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(cè)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(guó)計(jì)量大學(xué) 工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018；2. 杭州華新檢測(cè)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(dòng)熱成像技術(shù)對(duì)鋼管混凝土的脫空缺陷進(jìn)行了研究，并針對(duì)當(dāng)前熱成像脫空檢測(cè)技術(shù)存在檢測(cè)深度小，處理算法呈現(xiàn)效果不佳，無(wú)法定量檢測(cè)，檢測(cè)效率低等問(wèn)題，提出了設(shè)計(jì)專用感應(yīng)加熱電源和線盤提高檢測(cè)深度，熱源反演算法消除加熱非均勻性干擾，建立無(wú)缺陷仿真模型預(yù)測(cè)鋼管混凝土表面的溫度分布，取同一時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作差來(lái)提取脫空缺陷特征，以及檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)的解決方法。通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)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(cè)深度和檢測(cè)效率。

鋼管混凝土；脫空缺陷；熱成像；熱源反演；定量檢測(cè)

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(jiàn)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(zhǎng)期作用等因素影響，鋼管內(nèi)壁與混凝土粘結(jié)界面處會(huì)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(shí)，結(jié)構(gòu)的承載力降低5%以內(nèi)，影響較小，但脫空率超過(guò)0.4%時(shí)，結(jié)構(gòu)承載力急劇下降[5]。

針對(duì)鋼管混凝土的脫空缺陷檢測(cè)，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(duì)提籃拱橋的支撐梁進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)鋼管壁厚達(dá)18mm，對(duì)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(duì)8～20mm壁厚的鋼管內(nèi)部脫空缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，提出聲時(shí)修正方法來(lái)減小鋼管壁厚對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確性的影響。岳文軍[8]對(duì)壁厚16mm的鋼管混凝土試樣進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)CT成像直觀地顯示出缺陷區(qū)域。晏國(guó)順[9]等利用中子法對(duì)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(cè)，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(duì)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(jì)數(shù)率與脫空深度的關(guān)系，并對(duì)電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，驗(yàn)證了檢測(cè)的可行性。楊金[11]采用沖擊回波法對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行脫空檢測(cè)，提出基于希爾伯特-黃變換來(lái)提取應(yīng)力波在鋼管混凝土內(nèi)傳播的回波信號(hào)特征，有效檢出了脫空缺陷的大小。

Monika ZIMNOCH[12]等利用鎖相主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)對(duì)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(wú)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(duì)混凝土中51個(gè)人工產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明使用熱對(duì)比法檢測(cè)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(duì)檢測(cè)效果的影響，通過(guò)紅外加熱方式對(duì)自制人工缺陷試樣進(jìn)行檢測(cè)，可檢出10mm以內(nèi)壁厚下的缺陷尺寸，但對(duì)于壁厚10～20mm的缺陷檢測(cè)效果不佳。Moses J. Matovu[15]等評(píng)估了主動(dòng)熱成像檢測(cè)鋼-混凝土組合剪力墻損傷的可行性，通過(guò)人工對(duì)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(wú)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(duì)組合剪力墻損傷檢測(cè)的可行性。石家莊鐵道大學(xué)王軍文[16]等對(duì)不同壁厚的鋼管混凝土試樣進(jìn)行了檢測(cè)，得出了不同壁厚適宜的紅外加熱時(shí)間，當(dāng)壁厚為16mm時(shí)加熱時(shí)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(shí)間對(duì)試樣表面溫升率的影響，并將實(shí)驗(yàn)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(duì)比度，分析表明當(dāng)壁厚超過(guò)10mm時(shí)由于熱量的橫向擴(kuò)散作用，導(dǎo)致缺陷無(wú)法識(shí)別。浙江工業(yè)大學(xué)陳禾[18]等對(duì)紅外熱成像法和超聲波法進(jìn)行了對(duì)比，提出熱成像檢測(cè)脫粘缺陷，超聲波法檢測(cè)空洞缺陷來(lái)提高檢測(cè)效率，實(shí)驗(yàn)表明熱成像方法可以檢測(cè)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(cè)面積大、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，但該方法通過(guò)紅外加熱的功率小、長(zhǎng)時(shí)間加熱使缺陷邊緣模糊，由于電磁加熱的電源啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)、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(shí)別難度較大，因此常用于檢測(cè)壁厚10mm以內(nèi)鋼管脫空缺陷的定性檢測(cè)。本文提出設(shè)計(jì)專用加熱電源和加熱線盤，以及熱源反演和溫度預(yù)測(cè)的處理算法，實(shí)現(xiàn)壁厚20mm鋼管脫空缺陷的定量檢測(cè)。

