土的影響主要包括鋼筋保護(hù)層厚度及混凝土材料電磁特性的影響；鋼筋保護(hù)層的厚度越大，氣隙越大將直接影響磁路的磁損；混凝土的電磁特性不穩(wěn)定，電磁波在混凝土中傳遞時(shí)將直接導(dǎo)致電磁波的衰減不一樣，因此影響檢測精度。

3.1.4相鄰鋼筋的相互影響

利用電磁感應(yīng)法對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測時(shí)，相鄰鋼筋同時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，相鄰鋼筋間會(huì)形成相互干擾，從而影響檢測精度[5]。

3.1.5檢測環(huán)境的影響

電磁感應(yīng)法檢測是檢測儀自身產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的磁場，對被檢測結(jié)構(gòu)的鋼筋形成自感，單外界存在磁場時(shí)將會(huì)對儀器自身磁場照成一定的影響；被檢測構(gòu)件鄰近處存在磁導(dǎo)率大的物件時(shí)對檢測結(jié)果照成一定的影響。

3.2提高檢測精度的方法

3.2.1減少理論誤差

由自感傳感器的原理可知，減少理論誤差可通過確定合適的電磁強(qiáng)度來減少由于氣隙過大導(dǎo)致磁路的磁損的影響，同時(shí)通過提高儀器的計(jì)算能力分析能力，通過考慮混凝土中磁損、被檢測鋼筋的直徑等因素的影響來提高儀器本身的檢測精度。

3.2.2考慮鋼筋間距、保護(hù)層厚度及排列方式的影響

考慮效果系數(shù)，即鋼筋間距比上保護(hù)層厚度，當(dāng)效果系數(shù)大于等于3時(shí)，測量值可依單排鋼筋進(jìn)行處理，當(dāng)效果系數(shù)小于3時(shí)，需考慮鄰近鋼筋的影響，需對檢測結(jié)果進(jìn)行修正，修正值大于1；鋼筋橫排并起與鋼筋豎向并起，鋼筋直徑的等效值不同，橫向并起為檢測等效值為直徑的疊加，縱向并起等效值為3/4倍實(shí)際直徑疊加[5]。

3.2.3減少檢測環(huán)境的影響

檢測時(shí)遠(yuǎn)離磁場，遠(yuǎn)離磁導(dǎo)率強(qiáng)的物件[6]。

3.2.4電磁感應(yīng)法與其它檢測方法相互驗(yàn)證檢測

利用電磁感應(yīng)原理對混凝土橋梁鋼筋直徑的檢測，由（6）式可知，未知參數(shù)為氣隙啄與氣隙的截面面積A，啄與保護(hù)層厚度及鋼筋直徑有關(guān)，A與鋼筋直徑有關(guān)，即（6）式中為保護(hù)層厚度與鋼筋直徑的函數(shù)關(guān)系式，可通過內(nèi)部切換法和正交測量法進(jìn)行鋼筋直徑與保護(hù)層厚度的檢測，由于混凝土材料的不均勻性導(dǎo)致檢測結(jié)果的誤差較大，因此，在實(shí)際檢測中應(yīng)采用其它檢測方法驗(yàn)證（破損檢測、地質(zhì)雷達(dá)檢測等）。

3.2.5適當(dāng)增加檢測樣本容量。

4　結(jié)論

（1）電磁感應(yīng)法檢測混凝土橋梁的原理為自感傳感器原理類似。

（2）采用電磁感應(yīng)法對混凝土橋梁檢測精度影響因素有理論誤差、鋼筋的布置形式、鋼筋的電磁特性、混凝土的影響、相鄰鋼筋的干擾及環(huán)境影響等因素。

（3）針對影響檢測精度的因素，提出與之對應(yīng)的方法，同時(shí)提出單一的采用電磁感應(yīng)法檢測混凝土橋梁的鋼筋直徑的方法不適宜，需結(jié)合其它檢測方法進(jìn)行相互驗(yàn)證。

[1]鐘惠萍，張建仁，張克波.缺失資料既有鋼筋混凝土橋梁鋼筋分布狀況的檢查[J].中外公路，2006，26（1）：85～88.

[2]任化芝.電感傳感器原理分析及其在非破損檢測中參數(shù)的選擇[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1987，2：011.

[3]傳感器.傳感器原理與應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)出版社，1999.

[4]吳曉明，趙暉，劉冠國，等.電磁感應(yīng)鋼筋探測儀對混凝土保護(hù)層厚度檢測精度的研究[A].江蘇省公路學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文集（2006～2008）[C].2009.

[5]賈鑫，謝仁明.電磁感應(yīng)法檢測混凝土中鋼筋直徑的應(yīng)用[J].住宅科技，2010，30（8）：22～25.

[6]蔡慧悅，劉永翔.鋼筋定位儀的工作原理及其在舊橋檢測中的應(yīng)用[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，4（4）：50～52.

U448.25

A

1673-0038（2015）49-0266-02

2015-11-10

劉波（1987-），男，工程師，碩士，主要從事橋梁檢測與加固大跨度橋梁監(jiān)控工作。

李求源（1984-），男，工程師，本科，主要從事橋梁檢測與加固及大跨度橋梁監(jiān)控量測工作。

李祥（1979-），男，工程師，本科，主要從事交通土建工程工作。