基于不同雷達天線的橋梁深層鋼筋識別精度試驗

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(交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

基于不同雷達天線的橋梁深層鋼筋識別精度試驗

高小妮，謝峻，安寧

(交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

通過單天線雷達、天線陣雷達及自組雙天線雷達等多種檢測方法對比分析了雷達識別橋梁深層鋼筋的情況。首先介紹了雷達檢測鋼筋的基本原理，其次通過自組雙天線雷達驗證了天線間距對深層鋼筋檢測效果的影響。通過室內(nèi)制作縮尺鋼筋混凝土試件模型，對比分析了三種雷達對深層鋼筋檢測的影響。結(jié)果表明：單天線雷達對深層預應(yīng)力鋼筋定位效果較差；自組雙天線和商業(yè)天線陣設(shè)備均可在存有表層鋼筋屏蔽的情況下，很好地探測深層預應(yīng)力鋼筋。因此，在深層預應(yīng)力鋼筋的檢測中，可用自組雙天線雷達代替昂貴的天線陣雷達設(shè)備，而且自組雙天線雷達可控制收發(fā)天線的間距，靈活性更好、更具有工程實用價值。

橋梁；深層鋼筋；探地雷達；天線陣；自組雙天線

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，橋梁工程建設(shè)也進入了飛速發(fā)展階段，截至2016年，我國公路橋梁總數(shù)接近80萬座。近年來，因橋梁倒塌和破壞所造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡的事件頻發(fā)，因此橋梁的安全運營也備受關(guān)注。已建橋梁中多數(shù)橋梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為保證其安全運營，應(yīng)對其進行日常檢查及特殊檢測。對于混凝土橋梁，主要檢測其混凝土標號、保護層厚度、鋼筋布置及銹蝕、預應(yīng)力管道定位及灌漿等情況[1-2]。對于鋼筋定位，傳統(tǒng)方法因具有操作不便、成本高、有破壞性等特點而被分辨率高、圖像直觀、操作方便快捷的無損檢測[3]方法所取代，目前常用探地雷達對鋼筋進行定位[4-5]。

利用探地雷達對混凝土[6]結(jié)構(gòu)保護層厚度[7]、標號、內(nèi)部缺損[8]及單側(cè)鋼筋定位等方面的研究較多，但對于深層鋼筋檢測的研究還較少。對于深層鋼筋，由于混凝土構(gòu)件表層也有一層鋼筋，在雷達探測時，這層鋼筋對深層鋼筋的檢測有屏蔽和干擾作用，給準確檢測深層鋼筋的位置帶來困難。國內(nèi)外學者通過模擬和室內(nèi)試驗[9]對深層鋼筋的檢測進行了研究，結(jié)果表明：橫向鋼筋間距越大檢測效果較好；對于深層鋼筋的檢測，如何選取雷達設(shè)備的研究很少。筆者通過單天線雷達、天線陣雷達及自組雙天線雷達等多種檢測方法對比分析了雷達識別橋梁深層鋼筋的情況。

1 雷達檢測鋼筋的原理

地質(zhì)雷達利用高頻電磁波的反射原理[10]來實現(xiàn)檢測的目的，其主要由發(fā)射部分和接收部分組成，發(fā)射部分由發(fā)射機和天線組成。電磁波在傳播過程中，當遇到不同媒質(zhì)的分界面時會發(fā)生反射、散射和透射，反射回波由設(shè)置在某一固定位置的接收天線接收。電磁波檢測原理示意如圖1所示。

圖1 電磁波檢測原理示意

對于橋梁中的鋼筋(鋼束)，在低頻場作用下，電磁波進入金屬極淺，幾乎會被完全反射回去。在工程探測的大多數(shù)情況下，反射天線與接收天線距離較近，幾乎是垂直入射和反射，因此反射系數(shù)為

式中：εr1為上層界面的介電常數(shù)；εr2為下層界面的介電常數(shù)。

由式(1)可知，當兩個介質(zhì)的介電常數(shù)相同時，沒有反射僅有透射；兩層界面的介電常數(shù)差異越大，反射系數(shù)越大，反射強度越強。對于預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，電磁波經(jīng)混凝土在金屬表面發(fā)生反射，反射波與入射波相位相反。

2 自組雙天線雷達介紹

適當選取發(fā)射天線與接收天線之間的距離，可使鋼筋的回波信號增強。在已購買的成品單天線雷達中，發(fā)射天線和接收天線距離已固定，無法改變。為了更好地探測鋼筋的位置，在不具備天線陣雷達設(shè)備時，可通過兩個單天線自組雙天線雷達進行鋼筋定位檢測。

