基于物聯(lián)網(wǎng)的鋼管混凝土脫空缺陷智能檢測技術(shù)研究

束永龍， 孫益軒， 楊亦芃， 程 帥， 賈思豪

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)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(jié)構(gòu)具有強(qiáng)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(jié)構(gòu)等實際工程中被廣泛應(yīng)用[1]。然而，據(jù)統(tǒng)計實際鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外溫差、混凝土干縮、養(yǎng)護(hù)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(xué)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(jié)構(gòu)/構(gòu)件的脫空情況進(jìn)行合理的檢測評估，以合理診斷與防治其可能發(fā)生的質(zhì)量安全事故。目前，實際鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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(dāng)前對安全和便捷的進(jìn)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(zhǔn)確性和操作人員的熟練程度關(guān)聯(lián)緊密，無法保證檢測結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)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(shè)光纖需要花費(fèi)額外的時間和資金，并且鋼管內(nèi)表面鋪設(shè)的光纖會一定程度地影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shè)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(shù)，對實際鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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(shù)，結(jié)合智能機(jī)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(yuǎn)程傳輸檢測技術(shù)，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(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，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(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)。

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(shù)的代表之一，具有舊經(jīng)濟(jì)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(guān)注。目前階段來看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是先進(jìn)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(yīng)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(shù)結(jié)合起來，達(dá)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(fù)雜、危險性大等諸多特點，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用實例來看，可以推斷，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)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(shù)一定會推動鋼管混凝土檢測技術(shù)形成體系并且不斷向外延拓。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新興的技術(shù)代表之一，因其代表著先進(jìn)的生產(chǎn)力，其當(dāng)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(shù)擁有比傳統(tǒng)技術(shù)更多的政策扶持，在政策條件的保障下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)擁有極為廣闊的市場。結(jié)合目前我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用仍極為狹窄的情況，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)與鋼管混凝土脫空技術(shù)的檢測結(jié)合衍生產(chǎn)品，將會產(chǎn)生極大的利潤效益，為以后技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新提供堅實的基礎(chǔ)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)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(shù)下的鋼管混凝土脫空技術(shù)檢測也是必要可行的。

2 超聲波檢測技術(shù)

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(zhì)，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(shù)等中。采用超聲波對鋼管混凝土進(jìn)行缺陷檢測，其基本原理即基于超聲波傳導(dǎo)的這一特性。在進(jìn)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(cè)，超聲波由其發(fā)射器傳導(dǎo)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(yīng)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(jié)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(dá)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(yán)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(jī)器人

目前，常見的機(jī)器人按機(jī)器人的運(yùn)動方式分類有以下幾種，見表1。

表1 機(jī)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(jìn)行，而爬行機(jī)器人可以在高空墻壁作業(yè)，也可以在水下進(jìn)行檢測工作，同時它們的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)進(jìn)入了行業(yè)的成熟期，所以它們完全可以勝任這項學(xué)科交叉的工作內(nèi)容。機(jī)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(yīng)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(jìn)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(jī)器人操作方法有有線操作和無線操作兩種。有線操作機(jī)器人的傳輸速度較快、信號傳輸相對較為準(zhǔn)確，但是傳輸數(shù)據(jù)線的存在使得有線傳輸有著無法遠(yuǎn)距離傳輸?shù)娜毕荨Ｏ啾戎拢瑹o線操作機(jī)器人具有傳輸距離遠(yuǎn)、設(shè)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(shè)備要求。

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

3.2 機(jī)器人設(shè)計

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

(1)機(jī)械系統(tǒng)：主要為攀爬系統(tǒng)，其中攀爬系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)器人整體的運(yùn)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(dǎo)系統(tǒng)：包括視頻采集系統(tǒng)、視頻傳輸系統(tǒng)和檢測結(jié)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(jī)器人行為指令傳輸系統(tǒng)和機(jī)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(jī)器人遠(yuǎn)程遙控命令，以及機(jī)器人狀態(tài)信息的實時傳輸，機(jī)器人控制系統(tǒng)則基于遙控指令或預(yù)先輸入程序完成電動機(jī)控制、姿態(tài)控制等工作。

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

圖2 機(jī)器人整體圖

圖3 機(jī)器人俯視圖

我們通過不同類型爬行系統(tǒng)的比對，權(quán)衡效費(fèi)比、不同鋼管混凝土形狀的適應(yīng)性，選定四足爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)為設(shè)計方案，如圖4和圖5所示，以滿足在大跨度結(jié)構(gòu)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(jī)器人足部組合設(shè)計圖

圖5 機(jī)器人連接部件

該四足爬行機(jī)器人通過電磁鐵來吸附于鋼管混凝土表面，通過旋轉(zhuǎn)舵機(jī)與推桿、電磁鐵的通電與斷電，來進(jìn)行行進(jìn)與避障。機(jī)器人體積設(shè)計為小型，盡可能適應(yīng)在不同環(huán)境和截面的鋼管混凝土表面爬行，通過細(xì)纜線與蓄電池、信號無線傳輸結(jié)構(gòu)相連，檢測儀器固定于爬行機(jī)器人中部，超聲波探頭與鋼管接觸來進(jìn)行脫空檢測。該爬行機(jī)器人主要避障目標(biāo)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(jié)構(gòu)，預(yù)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(wù)的能力。

4 結(jié) 論

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