基于熱成像的鋼管混凝土脫空檢測技術(shù)研究

劉 豪，侯德鑫，鄭剛兵，袁建鋒，葉樹亮

基于熱成像的鋼管混凝土脫空檢測技術(shù)研究

劉 豪1，侯德鑫1，鄭剛兵2，袁建鋒3，葉樹亮1

（1. 中國計量大學(xué) 工業(yè)與商貿(mào)計量技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018；2. 杭州華新檢測技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 311200；3. 杭州奧體博覽中心蕭山建設(shè)投資有限公司，浙江 杭州 311200）

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因受施工工藝、混凝土收縮、超負(fù)荷承載等因素而產(chǎn)生脫空缺陷，使結(jié)構(gòu)的承載能力下降。本文利用主動熱成像技術(shù)對鋼管混凝土的脫空缺陷進(jìn)行了研究，并針對當(dāng)前熱成像脫空檢測技術(shù)存在檢測深度小，處理算法呈現(xiàn)效果不佳，無法定量檢測，檢測效率低等問題，提出了設(shè)計專用感應(yīng)加熱電源和線盤提高檢測深度，熱源反演算法消除加熱非均勻性干擾，建立無缺陷仿真模型預(yù)測鋼管混凝土表面的溫度分布，取同一時刻的實驗數(shù)據(jù)和仿真預(yù)測數(shù)據(jù)作差來提取脫空缺陷特征，以及檢測參數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)定量檢測的解決方法。通過多次重復(fù)實驗表明，可檢出壁厚為20mm鋼管混凝土內(nèi)的脫空缺陷，并能確定缺陷形狀和大小，有效提高了檢測深度和檢測效率。

鋼管混凝土；脫空缺陷；熱成像；熱源反演；定量檢測

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛用于裝配式建筑、道路橋梁、沉管隧道等工程中，該結(jié)構(gòu)是一種由外側(cè)鋼管和內(nèi)填混凝土組合而成的受力體系[1]。在建筑領(lǐng)域常見的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。該結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、高剛度、較高延性、抗沖擊性能良好和施工高效等良好性能[2]。

圖1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

因受施工工藝、混凝土收縮徐變、荷載長期作用等因素影響，鋼管內(nèi)壁與混凝土粘結(jié)界面處會產(chǎn)生脫粘和空洞（脫空）現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力[4]。研究表明，當(dāng)混凝土的脫空率小于0.1%時，結(jié)構(gòu)的承載力降低5%以內(nèi)，影響較小，但脫空率超過0.4%時，結(jié)構(gòu)承載力急劇下降[5]。

針對鋼管混凝土的脫空缺陷檢測，史新偉[6]研究了超聲波在不同缺陷情況下聲學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，并對提籃拱橋的支撐梁進(jìn)行了檢測，檢測鋼管壁厚達(dá)18mm，對橋梁的施工提供了指導(dǎo)意義。段師劍[7]等使用ZBL-U510非金屬超聲儀對8～20mm壁厚的鋼管內(nèi)部脫空缺陷進(jìn)行了檢測，提出聲時修正方法來減小鋼管壁厚對檢測準(zhǔn)確性的影響。岳文軍[8]對壁厚16mm的鋼管混凝土試樣進(jìn)行了檢測，通過CT成像直觀地顯示出缺陷區(qū)域。晏國順[9]等利用中子法對瀘定水電站機(jī)組蝸殼（鋼板厚度為16～40mm）脫空情況進(jìn)行了檢測，得出了脫空區(qū)域的分布、面積和深度。張輝[10]等利用中子法對30mm和40mm鋼板下的人工缺陷進(jìn)行了標(biāo)定，得到了熱中子計數(shù)率與脫空深度的關(guān)系，并對電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行了現(xiàn)場檢測，驗證了檢測的可行性。楊金[11]采用沖擊回波法對鋼管混凝土進(jìn)行脫空檢測，提出基于希爾伯特-黃變換來提取應(yīng)力波在鋼管混凝土內(nèi)傳播的回波信號特征，有效檢出了脫空缺陷的大小。