1 基于熱成像脫空檢測(cè)技術(shù)原理

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)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(cè)區(qū)域的正前方，如圖2(b)所示；為防止操作過(guò)程中熱像儀的抖動(dòng)，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(gè)檢測(cè)過(guò)程中，先啟動(dòng)熱像儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將線盤放置在檢測(cè)區(qū)中央，緊靠檢測(cè)面進(jìn)行加熱，完畢后快速移除線盤，等待一段時(shí)間停止采集，將得到的數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析。

1.2 檢測(cè)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(chǎng)在鋼板表面形成渦流時(shí)，鋼板表面被迅速加熱，熱量向混凝土傳播，在此過(guò)程中由于脫空缺陷的存在會(huì)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(guò)熱像儀記錄下檢測(cè)區(qū)域的溫度異常來(lái)判斷脫空區(qū)域的大致位置。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

1.3 檢測(cè)模型及仿真驗(yàn)證

每個(gè)檢測(cè)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(shí)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(shí)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(yàn)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(jiàn)表1。

圖3 檢測(cè)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(guò)仿真得出整個(gè)加熱和冷卻過(guò)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(shí)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(guò)程溫度變化趨勢(shì)

2 脫空檢測(cè)方法

2.1 熱激勵(lì)方式

紅外加熱方式可實(shí)現(xiàn)均勻加熱，但加熱效率低，導(dǎo)致較深的脫空缺陷識(shí)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(shí)描述熱源的難度增加；為簡(jiǎn)化仿真模型，需要保證激勵(lì)電源的啟動(dòng)時(shí)間盡量短，且在熱激勵(lì)期間保證加熱功率恒定?；诖嗽O(shè)計(jì)了專用加熱電源，啟動(dòng)時(shí)間在5ms以內(nèi)，且激勵(lì)過(guò)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(gè)加熱過(guò)程中保持不變。

加熱線盤的設(shè)計(jì)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(guò)高頻勵(lì)磁線繞制多組線圈，相鄰線圈繞線方向相反來(lái)降低線盤在高頻電路中的阻抗；通過(guò)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(jì)尺寸為300 mm×400mm。線盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計(jì)如圖5所示。線盤實(shí)際加熱效果如圖6所示，可知，實(shí)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(guò)5℃，因此需通過(guò)熱源反演算法消除非均勻干擾。

圖5 加熱線盤

2.2 檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化

為保證檢測(cè)效果和檢測(cè)效率，對(duì)加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化。理論上加熱時(shí)間越長(zhǎng)脫空缺陷引起的溫度異常信號(hào)越強(qiáng)，信噪比越高，但熱源反演需要獲取實(shí)驗(yàn)中加熱停止后未受到脫空缺陷影響的熱圖數(shù)據(jù)來(lái)求解實(shí)際熱源功率分布，因此加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，脫空缺陷會(huì)引起鋼管表面溫度異常而無(wú)法用于反演；由于加熱后線盤移除的時(shí)間小于2s，可認(rèn)為加熱并冷卻第2s時(shí)刻脫空與非脫空區(qū)域溫度差小于0.01℃時(shí)未受脫空缺陷的影響；通過(guò)仿真獲得20mm壁厚的鋼管混凝土在不同的加熱時(shí)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(shí)間為5s，此時(shí)溫度差為0.006℃，如圖7所示。

