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(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)境保護工程職業(yè)學(xué)院 機電工程系， 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、動載荷強度。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)量鑒定和驗收中必不可少的檢測項目[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)各項結(jié)果進行相關(guān)性分析來檢測與評價結(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。現(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、射線和電磁檢測等[3-6]。德國的弗思特在20世紀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、試驗研究和儀器設(shè)備開發(fā)的新階段。標準GB 50204-2002《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》與GB 50204(2015年版)，對工程的梁、板類構(gòu)件保護層厚度的檢測提出了明確要求，即在對結(jié)構(gòu)進行評估、改進的過程中，如果缺少原始圖紙，或者施工沒有按原設(shè)計要求和按保護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層厚度進行現(xiàn)場檢測；此外，探明鋼筋的實際位置，有助于鋼筋混凝土鉆孔取芯或安裝設(shè)備鉆孔時避開主筋位置。在國外，混凝土結(jié)構(gòu)電磁檢測的研究方向及重點主要是混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的三維成像及評價技術(shù);在國內(nèi)，20世紀60年代初開始進行渦流檢測技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用。20世紀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層測試儀，鋼筋位置與保護層厚度智能檢測儀；這兩種儀器均達到了當時國際控制新構(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為雷達散射截面積；R為探測位置到目標的距離。

而介質(zhì)有損耗時，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)。

該表達式是基于地表和目標在天線遠場的情況下成立的；根據(jù)天線理論，遠場邊界的定義如式(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，不能嚴格表示鋼筋無損檢測儀的接收功率。實際上，采用基于全電磁模型的時域有限差分法求解近場區(qū)域的電磁場，將更為準確。

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，一部分能量會被反射回接收天線。實際上，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)激勵為脈沖球面波入射場，然后在時域?qū)夭}沖矢量進行疊加，從而得到高分辨率的圖像。由于其實際依據(jù)是計算機層析CT成像的投影切片理論，所以該方法可被認為是一種合成孔徑檢測儀時域成像方法?；诰€性陣列的觀點，將檢測儀的合成孔徑掃描模型看作是一種電磁激勵，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”，天線在某點接收到的信號，可被看作是所有沿著與該點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，某一時刻，在檢測傳感器線圈中加載時諧電流源或高壓窄脈沖，激勵線圈將產(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)生一個感應(yīng)電流(渦電流)。實際上，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，這個交變的磁場在被探測傳感器線圈中感生出電動勢，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際檢測示意

3.2 電磁模擬與結(jié)果

(4)

基于此原理，可實現(xiàn)對鋼筋的檢測。

在實際應(yīng)用中，回波的延時與相應(yīng)數(shù)據(jù)采樣點的重合概率很小，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，標準方差為0.161，與頻域Stolt偏移成像相比，BP算法使目標能量更加集中，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的具體位置，單個位置上只能知道目標是在以鋼筋檢測的天線為中心、以目標和天線之間的距離為半徑的圓周上的某一點。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，各條曲線在目標的位置上產(chǎn)生交疊，會將該處的強度逐漸增強，而其他非目標位置會逐漸淹沒在背景中，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、評價鋼筋的位置與質(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)進行檢測，具有以下特點：

(1) 檢測與評價便捷?？芍苯釉诨炷两Y(jié)構(gòu)上進行原位檢測與評價，能比較真實地反映鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，可克服標準試塊與實際被測結(jié)構(gòu)存在差異導(dǎo)致不能真實反映工程質(zhì)量的缺點。

(2) 能實現(xiàn)無損評價。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無法獲得的空洞、開裂等信息。

參考文獻:

[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.