為了對比分析鋼筋定位效果，采用現(xiàn)有的1 600 MHz的單天線和自組2×1 600 MHz的雙天線進行檢測。自制多天線固定支架可幫助雷達檢測獲得準確、穩(wěn)定的測試結(jié)果。自組雙天線設(shè)備外觀如圖2所示。

圖2 自組雙天線設(shè)備外觀

為了達到較好的探測效果，需確定自組雙天線的發(fā)射天線與接收天線間的距離。根據(jù)現(xiàn)有資料，自組發(fā)射天線與接收天線的間距S應(yīng)使最深目標體相對接收和發(fā)射天線的張角為臨界角的2倍，即

式中：Dmax為目標體最大深度；εr為圍巖的相對介電常數(shù)。

采用自組2個1 600 MHz的天線進行天線合理間距驗證。選擇其中一個天線為發(fā)射天線，另一個為接收天線，在保持中心點位置不變的情況下，調(diào)整兩個天線的間距，從而確定最合理的天線間距。制作預應(yīng)力混凝土構(gòu)件進行試驗驗證，構(gòu)件上層為直徑16 mm的普通鋼筋，下層為鋼絞線。采用自組雙天線雷達對鋼絞線進行檢測。發(fā)射天線(T)和接收天線(R)的間距分別選為12，15，18，21，24，27 cm，相同預應(yīng)力鋼筋位置的檢測結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，鋼筋和鋼絞線在雷達灰度圖中成像為雙曲線形狀。發(fā)射天線和接收天線距離在12～18 cm間時，可以清楚檢測到上層普通鋼筋和6～7根下層鋼筋。發(fā)射天線和接收天線距離大于21 cm后，上層普通鋼筋依然可檢測到，但下層鋼筋的檢測圖像的清晰度隨著距離的增大逐漸減弱，距離大于27 cm后，檢測結(jié)果很不理想。

對于試驗構(gòu)件，預應(yīng)力鋼筋的最大深度為18 cm，混凝土相對介電常數(shù)取6.4，由式(2)計算可知，S為15.5 cm。

圖3 不同發(fā)射天線和接收天線間距時，檢測相同預應(yīng)力鋼筋位置的灰度圖

可見，試驗采用的發(fā)射天線和接收天線距離在12～18 cm時，能較清楚地探測到普通鋼筋和預應(yīng)力鋼筋，與理論計算所得天線間距15.5 cm較吻合。

3 深層配筋識別的綜合試驗

3.1試件的制作及測線布設(shè)

為了驗證不同探地雷達天線對深層配筋識別精度的影響，參考已建的預應(yīng)力混凝土橋梁配筋情況制作混凝土試件，試件結(jié)構(gòu)如圖4所示，制作完成的試件外觀如圖5所示。試件共7根預應(yīng)力管道，其中N1，N4和N7為φ32 mm精軋螺紋鋼管道，N2，N3，N5和N6為波紋管管道。普通鋼筋直徑為16 mm，采用19根φ15.2 mm和7根φ15.2 mm的鋼絞線及其配套的錨具，預應(yīng)力鋼絞線的波紋管直徑分別為100 mm和70 mm。采用單天線1 600 MHz、ALADDIN天線和自組2×1 600 MHz天線陣對試件進行測試，測線布置如圖6所示。

圖4 混凝土試件結(jié)構(gòu)

圖5 混凝土試件外觀

圖6 不同天線陣對試件的測線布置

3.2多層鋼筋識別效果試驗

鋼筋及預應(yīng)力管道經(jīng)不同天線檢測后，檢測結(jié)果如圖7所示。對測試圖進行后期處理，讀取每張圖中深層鋼絞線的坐標并與原設(shè)計進行比較，其結(jié)果對比如表1所示。

由圖7可見，上層較小的雙曲線為普通鋼筋，下層雙曲線為預應(yīng)力鋼筋。使用單天線探地雷達檢測時，N2和N7預應(yīng)力鋼筋無法檢測到。

由預應(yīng)力鋼筋深度檢測結(jié)果對比可知，對于N1預應(yīng)力鋼筋，經(jīng)3種天線檢測后，自組雙天線檢測結(jié)果169 mm更接近設(shè)計值164 mm；單天線由于上層鋼筋屏蔽，N2預應(yīng)力鋼筋無法檢測到，自組雙天線檢測結(jié)果125 mm更接近設(shè)計值130 mm；對于N3預應(yīng)力鋼筋，單天線檢測結(jié)果為145 mm，自組雙天線檢測結(jié)果為106 mm，天線陣檢測結(jié)果為100 mm，與設(shè)計值130 mm相差均較大；N4預應(yīng)力鋼筋設(shè)計值為164 mm，單天線和自組雙天線檢測結(jié)