圖6 加熱非均勻性

圖7 加熱時(shí)間優(yōu)化曲線

加熱停止后一段時(shí)間內(nèi)，冷卻時(shí)間越長(zhǎng)脫空與非脫空區(qū)域的溫差越大，但時(shí)間越長(zhǎng)會(huì)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(cè)溫精度為0.2℃，取脫空與非脫空區(qū)域溫差超過(guò)0.3℃時(shí)熱像儀可識(shí)別到；通過(guò)仿真獲得加熱時(shí)間為5s時(shí)對(duì)應(yīng)的不同冷卻時(shí)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(shí)間為25s，此時(shí)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(wèn)題，提出根據(jù)實(shí)際鋼管混凝土的物性參數(shù)建立無(wú)脫空缺陷傳熱模型；基于該模型反演出實(shí)際熱源的功率分布，從而預(yù)測(cè)冷卻過(guò)程中在無(wú)脫空缺陷條件下鋼管表面的溫度分布。

圖8 冷卻時(shí)間優(yōu)化曲線

在模型的仿真條件與實(shí)驗(yàn)相同的情況下，當(dāng)無(wú)脫空時(shí)，理論上同一時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)熱圖與仿真預(yù)測(cè)熱圖相同，可相互抵消；當(dāng)存在脫空時(shí)，實(shí)驗(yàn)熱圖與仿真預(yù)測(cè)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(diǎn)熱源組成的面熱源，線盤的加熱效果可用熱源疊加法[20]來(lái)建立模型：

T＝×[T,1￠…T,i￠…T,n￠]T(3)

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

由此可得到加熱區(qū)每個(gè)位置被疊加后的溫升，可寫成(4)式，其中T從實(shí)驗(yàn)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(shí)間，選取近似的值來(lái)減少迭代次數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)加熱完畢時(shí)刻所得到的熱圖溫度分布與實(shí)際的功率分布有相似的特征，因此將該時(shí)刻的熱圖數(shù)據(jù)作為初始值帶入計(jì)算。

3.3 缺陷的量化表征

為驗(yàn)證脫空缺陷的定量評(píng)估效果，取加熱停止后第2s時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于熱源反演，反演得到的熱源功率分布帶入無(wú)缺陷傳熱模型中，根據(jù)熱傳導(dǎo)方程來(lái)預(yù)測(cè)某時(shí)刻鋼管表面的溫度分布。

將某次存在脫空缺陷的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證對(duì)象，取冷卻過(guò)程中第25s的實(shí)驗(yàn)熱圖與同一時(shí)刻的仿真模型預(yù)測(cè)熱圖作差來(lái)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(lái)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(guò)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(shí)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(cè)效果。

圖9 脫空區(qū)域提取效果

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)制作簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的鋼管混凝土。樣品尺寸為1000mm×1000mm×120mm，檢測(cè)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(gè)缺陷，兩個(gè)缺陷在樣品邊緣處，兩個(gè)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(gè)300mm×400mm的檢測(cè)區(qū)域，其中編號(hào)1、2、5為無(wú)脫空區(qū)域，編號(hào)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(cè)面的鋼板表面噴上富鋅漆，樣品正面如圖10(b)所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)樣品

4.2 實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)對(duì)檢測(cè)區(qū)的初始狀態(tài)、加熱過(guò)程和冷卻過(guò)程進(jìn)行了溫度記錄，其中加熱和冷卻過(guò)程分別記錄5s和30s的數(shù)據(jù)。