Monika ZIMNOCH[12]等利用鎖相主動紅外熱成像技術(shù)對鋼板上的人工平底孔缺陷進(jìn)行了研究，用鹵素?zé)糁芷谛约訜徜摪灞砻?，得出了缺陷深度與缺陷表面和無缺陷表面之間溫度變化的相位差之間的關(guān)系。Patricia Coti?[13]等對混凝土中51個人工產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了檢測，實驗表明使用熱對比法檢測深度等于或小于缺陷尺寸的缺陷是可行的。重慶大學(xué)胡爽[14]等分析了鋼管混凝土的壁厚對檢測效果的影響，通過紅外加熱方式對自制人工缺陷試樣進(jìn)行檢測，可檢出10mm以內(nèi)壁厚下的缺陷尺寸，但對于壁厚10～20mm的缺陷檢測效果不佳。Moses J. Matovu[15]等評估了主動熱成像檢測鋼-混凝土組合剪力墻損傷的可行性，通過人工對剪力墻施加載荷使剪力墻樣品損傷，并用紅外加熱燈作為加熱源，得出無損傷和損傷區(qū)瞬態(tài)熱曲線的差異，初步探索了該方法對組合剪力墻損傷檢測的可行性。石家莊鐵道大學(xué)王軍文[16]等對不同壁厚的鋼管混凝土試樣進(jìn)行了檢測，得出了不同壁厚適宜的紅外加熱時間，當(dāng)壁厚為16mm時加熱時間達(dá)8min。重慶交通大學(xué)張順[17]仿真鋼管混凝土的脫空厚度、鋼管壁厚、感應(yīng)加熱時間對試樣表面溫升率的影響，并將實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)和圖像增強(qiáng)處理提高脫空與非脫空部位的對比度，分析表明當(dāng)壁厚超過10mm時由于熱量的橫向擴(kuò)散作用，導(dǎo)致缺陷無法識別。浙江工業(yè)大學(xué)陳禾[18]等對紅外熱成像法和超聲波法進(jìn)行了對比，提出熱成像檢測脫粘缺陷，超聲波法檢測空洞缺陷來提高檢測效率，實驗表明熱成像方法可以檢測出鋼管壁厚15mm下的脫粘缺陷。

紅外熱成像方法具有非接觸、單次檢測面積大、檢測效率高等特點，但該方法通過紅外加熱的功率小、長時間加熱使缺陷邊緣模糊，由于電磁加熱的電源啟動時間較長、加熱不均勻、功率較小等因素，導(dǎo)致較深和較小的脫空缺陷識別難度較大，因此常用于檢測壁厚10mm以內(nèi)鋼管脫空缺陷的定性檢測。本文提出設(shè)計專用加熱電源和加熱線盤，以及熱源反演和溫度預(yù)測的處理算法，實現(xiàn)壁厚20mm鋼管脫空缺陷的定量檢測。

1 基于熱成像脫空檢測技術(shù)原理

1.1 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)主要由熱像儀、上位機(jī)、感應(yīng)加熱電源、加熱線盤和支架5部分組成，如圖2(a)所示。熱像儀固定在當(dāng)前檢測區(qū)域的正前方，如圖2(b)所示；為防止操作過程中熱像儀的抖動，利用磁力座加固；上位機(jī)主要控制加熱電源的啟停和熱像儀數(shù)據(jù)的采集；線盤用于感應(yīng)加熱鋼板表面。在整個檢測過程中，先啟動熱像儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將線盤放置在檢測區(qū)中央，緊靠檢測面進(jìn)行加熱，完畢后快速移除線盤，等待一段時間停止采集，將得到的數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析。

1.2 檢測原理

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中鋼板、混凝土及空氣之間的熱物理特性參數(shù)存在較大差異，當(dāng)線盤產(chǎn)生的交變磁場在鋼板表面形成渦流時，鋼板表面被迅速加熱，熱量向混凝土傳播，在此過程中由于脫空缺陷的存在會阻礙部分熱量的傳播而反射到鋼板表面，如圖3(a)所示，從而導(dǎo)致脫空區(qū)域表面的溫度比非脫空區(qū)域高，如圖3(b)所示。因此，通過熱像儀記錄下檢測區(qū)域的溫度異常來判斷脫空區(qū)域的大致位置。

圖2 檢測系統(tǒng)示意圖

1.3 檢測模型及仿真驗證

每個檢測區(qū)域的仿真模型可描述為上層鋼板、下層混凝土的復(fù)合結(jié)構(gòu)，則該模型的非穩(wěn)態(tài)三維熱傳導(dǎo)方程為：

式中：為微元體密度；為比熱容；為導(dǎo)熱系數(shù)；為時間。假設(shè)鋼管與混凝土之間接觸良好，則他們之間的熱阻為0，其邊界條件如式(2)：

式(2)中：為熱源分布；1、1、1、1分別為鋼管厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度，2、2、2、2分別為混凝土厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度。

