钢筋混凝土结构电磁检测的模拟与评价

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(1.上海民航职业技术学院 航空制造系,上海 200232; 2.广东环境保护工程职业学院 机电工程系， 佛山 528216)

钢筋是钢筋混凝土结构的关键承力件，直接决定了整体结构的静压、动载荷强度。在混凝土结构中，由于施工过程中的疏忽和其他一些因素，常会存在钢筋位置偏移、钢筋数量不足、钢筋直径不符、钢筋锈蚀等问题[1],所以对钢筋质量的检测，已经成为工程质量鉴定和验收中必不可少的检测项目[2]。

1 钢筋混凝土结构的电磁检测技术

混凝土结构中的钢筋无损检测技术是利用声、光、电、磁、热等物理手段测定与混凝土结构品质有关的特征物理参数，然后通过对所测参数各项结果进行相关性分析来检测与评价结构质量的技术。其前提条件是不破坏该结构、不影响该结构的使用性能。现无损检测技术已经广泛地应用于土木工程领域，目前主要的检测方法有超声、红外、雷达、射线和电磁检测等[3-6]。德国的弗思特在20世纪50年代初，提出了阻抗分析法，开创了现代电磁检测分析、试验研究和仪器设备开发的新阶段。标准GB 50204-2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》与GB 50204(2015年版)，对工程的梁、板类构件保护层厚度的检测提出了明确要求，即在对结构进行评估、改进的过程中，如果缺少原始图纸，或者施工没有按原设计要求和按保护层厚度要求配置钢筋，就需要对内部的钢筋分布位置和保护层厚度进行现场检测；此外，探明钢筋的实际位置，有助于钢筋混凝土钻孔取芯或安装设备钻孔时避开主筋位置。在国外，混凝土结构电磁检测的研究方向及重点主要是混凝土结构中钢筋的三维成像及评价技术;在国内，20世纪60年代初开始进行涡流检测技术的研究与推广应用。20世纪90年代，交通部公路科学研究所，上海建材工业学院，应用电磁感应检测法分别研制出了智能钢筋保护层测试仪，钢筋位置与保护层厚度智能检测仪；这两种仪器均达到了当时国际控制新构筑物施工质量和旧构筑物无损检测仪器同类产品的技术水平。

2 电磁检测方程与成像原理

2.1 电磁检测方程

钢筋混凝土是有损耗的电介质媒质。对于无损耗的电介质媒质，电磁波传播可以通过Maxwell(麦克斯韦)波动方程来描述。通常的检测方程可写成式(1)[2]。

(1)

式中:Pt为发射功率；Pr为接收功率；λ为电磁波波长;Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；σ为雷达散射截面积；R为探测位置到目标的距离。

而介质有损耗时，需要考虑介质对电磁波吸收的影响，因此对于钢筋检测，有以下方程。

(2)

式中:ζt为电磁波从大气传播到钢筋混凝土结构中的透射率；ζr为电磁波从钢筋混凝土结构传播到大气中的透射率;α为探测介质的衰减系数。

该表达式是基于地表和目标在天线远场的情况下成立的；根据天线理论，远场边界的定义如式(3)所示。

(3)

式中:DA为天线孔径的最大直径。

对于浅地表层的钢筋检测，其工作频率一般很高(吉赫兹)，探测的物体也是离天线较近的近场；因此式(3)是钢筋检测的一种近似，不能严格表示钢筋无损检测仪的接收功率。实际上，采用基于全电磁模型的时域有限差分法求解近场区域的电磁场，将更为准确。

2.2 成像原理

采用发射天线将高频电磁脉冲波以宽频带短脉冲形式射向地下，在传播过程中，该电磁波遇到不同介质交界面时，一部分能量会被反射回接收天线。实际上，电磁检测到的是来自地下介质交界面的反射波。所以，记录到的信息数据n(t)可以认为是发射脉冲子波b(t)与反射波系数序列R(t)的卷积，发射子波b(t)主要由使用的探测系统决定，并且R(t)包含了被埋介质的物理信息。