將多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度異常提取，其中一組實(shí)驗(yàn)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(guò)尺寸標(biāo)定確定缺陷大小。②6個(gè)檢測(cè)區(qū)域中有4個(gè)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(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到所有檢測(cè)區(qū)域的中值約為－0.25℃，可以證明檢測(cè)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(cè)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(shí)際鋼混結(jié)構(gòu)材料存在差異所致，但不影響定量檢測(cè)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)分析現(xiàn)有熱成像方法用于脫空檢測(cè)存在的不足提出了改進(jìn)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性：①通過(guò)設(shè)計(jì)專用大功率感應(yīng)加熱電源和線盤，提高了電源啟動(dòng)時(shí)間和有效加熱功率，為檢測(cè)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(guò)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(cè)算法來(lái)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(guò)對(duì)加熱和冷卻時(shí)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(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。④經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)表明，檢測(cè)深度可達(dá)20mm，且能反映脫空缺陷的形狀和大小，證實(shí)了改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)的可行性，為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求提供有效參考。

圖12 脫空缺陷檢測(cè)效果

[1] 張西辰, 宋曉冰. 鋼板混凝土(SC)組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J]. 四川建筑科學(xué)研究, 2015, 41(1): 26-30.

ZHANG Xichen, SONG Xiaobing. Research and application of steel concrete composite structure[J]., 2015, 41(1): 26-30.

[2] 安東. 雙鋼板混凝土組合剪力墻發(fā)展及其承載力研究現(xiàn)狀[J].城市建設(shè)理論研究, 2019, 302(20): 53-53.

AN Dong. Development and bearing capacity of double steel plate concrete composite shear wall[J]., 2019, 302(20): 53-53.

[3] 陳志華, 姜玉挺, 張曉萌, 等. 鋼管束組合剪力墻恢復(fù)力模型研究[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 2017, 37(1): 115-122.

CHEN Zhihua, JIANG Yuting, ZHANG Xiaomeng, et al. Research on resilience model of steel tube bundle composite shear wall[J]., 2017, 37(1): 115-122.

[4] 周云, 裴熠麟, 劉蒙. 基于非接觸式麥克風(fēng)沖擊共振測(cè)試的鋼-混組合結(jié)構(gòu)界面脫空損傷識(shí)別方法研究[J]. 地震工程與工程振動(dòng), 2020, 40(1): 67-79.

ZHOU Yun, PEI Yilin, LIU Meng. Non-contact diagnosis for interface debonding of steel-concrete composited structure by using impact resonance test with microphone[J]., 2020, 40(1): 67-79.

[5] 葉勇, 李威, 陳錦陽(yáng). 考慮脫空的方鋼管混凝土短柱軸壓性能有限元分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2015, 36(S1): 324-329.

YE Yong, LI Wei, CHEN Jinyang. FEA on compressive behavior of square CFST short columns with circumferential gap between concrete and tube[J]., 2015, 36(S1): 324-329.

[6] 史新偉. 超聲波法檢測(cè)鋼管混凝土脫空量及快速修補(bǔ)技術(shù)研究[D]. 鄭州: 鄭州大學(xué), 2009.

SHI Xinwei. Research on the void size in concrete-filled steel tube by ultrasonic wave method and the rapid repairing techniques[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2009.

[7] 段師劍, 王遠(yuǎn)傳, 趙勇. 超聲法檢測(cè)鋼管混凝土缺陷的分析與探討[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2018, 40(12): 74-78.

DUAN Shijian, WANG Yuanchuan, ZHAO Yong. Analysis and discussion of steel pipe-encased concrete defects by ultrasonic inspection[J]., 2018, 40(12): 74-78.

[8] 岳文軍, 楊國(guó)強(qiáng), 王棟, 等. 鋼管混凝土脫粘的超聲波檢測(cè)模型試驗(yàn)[J]. 施工技術(shù), 2016, 45(23): 151-155.

YUE Wenjun, YANG Guoqiang, WANG Dong, et al. Test and control technology and application of steel tube concrete arch bridge[J]., 2016, 45(23): 151-155.

[9] 晏國(guó)順, 張富家, 王旭明. 中子無(wú)損檢測(cè)法在瀘定水電站蝸殼脫空檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電, 2011, 37(5): 83-84, 88.