根據(jù)實際鋼管和混凝土材料的物性參數(shù)建立鋼混結(jié)構(gòu)傳熱模型，驗證脫空區(qū)與非脫空區(qū)之間溫度變化的差異特征。結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)見表1。

圖3 檢測模型傳熱示意圖

表1 材料的物性參數(shù)

設(shè)置鋼管壁厚為20mm，混凝土厚為100mm，加熱面積300mm×400mm，脫空缺陷尺寸為50mm×50mm，加熱功率約為6kW，熱源特征為均勻面熱源，初始溫度為0℃，加熱5s冷卻30s，通過仿真得出整個加熱和冷卻過程中脫空和非脫空區(qū)域的溫度變化差異如圖4所示，在冷卻一段時間后脫空區(qū)的溫度明顯偏高，視為脫空缺陷引起的溫度異常。

圖4 脫空區(qū)與非脫空區(qū)加熱和冷卻過程溫度變化趨勢

2 脫空檢測方法

2.1 熱激勵方式

紅外加熱方式可實現(xiàn)均勻加熱，但加熱效率低，導(dǎo)致較深的脫空缺陷識別難度大，因此采用電磁感應(yīng)加熱以提高加熱效率。

常規(guī)感應(yīng)加熱電源由于開啟約1s后才能達(dá)到恒定加熱功率，導(dǎo)致仿真建模時描述熱源的難度增加；為簡化仿真模型，需要保證激勵電源的啟動時間盡量短，且在熱激勵期間保證加熱功率恒定?；诖嗽O(shè)計了專用加熱電源，啟動時間在5ms以內(nèi)，且激勵過程中能夠保持功率基本恒定，因此，可近似認(rèn)為熱源在整個加熱過程中保持不變。

加熱線盤的設(shè)計與加熱功率密度和加熱效果緊密相關(guān)，為提供較大的功率密度，通過高頻勵磁線繞制多組線圈，相鄰線圈繞線方向相反來降低線盤在高頻電路中的阻抗；通過內(nèi)置磁芯可有效增加磁通量，提高電磁轉(zhuǎn)換效率；其次，線盤的設(shè)計尺寸為300 mm×400mm。線盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計如圖5所示。線盤實際加熱效果如圖6所示，可知，實現(xiàn)大功率、高功率密度加熱導(dǎo)致非均勻性被顯著加強(qiáng)，最大溫差超過5℃，因此需通過熱源反演算法消除非均勻干擾。

圖5 加熱線盤

2.2 檢測參數(shù)優(yōu)化

為保證檢測效果和檢測效率，對加熱時間和冷卻時間進(jìn)行了優(yōu)化。理論上加熱時間越長脫空缺陷引起的溫度異常信號越強(qiáng)，信噪比越高，但熱源反演需要獲取實驗中加熱停止后未受到脫空缺陷影響的熱圖數(shù)據(jù)來求解實際熱源功率分布，因此加熱時間過長，脫空缺陷會引起鋼管表面溫度異常而無法用于反演；由于加熱后線盤移除的時間小于2s，可認(rèn)為加熱并冷卻第2s時刻脫空與非脫空區(qū)域溫度差小于0.01℃時未受脫空缺陷的影響；通過仿真獲得20mm壁厚的鋼管混凝土在不同的加熱時間下脫空與非脫空區(qū)域之間的溫度差，得出合適的加熱時間為5s，此時溫度差為0.006℃，如圖7所示。

圖6 加熱非均勻性

圖7 加熱時間優(yōu)化曲線

加熱停止后一段時間內(nèi)，冷卻時間越長脫空與非脫空區(qū)域的溫差越大，但時間越長會因脫空缺陷邊緣的橫向傳熱而產(chǎn)生熱模糊效應(yīng)[19]，使缺陷變得越模糊；由于熱像儀測溫精度為0.2℃，取脫空與非脫空區(qū)域溫差超過0.3℃時熱像儀可識別到；通過仿真獲得加熱時間為5s時對應(yīng)的不同冷卻時間下脫空與非脫空區(qū)域之間的溫度差，得出合理的冷卻時間為25s，此時的溫度差為0.302℃，如圖8所示。

