基于不同雷达天线的桥梁深层钢筋识别精度试验

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(交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

基于不同雷达天线的桥梁深层钢筋识别精度试验

高小妮，谢峻，安宁

(交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

通过单天线雷达、天线阵雷达及自组双天线雷达等多种检测方法对比分析了雷达识别桥梁深层钢筋的情况。首先介绍了雷达检测钢筋的基本原理，其次通过自组双天线雷达验证了天线间距对深层钢筋检测效果的影响。通过室内制作缩尺钢筋混凝土试件模型，对比分析了三种雷达对深层钢筋检测的影响。结果表明：单天线雷达对深层预应力钢筋定位效果较差；自组双天线和商业天线阵设备均可在存有表层钢筋屏蔽的情况下，很好地探测深层预应力钢筋。因此，在深层预应力钢筋的检测中，可用自组双天线雷达代替昂贵的天线阵雷达设备，而且自组双天线雷达可控制收发天线的间距，灵活性更好、更具有工程实用价值。

桥梁；深层钢筋；探地雷达；天线阵；自组双天线

随着我国经济的快速发展，桥梁工程建设也进入了飞速发展阶段，截至2016年，我国公路桥梁总数接近80万座。近年来，因桥梁倒塌和破坏所造成的经济损失和人员伤亡的事件频发，因此桥梁的安全运营也备受关注。已建桥梁中多数桥梁为钢筋混凝土结构，为保证其安全运营，应对其进行日常检查及特殊检测。对于混凝土桥梁，主要检测其混凝土标号、保护层厚度、钢筋布置及锈蚀、预应力管道定位及灌浆等情况[1-2]。对于钢筋定位，传统方法因具有操作不便、成本高、有破坏性等特点而被分辨率高、图像直观、操作方便快捷的无损检测[3]方法所取代，目前常用探地雷达对钢筋进行定位[4-5]。

利用探地雷达对混凝土[6]结构保护层厚度[7]、标号、内部缺损[8]及单侧钢筋定位等方面的研究较多，但对于深层钢筋检测的研究还较少。对于深层钢筋，由于混凝土构件表层也有一层钢筋，在雷达探测时，这层钢筋对深层钢筋的检测有屏蔽和干扰作用，给准确检测深层钢筋的位置带来困难。国内外学者通过模拟和室内试验[9]对深层钢筋的检测进行了研究，结果表明：横向钢筋间距越大检测效果较好；对于深层钢筋的检测，如何选取雷达设备的研究很少。笔者通过单天线雷达、天线阵雷达及自组双天线雷达等多种检测方法对比分析了雷达识别桥梁深层钢筋的情况。

1 雷达检测钢筋的原理

地质雷达利用高频电磁波的反射原理[10]来实现检测的目的，其主要由发射部分和接收部分组成，发射部分由发射机和天线组成。电磁波在传播过程中，当遇到不同媒质的分界面时会发生反射、散射和透射，反射回波由设置在某一固定位置的接收天线接收。电磁波检测原理示意如图1所示。

图1 电磁波检测原理示意

对于桥梁中的钢筋(钢束)，在低频场作用下，电磁波进入金属极浅，几乎会被完全反射回去。在工程探测的大多数情况下，反射天线与接收天线距离较近，几乎是垂直入射和反射，因此反射系数为

式中：εr1为上层界面的介电常数；εr2为下层界面的介电常数。

由式(1)可知，当两个介质的介电常数相同时，没有反射仅有透射；两层界面的介电常数差异越大，反射系数越大，反射强度越强。对于预应力混凝土结构中的钢筋，电磁波经混凝土在金属表面发生反射，反射波与入射波相位相反。

2 自组双天线雷达介绍

适当选取发射天线与接收天线之间的距离，可使钢筋的回波信号增强。在已购买的成品单天线雷达中，发射天线和接收天线距离已固定，无法改变。为了更好地探测钢筋的位置，在不具备天线阵雷达设备时，可通过两个单天线自组双天线雷达进行钢筋定位检测。

为了对比分析钢筋定位效果，采用现有的1 600 MHz的单天线和自组2×1 600 MHz的双天线进行检测。自制多天线固定支架可帮助雷达检测获得准确、稳定的测试结果。自组双天线设备外观如图2所示。

图2 自组双天线设备外观

为了达到较好的探测效果，需确定自组双天线的发射天线与接收天线间的距离。根据现有资料，自组发射天线与接收天线的间距S应使最深目标体相对接收和发射天线的张角为临界角的2倍，即

式中：Dmax为目标体最大深度；εr为围岩的相对介电常数。

采用自组2个1 600 MHz的天线进行天线合理间距验证。选择其中一个天线为发射天线，另一个为接收天线，在保持中心点位置不变的情况下，调整两个天线的间距，从而确定最合理的天线间距。制作预应力混凝土构件进行试验验证，构件上层为直径16 mm的普通钢筋，下层为钢绞线。采用自组双天线雷达对钢绞线进行检测。发射天线(T)和接收天线(R)的间距分别选为12，15，18，21，24，27 cm，相同预应力钢筋位置的检测结果如图3所示。