YAN Guoshun, ZHANG Fujia, WANG Xuming. Application of neutron non-destructive testing method in the void detection of spiral case in Luding Hydropower Station[J]., 2011, 37(5): 83-84, 88.

[10] 張輝, 劉國(guó)慶, 劉棖, 等. 水電站鋼襯混凝土結(jié)構(gòu)脫空缺陷定量檢測(cè)應(yīng)用研究[J]. 同位素, 2017, 30(3): 194-199.

ZHANG Hui, LIU Guoqing, LIU Cheng, et al. Study on Application of quantitative detecting of inner cavity defect of concrete under steel plate lining of hydro-power plant[J]., 2017, 30(3): 194-199.

[11] 楊金. 基于HHT的鋼管混凝土缺陷特征提取研究與FPGA實(shí)現(xiàn)[D]. 湘潭: 湖南科技大學(xué), 2016.

YANG Jin. Feature extraction from concrete-filled steel tube using HHT and FPGA implementation[D]. Xiangtan: Hunan University of Science and Technology, 2016.

[12] Zimnoch M, Oliferuk W, Maj M. Estimation of defect depth in steel plate using lock-in IR thermography [J]., 2010, 17: 156-159.

[13] Cotic P, Kolaric D, Bosiljkov V B, et al. Determination of the applicability and limits of void and delamination detection in concrete structures using infrared thermography[J]., 2015, 74(9): 87-93.

[14] 胡爽. 基于紅外熱像技術(shù)的鋼管混凝土密實(shí)度缺陷檢測(cè)探究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2016.

HU Shuang, The research and detection on the density defects of the concrete-filled steel tubes based on the infrared thermal imaging technology[D]. Chongqing: Chongqing University, 2016.

[15] Matovu M J, Farhidzadeh A, Salamone S. Damage assessment of steel-plate concrete composite walls by using infrared thermography: a preliminary study[J]., 2016, 6(2): 303-313.

[16] 王軍文, 馬少寧, 劉志勇, 等. 鋼管混凝土脫空無(wú)損檢測(cè)方法試驗(yàn)研究[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2021, 34(2): 38-45.

WANG Junwen, MA Shaoning, LIU Zhiyong, et al. Experimental study on non-destructive testing methods of voids in concrete filled steel tube[J].: Natural Science Edition, 2021, 34(2): 38-45.

[17] 張順. 基于渦流熱成像的鋼管混凝土拱橋脫空檢測(cè)試驗(yàn)研究[D]. 重慶: 重慶交通大學(xué), 2019.

ZHANG Shun. Research on void detection of concrete filled steel tubular arch bridge based on eddy current thermal imaging[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2019.

[18] 陳禾, 秦迎, 陳勁, 等. 基于紅外熱成像法和超聲波法的鋼管混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu), 2020, 50(S1): 890-895.

CHEN He, QIN Ying, CHEN Jin, et al. Experimental research on the non-destructive detecting technique on concrete-filled steel tube based on infrared thermal imaging method and ultrasonic method[J]., 2020, 50(S1): 890-895.

[19] 李曉希. 多層異種金屬粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷熱成像無(wú)損檢測(cè)研究[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2018.

LI Xiaoxi. A research of thermography NDT for inner defect in multi-layer metal-to-metal bonded structure [D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2018.

[20] 張績(jī)松, 王曉娜, 侯德鑫, 等. 基于激光熱成像的局部導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試[J]. 激光與紅外, 2020, 50(12): 1426-1432.

ZHANG Jisong, WANG Xiaona, HOU Dexin, et al. Local thermal conductivity measurement based on laser thermography[J]., 2020, 50(12): 1426-1432.

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(shí)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(wú)損檢測(cè)。E-mail：liuhaohean@163.com。

葉樹亮（1973-），男，教授，研究方向：化工產(chǎn)品安全測(cè)試技術(shù)與儀器，工業(yè)零部件缺陷檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備，精密測(cè)量中部件信號(hào)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)。