3 脫空缺陷特征提取

3.1 算法原理

為消除加熱出現(xiàn)的非均勻性，解決由于線盤邊緣加熱功率不足引起的缺陷處溫度異常不明顯問題，提出根據(jù)實際鋼管混凝土的物性參數(shù)建立無脫空缺陷傳熱模型；基于該模型反演出實際熱源的功率分布，從而預(yù)測冷卻過程中在無脫空缺陷條件下鋼管表面的溫度分布。

圖8 冷卻時間優(yōu)化曲線

在模型的仿真條件與實驗相同的情況下，當(dāng)無脫空時，理論上同一時刻的實驗熱圖與仿真預(yù)測熱圖相同，可相互抵消；當(dāng)存在脫空時，實驗熱圖與仿真預(yù)測熱圖作差可得到溫度異常區(qū)域，即脫空區(qū)域。

3.2 熱源反演

將加熱線盤視作由一系列點熱源組成的面熱源，線盤的加熱效果可用熱源疊加法[20]來建立模型：

T＝×[T,1￠…T,i￠…T,n￠]T(3)

式中：為點熱源總數(shù)；T為第個位置被疊加后的溫升；[T,1￠…T,i￠…T,n￠]T為單位熱源在第個位置處的溫度場，為所有點熱源的功率集合，可寫為[1…q…q]。

由此可得到加熱區(qū)每個位置被疊加后的溫升，可寫成(4)式，其中T從實驗數(shù)據(jù)中得到，￠由仿真得到，為需要求解的功率分布。

為得到功率分布的數(shù)值解，采用正則化迭代算法求解(4)式方程組。

為減小求解時間，選取近似的值來減少迭代次數(shù)，由于實驗加熱完畢時刻所得到的熱圖溫度分布與實際的功率分布有相似的特征，因此將該時刻的熱圖數(shù)據(jù)作為初始值帶入計算。

3.3 缺陷的量化表征

為驗證脫空缺陷的定量評估效果，取加熱停止后第2s時刻的實驗數(shù)據(jù)用于熱源反演，反演得到的熱源功率分布帶入無缺陷傳熱模型中，根據(jù)熱傳導(dǎo)方程來預(yù)測某時刻鋼管表面的溫度分布。

將某次存在脫空缺陷的實驗數(shù)據(jù)作為驗證對象，取冷卻過程中第25s的實驗熱圖與同一時刻的仿真模型預(yù)測熱圖作差來提取缺陷引起的溫度異常。如圖9為作差后的熱圖，基本消除了加熱帶來的非均勻性干擾，溫度異常部位平均值與背景溫度偏差約0.3℃，可反映出脫空缺陷的位置、形狀，并通過尺寸標(biāo)定確定缺陷的大??；由于仿真所用材料物性參數(shù)與實際存在差異導(dǎo)致背景溫度在－0.2℃左右，而不是0℃，但不影響定量檢測效果。

圖9 脫空區(qū)域提取效果

4 實驗驗證

4.1 實驗樣品

本次實驗制作簡易實驗樣品來模擬施工現(xiàn)場的鋼管混凝土。樣品尺寸為1000mm×1000mm×120mm，檢測面為1000mm×1000mm×20mm的鋼板，四周焊接7mm厚鋼板作為混凝土的擋板，中間嵌入兩條加強(qiáng)筋加固，如圖10(a)所示。樣品共設(shè)置有4個缺陷，兩個缺陷在樣品邊緣處，兩個在中部，缺陷尺寸為100mm×100mm×5mm；模擬缺陷的材料選用ABS塑料，將裁剪后的塑料塊掏空倒扣在鋼板內(nèi)壁上，并用膠水將四周粘貼牢固；由于支架的限制，將樣品分成6個300mm×400mm的檢測區(qū)域，其中編號1、2、5為無脫空區(qū)域，編號3、4、6為脫空區(qū)域，如圖10(a)所示。將鋼結(jié)構(gòu)槽內(nèi)澆筑混凝土，待混凝土凝固后，在檢測面的鋼板表面噴上富鋅漆，樣品正面如圖10(b)所示。