圖7 不同天線陣定位鋼筋及預應(yīng)力管道檢測結(jié)果

深層鋼筋設(shè)計值/mm單天線測試值/mm自組雙天線測試值/mm天線陣測試值/mm單天線測試值與設(shè)計值之比自組雙天線測試值與設(shè)計值之比天線陣測試值與設(shè)計值之比N11641801691481．101．030．90N2130—125115—0．960．88N31301451061001．120．820．77N41641601701530．981．040．93N51451801551551．241．071．07N61451701381521．170．951．05N7164—175160—1．070．98

果與設(shè)計值差7 mm，天線陣檢測結(jié)果與設(shè)計值差11 mm；N5和N6預應(yīng)力鋼筋自組雙天線和天線陣檢測結(jié)果與設(shè)計值差值分別為10 mm和7 mm，單天線測試結(jié)果為180 mm和170 mm，與設(shè)計值145 mm相差較大；由于上層鋼筋屏蔽，N7預應(yīng)力鋼筋使用單天線無法檢測到，天線陣檢測結(jié)果160 mm更接近設(shè)計值164 mm。

單天線測試結(jié)果與設(shè)計值之比分布在0.98～1.24之間，自組雙天線測試值與設(shè)計值之比在0.82～1.07之間，天線陣測試值與設(shè)計值之比在0.77～1.07之間，從區(qū)間可見，自組雙天線和天線陣檢測結(jié)果精度都比較高，但二者相比較，自組雙天線檢測精度更高。

因此，3種天線均可定位普通鋼筋，單天線不能較好地定位第2層的預應(yīng)力鋼筋。自組雙天線和商業(yè)天線陣設(shè)備均可在存在表層鋼筋屏蔽的情況下，很好地探測第二層預應(yīng)力鋼筋。對于該試驗模型，自組雙天線檢測精度較天線陣效果更好。

4 結(jié)論

(1) 自組雙天線雷達發(fā)射天線和接收天線的距離在12～18 cm時，能較清楚地檢測到普通鋼筋和預應(yīng)力鋼筋，與理論計算所得天線間距15.5 cm較吻合。

(2) 3種天線均可清楚檢測到混凝土試件上層普通鋼筋。

(3) 使用單天線定位第2層預應(yīng)力鋼筋的效果較差，自組雙天線和商業(yè)天線陣設(shè)備均可在存在表層鋼筋屏蔽的情況下，很好地探測到第2層預應(yīng)力鋼筋。

(4) 可用自組雙天線代替昂貴的天線陣雷達設(shè)備用于排除表層鋼筋的場合，而且由于可控制收發(fā)天線的間距，其靈活性更佳。

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ExperimentsonRecognitionAccuracyofDeepSteelBarinBridgeBasedonDifferentRadarAntennas

GAO Xiaoni, XIE Jun, AN Ning

(Research Institute of Highway Ministry of Transport, Beijing 100088, China)

A variety of detection methods, such as single antenna radar, antenna array radar and self-assembled double antenna radar, are used to compare their capacity to identify deep steel bar of bridge. Firstly, the basic principle of radar detection bar is introduced, and then the effect of antenna spacing on the detection effect of deep steel bar is verified by self-organizing double antenna radar. The effect of three kinds of radar on deep steel bar is analyzed by indoor production of reinforced concrete specimen model. The results show that the positioning effect of the single antenna on the deep prestressed steel bar is poor. The self-assembled double antenna and the commercial antenna array equipment can detect the deep prestressed steel bar in the presence of the surface steel bar shield. Therefore, the self-assembled double antenna can be used instead of the expensive antenna array radar equipment to detect deep prestressed steel bar, and self-assembled double antenna can control the spacing of transceiver antenna, whose flexibility is of better and more practical value.

bridge；deep steel bar; ground penetrating radar; antenna array; self-assembled double antenna

2017-03-29

高小妮(1983-),女，副研究員，主要從事橋梁無損檢測及結(jié)構(gòu)分析工作

高小妮，12858243@qq.com

10.11973/wsjc201711010

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0044-04