由图3可见，钢筋和钢绞线在雷达灰度图中成像为双曲线形状。发射天线和接收天线距离在12～18 cm间时，可以清楚检测到上层普通钢筋和6～7根下层钢筋。发射天线和接收天线距离大于21 cm后，上层普通钢筋依然可检测到，但下层钢筋的检测图像的清晰度随着距离的增大逐渐减弱，距离大于27 cm后，检测结果很不理想。

对于试验构件，预应力钢筋的最大深度为18 cm，混凝土相对介电常数取6.4，由式(2)计算可知，S为15.5 cm。

图3 不同发射天线和接收天线间距时，检测相同预应力钢筋位置的灰度图

可见，试验采用的发射天线和接收天线距离在12～18 cm时，能较清楚地探测到普通钢筋和预应力钢筋，与理论计算所得天线间距15.5 cm较吻合。

3 深层配筋识别的综合试验

3.1试件的制作及测线布设

为了验证不同探地雷达天线对深层配筋识别精度的影响，参考已建的预应力混凝土桥梁配筋情况制作混凝土试件，试件结构如图4所示，制作完成的试件外观如图5所示。试件共7根预应力管道，其中N1，N4和N7为φ32 mm精轧螺纹钢管道，N2，N3，N5和N6为波纹管管道。普通钢筋直径为16 mm，采用19根φ15.2 mm和7根φ15.2 mm的钢绞线及其配套的锚具，预应力钢绞线的波纹管直径分别为100 mm和70 mm。采用单天线1 600 MHz、ALADDIN天线和自组2×1 600 MHz天线阵对试件进行测试，测线布置如图6所示。

图4 混凝土试件结构

图5 混凝土试件外观

图6 不同天线阵对试件的测线布置

3.2多层钢筋识别效果试验

钢筋及预应力管道经不同天线检测后，检测结果如图7所示。对测试图进行后期处理，读取每张图中深层钢绞线的坐标并与原设计进行比较，其结果对比如表1所示。

由图7可见，上层较小的双曲线为普通钢筋，下层双曲线为预应力钢筋。使用单天线探地雷达检测时，N2和N7预应力钢筋无法检测到。

由预应力钢筋深度检测结果对比可知，对于N1预应力钢筋，经3种天线检测后，自组双天线检测结果169 mm更接近设计值164 mm；单天线由于上层钢筋屏蔽，N2预应力钢筋无法检测到，自组双天线检测结果125 mm更接近设计值130 mm；对于N3预应力钢筋，单天线检测结果为145 mm，自组双天线检测结果为106 mm，天线阵检测结果为100 mm，与设计值130 mm相差均较大；N4预应力钢筋设计值为164 mm，单天线和自组双天线检测结

图7 不同天线阵定位钢筋及预应力管道检测结果

深层钢筋设计值/mm单天线测试值/mm自组双天线测试值/mm天线阵测试值/mm单天线测试值与设计值之比自组双天线测试值与设计值之比天线阵测试值与设计值之比N11641801691481．101．030．90N2130—125115—0．960．88N31301451061001．120．820．77N41641601701530．981．040．93N51451801551551．241．071．07N61451701381521．170．951．05N7164—175160—1．070．98

果与设计值差7 mm，天线阵检测结果与设计值差11 mm；N5和N6预应力钢筋自组双天线和天线阵检测结果与设计值差值分别为10 mm和7 mm，单天线测试结果为180 mm和170 mm，与设计值145 mm相差较大；由于上层钢筋屏蔽，N7预应力钢筋使用单天线无法检测到，天线阵检测结果160 mm更接近设计值164 mm。

单天线测试结果与设计值之比分布在0.98～1.24之间，自组双天线测试值与设计值之比在0.82～1.07之间，天线阵测试值与设计值之比在0.77～1.07之间，从区间可见，自组双天线和天线阵检测结果精度都比较高，但二者相比较，自组双天线检测精度更高。

因此，3种天线均可定位普通钢筋，单天线不能较好地定位第2层的预应力钢筋。自组双天线和商业天线阵设备均可在存在表层钢筋屏蔽的情况下，很好地探测第二层预应力钢筋。对于该试验模型，自组双天线检测精度较天线阵效果更好。

4 结论

(1) 自组双天线雷达发射天线和接收天线的距离在12～18 cm时，能较清楚地检测到普通钢筋和预应力钢筋，与理论计算所得天线间距15.5 cm较吻合。

(2) 3种天线均可清楚检测到混凝土试件上层普通钢筋。

(3) 使用单天线定位第2层预应力钢筋的效果较差，自组双天线和商业天线阵设备均可在存在表层钢筋屏蔽的情况下，很好地探测到第2层预应力钢筋。

(4) 可用自组双天线代替昂贵的天线阵雷达设备用于排除表层钢筋的场合，而且由于可控制收发天线的间距，其灵活性更佳。

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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，副研究员，主要从事桥梁无损检测及结构分析工作

高小妮，12858243@qq.com

10.11973/wsjc201711010

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0044-04