圖10 實驗樣品

4.2 實驗條件及結(jié)果

本實驗紅外熱像儀采用FLIR A315，幀頻為5Hz，分辨率為320×240，感應(yīng)加熱電源加熱功率約為6kW，實驗檢測設(shè)備如圖11所示。

圖11 實驗裝置

本實驗對檢測區(qū)的初始狀態(tài)、加熱過程和冷卻過程進(jìn)行了溫度記錄，其中加熱和冷卻過程分別記錄5s和30s的數(shù)據(jù)。

將多次重復(fù)實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度異常提取，其中一組實驗結(jié)果如圖12所示，可得出以下結(jié)論：①有效消除了非均勻性干擾，反映了脫空缺陷的位置和形狀，并能通過尺寸標(biāo)定確定缺陷大小。②6個檢測區(qū)域中有4個存在溫度偏低的帶狀干擾，這是由于加強(qiáng)筋導(dǎo)熱性能比混凝土好所導(dǎo)致。③通過重復(fù)實驗統(tǒng)計得到所有檢測區(qū)域的中值約為－0.25℃，可以證明檢測重復(fù)性較好，且缺陷產(chǎn)生的異常約為0.10℃，與中值相差0.35℃。④可將異常提取結(jié)果的中值整體修正－0.25℃，取修正前缺陷異常值與中值之差的一半（0.175℃）作為缺陷判斷閾值，以用于大面積脫空缺陷的判別。⑤所有檢測區(qū)域的中值都不為0，是由于仿真模型的物性參數(shù)與實際鋼混結(jié)構(gòu)材料存在差異所致，但不影響定量檢測。

5 結(jié)論

本文通過分析現(xiàn)有熱成像方法用于脫空檢測存在的不足提出了改進(jìn)方案，并通過實驗驗證了方案的有效性：①通過設(shè)計專用大功率感應(yīng)加熱電源和線盤，提高了電源啟動時間和有效加熱功率，為檢測較大壁厚鋼管內(nèi)側(cè)的脫空缺陷提供硬件基礎(chǔ)。②通過建立傳熱模型，結(jié)合熱源反演算法和鋼管表面溫度預(yù)測算法來消除感應(yīng)加熱的非均勻性和背景干擾，使其能夠有效檢出脫空缺陷的位置和形狀。③通過對加熱和冷卻時間的優(yōu)化可有效抑制缺陷邊緣熱量的橫向傳播，避免缺陷模糊，并結(jié)合尺寸標(biāo)定和閾值判斷可實現(xiàn)定量檢測。④經(jīng)過多次重復(fù)實驗表明，檢測深度可達(dá)20mm，且能反映脫空缺陷的形狀和大小，證實了改進(jìn)方案實現(xiàn)定量檢測的可行性，為現(xiàn)場檢測需求提供有效參考。

圖12 脫空缺陷檢測效果

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Infrared Thermography-based Void Detection Technology for Concrete-filled Steel Tubes

LIU Hao1，HOU Dexin1，ZHENG Gangbing2，YUAN Jianfeng3，YE Shuliang1

(1. Institute of Industry and Trade Measurement Technique, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2. Hangzhou Huaxin Testing Engineering Company, Ltd, Hangzhou 311200, China; 3. Hangzhou Olympic Sports Expo Center Xiaoshan Construction Investment Co., Ltd, Hangzhou 311200, China)

The concrete-filled steel tube structure has void defects owing to factors such as construction technology, concrete shrinkage, and overload bearing, which reduce the load-bearing capacity of the structure. Furthermore, the current thermal imaging based void detection technology has a small detection depth, poor processing algorithm rendering effect, inability to detect quantitatively, and low detection efficiency. In this study, an active thermal imaging technology was used to study the void defects of concrete-filled steel tubes. A special induction heating power supply and heating probe are designed to increase the detection depth, and a heat source inversion algorithm eliminates the heating non-uniformity interference. In addition, a defect-free simulation model is established to predict the temperature distribution of the concrete-filled steel tube surface. Moreover, the difference between the experimental data and the simulation prediction data was obtained to extract the characteristics of the void defect and optimize the detection parameters to realize a quantitative detection solution. Through repeated experiments, it was shown that void defects in concrete-filled steel tubes with a wall thickness of 20mm can be detected, and the shape and size of the defects can be determined, which effectively improves the inspection depth and efficiency.

concrete-filled steel tube, void defect, thermal imaging, heat source inversion, quantitative detection

TU753 文獻(xiàn)識別碼：A

1001-8891(2021)11-1119-08

2021-07-21；

2021-09-13.

劉豪（1995-），男，碩士研究生，研究方向：基于熱成像的無損檢測。E-mail：liuhaohean@163.com。

葉樹亮（1973-），男，教授，研究方向：化工產(chǎn)品安全測試技術(shù)與儀器，工業(yè)零部件缺陷檢測技術(shù)與設(shè)備，精密測量中部件信號處理與誤差分析技術(shù)。E-mail：itmt_paper@126.com。

浙江省自然科學(xué)基金（LY18F030011)。