鋼筋混凝土結構電磁檢測的模擬與評價

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(1.上海民航職業技術學院 航空制造系,上海 200232; 2.廣東環境保護工程職業學院 機電工程系， 佛山 528216)

鋼筋是鋼筋混凝土結構的關鍵承力件，直接決定了整體結構的靜壓、動載荷強度。在混凝土結構中，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、鋼筋數量不足、鋼筋直徑不符、鋼筋銹蝕等問題[1],所以對鋼筋質量的檢測，已經成為工程質量鑒定和驗收中必不可少的檢測項目[2]。

1 鋼筋混凝土結構的電磁檢測技術

混凝土結構中的鋼筋無損檢測技術是利用聲、光、電、磁、熱等物理手段測定與混凝土結構品質有關的特征物理參數，然后通過對所測參數各項結果進行相關性分析來檢測與評價結構質量的技術。其前提條件是不破壞該結構、不影響該結構的使用性能。現無損檢測技術已經廣泛地應用于土木工程領域，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，開創了現代電磁檢測分析、試驗研究和儀器設備開發的新階段。標準GB 50204-2002《混凝土結構工程施工質量驗收規范》與GB 50204(2015年版)，對工程的梁、板類構件保護層厚度的檢測提出了明確要求，即在對結構進行評估、改進的過程中，如果缺少原始圖紙，或者施工沒有按原設計要求和按保護層厚度要求配置鋼筋，就需要對內部的鋼筋分布位置和保護層厚度進行現場檢測；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備鉆孔時避開主筋位置。在國外，混凝土結構電磁檢測的研究方向及重點主要是混凝土結構中鋼筋的三維成像及評價技術;在國內，20世紀60年代初開始進行渦流檢測技術的研究與推廣應用。20世紀90年代，交通部公路科學研究所，上海建材工業學院，應用電磁感應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筑物施工質量和舊構筑物無損檢測儀器同類產品的技術水平。

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媒質。對于無損耗的電介質媒質，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為發射功率；Pr為接收功率；λ為電磁波波長;Gt為發射天線增益；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。

而介質有損耗時，需要考慮介質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構中的透射率；ζr為電磁波從鋼筋混凝土結構傳播到大氣中的透射率;α為探測介質的衰減系數。

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域的電磁場，將更為準確。

2.2 成像原理

采用發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交界面的反射波。所以，記錄到的信息數據n(t)可以認為是發射脈沖子波b(t)與反射波系數序列R(t)的卷積，發射子波b(t)主要由使用的探測系統決定，并且R(t)包含了被埋介質的物理信息。

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，假設激勵為脈沖球面波入射場，然后在時域對回波脈沖矢量進行疊加，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。基于線性陣列的觀點，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。根據格林函數，反向投影成像算法就是將接收脈沖反向傳播到成像區域，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

文章假設被測混凝土表層下埋置了一組鋼筋。根據理論分析可知，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，激勵線圈將產生交變的電磁場，通過電磁感應被測物體(鋼筋)內部將產生一個感應電流(渦電流)。實際上，交變的感應渦電流也將導致被測混凝土空間附近出現交變的磁場，這個交變的磁場在被探測傳感器線圈中感生出電動勢，繼而得到對應的反射功率。

3.1 電磁結構模型

針對鋼筋混凝土實際探測結構，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，并定義其介質屬性。假設，被測目標的相對磁導率為μr，真空磁導率為μ0,相對介電常數為εr，真空介電常數為ε0,則絕對磁導率為μ=μ0μr，絕對介電常數為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率和相對介電常數后，則能得到其絕對磁導率和絕對介電常數。鋼筋混凝土結構電磁檢測模型如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土結構的電磁檢測模型

圖2 鋼筋距離混凝土的實際檢測示意

3.2 電磁模擬與結果

(4)

基于此原理，可實現對鋼筋的檢測。

在實際應用中，回波的延時與相應數據采樣點的重合概率很小，為了得到精度比較高的圖像，需對數據進行插值處理[7]。

圖3 濾波后數據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。根據圖像顯現的畸變形狀，鋼筋的數量、位置及清晰程度，可形象判斷、評價鋼筋的位置與質量等。

4 結論

采用電磁檢測方法對鋼筋混凝土結構進行檢測，具有以下特點：

(1) 檢測與評價便捷。可直接在混凝土結構上進行原位檢測與評價，能比較真實地反映鋼筋混凝土結構的質量，可克服標準試塊與實際被測結構存在差異導致不能真實反映工程質量的缺點。

(2) 能實現無損評價。對被測結構無破壞、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用[M].北京:科學出版社，2006.

[2] 曾昭發,劉四新,馮恒,等.鋼筋無損檢測儀原理與應用[M].北京:電子工業出版社,2010.

[3] 吳寶杰,姬美秀,楊樺.基于Matlab的鋼筋無損檢測儀數據三維顯示[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,2003.

[5] 張春城.淺地層鋼筋無損檢測儀中的信號處理技術研究[D].成都:電子科技大學,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[M].北京:電子工業出版社,2005.