基于线性阵列的成像原理是：从阵列探测器中的某一单元出发，假设激励为脉冲球面波入射场，然后在时域对回波脉冲矢量进行叠加，从而得到高分辨率的图像。由于其实际依据是计算机层析CT成像的投影切片理论，所以该方法可被认为是一种合成孔径检测仪时域成像方法。基于线性阵列的观点，将检测仪的合成孔径扫描模型看作是一种电磁激励，即被探测的钢筋向接收阵列反射电磁脉冲。根据格林函数，反向投影成像算法就是将接收脉冲反向传播到成像区域，其基本思想就是“延迟-求和”，天线在某点接收到的信号，可被看作是所有沿着与该点为中心的等距离矢径上散射中心回波的叠加[4-5]。

3 钢筋检测模拟

文章假设被测混凝土表层下埋置了一组钢筋。根据理论分析可知，某一时刻，在检测传感器线圈中加载时谐电流源或高压窄脉冲，激励线圈将产生交变的电磁场，通过电磁感应被测物体(钢筋)内部将产生一个感应电流(涡电流)。实际上，交变的感应涡电流也将导致被测混凝土空间附近出现交变的磁场，这个交变的磁场在被探测传感器线圈中感生出电动势，继而得到对应的反射功率。

3.1 电磁结构模型

针对钢筋混凝土实际探测结构，电磁模型的单元类型取为空气、线圈与混凝土钢筋3种情况，并定义其介质属性。假设，被测目标的相对磁导率为μr，真空磁导率为μ0,相对介电常数为εr，真空介电常数为ε0,则绝对磁导率为μ=μ0μr，绝对介电常数为ε=ε0εr。通常，μ0=1.26×10-6H·m-1，ε0=8.85×10-12F·m-1，查得钢筋混凝土的相对磁导率和相对介电常数后，则能得到其绝对磁导率和绝对介电常数。钢筋混凝土结构电磁检测模型如图1所示。

图1 钢筋混凝土结构的电磁检测模型

图2 钢筋距离混凝土的实际检测示意

3.2 电磁模拟与结果

(4)

基于此原理，可实现对钢筋的检测。

在实际应用中，回波的延时与相应数据采样点的重合概率很小，为了得到精度比较高的图像，需对数据进行插值处理[7]。

图3 滤波后数据图像和归一化扫描能量图

图4 BP算法成像和归一化扫描能量图

采用仿真工具软件MATLAB且编写成像算法核心程序(略)，可得如图3所示的B扫成像图和A扫归一化能量图[3]，可见检测到的钢筋位置极为准确。对图3采用后向投影算法(BP)处理后(见图4)，归一化扫描能量和为6.779，标准方差为0.161，与频域Stolt偏移成像相比，BP算法使目标能量更加集中，所以方位分辨率较好。

一般说来，传统的电磁检测不能确定目标的具体位置，单个位置上只能知道目标是在以钢筋检测的天线为中心、以目标和天线之间的距离为半径的圆周上的某一点。而该方法将合成孔径长度上所有天线阵元的回波曲线相干叠加，各条曲线在目标的位置上产生交叠，会将该处的强度逐渐增强，而其他非目标位置会逐渐淹没在背景中，从而使得钢筋图像清晰可见。根据图像显现的畸变形状，钢筋的数量、位置及清晰程度，可形象判断、评价钢筋的位置与质量等。

4 结论

采用电磁检测方法对钢筋混凝土结构进行检测，具有以下特点：

(1) 检测与评价便捷。可直接在混凝土结构上进行原位检测与评价，能比较真实地反映钢筋混凝土结构的质量，可克服标准试块与实际被测结构存在差异导致不能真实反映工程质量的缺点。

(2) 能实现无损评价。对被测结构无破坏、影响小，且操作方便；能获得钻芯等破坏性试验无法获得的空洞、开裂等信息。

参考文献:

[1] 粟毅,黄春琳,雷文太.钢筋无损检测仪理论与应用[M].北京:科学出版社，2006.

[2] 曾昭发,刘四新,冯恒,等.钢筋无损检测仪原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3] 吴宝杰,姬美秀,杨桦.基于Matlab的钢筋无损检测仪数据三维显示[J].物探与化探,2009,33(3):342-344.

[4] 孔令讲.浅地层钢筋无损检测仪信号处理算法的研究[D].成都:电子科技大学,2003.

[5] 张春城.浅地层钢筋无损检测仪中的信号处理技术研究[D].成都:电子科技大学,2005.

[6] 孔令讲,周正欧.浅地表钢筋无损检测仪中改善成像分辨力的一种有效方法[J].信号处理,2002，18(6)：505-508.

[7] 保铮,郉孟道,王彤.检测仪成像技术[M].北京:电子工业出版社,2005.