束永龙， 孙益轩， 杨亦芃， 程 帅， 贾思豪

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.先进钢结构技术与产业化协同创新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

鉴于钢管混凝土组合结构具有强度高、延性好、施工便捷、抗震性好等优势，在高层建筑、桥梁工程、重载交通和大跨结构等实际工程中被广泛应用[1]。然而，据统计实际钢管混凝土结构由于内外温差、混凝土干缩、养护条件、施工工艺及服役环境等因素，普遍存在脱空缺陷问题[2]。部分研究表明，混凝土脱空缺陷的存在会造成钢管与混凝土界面脱离，显著削弱钢管混凝土的承载力、刚度和延性等力学性能，忽略脱空缺陷的影响，可能给实际工程埋下较大的安全隐患[3]。

鉴于上述问题，有必要对实际钢管混凝土结构/构件的脱空情况进行合理的检测评估，以合理诊断与防治其可能发生的质量安全事故。目前，实际钢管混凝土结构的脱空检测方法主要包括钻芯取样法、人工敲击法和振动测试法[4]。然而，上述传统脱空缺陷检测方法存在一定的局限性，容易造成误判或漏判，不适合当前对安全和便捷的进一步追求。使用时间最长且范围最广的方法是人工敲击法，这种方法虽然操作简单，但人工攀爬具有较大的危险性，且其准确性和操作人员的熟练程度关联紧密，无法保证检测结构的准确性[5]。分布式光纤检测法可以对钢管混凝土整体定性检测，但在钢管混凝土建造中铺设光纤需要花费额外的时间和资金，并且钢管内表面铺设的光纤会一定程度地影响结构强度[6]。振动测试法需要对建筑物本身施加较大的外力激励，加载设备往往较为笨重，无法便捷携带[7]。综上所述，研发一种安全、高效、精确的新型检测技术，对实际钢管混凝土结构脱空问题的诊断和防治具有重要意义。

因此，本文基于物联网技术，结合智能机器人和超声检测，提出了一种钢管混凝土脱空缺陷的智能化新型远程传输检测技术，该方法旨在为传统检测提供新思路与新方法。

1 物联网工程

1.1 物联网基本概念的解释

物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理，如图1所示。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

图1 物联网工程概念图解

1.2 物联网工程对钢管混凝土脱空检测的助力

物联网作为新兴技术的代表之一，具有旧经济形势下所没有的新特征，新内容，并且以其新形势吸引了诸多方面的研究与关注。目前阶段来看，物联网技术是先进生产力的代表，在新形势下具有极大的发展空间。为了适应外界条件的变化，诸多的传统作业方式已经与物联网技术结合起来，达到了意想不到的效果。

对于钢管混凝土的脱空检测，仍然具有数量庞大、信息复杂、危险性大等诸多特点，结合物联网的应用实例来看，可以推断，将物联网技术应用到钢管混凝土脱空检测是必要的，是新形势下的新要求，物联网技术一定会推动钢管混凝土检测技术形成体系并且不断向外延拓。

物联网技术作为新兴的技术代表之一，因其代表着先进的生产力，其当然就能够为社会创造更大的财富，也能提升国家的竞争力和综合实力。综合近年我国的政策来看，物联网技术拥有比传统技术更多的政策扶持，在政策条件的保障下，物联网技术拥有极为广阔的市场。结合目前我国物联网技术应用仍极为狭窄的情况，物联网技术衍生的产品拥有极大的需求。综上所述，如果能将物联网技术与钢管混凝土脱空技术的检测结合衍生产品，将会产生极大的利润效益，为以后技术的发展创新提供坚实的基础，将物联网技术应用到土建方面将会是时代发展不可改变的趋势，研究物联网技术下的钢管混凝土脱空技术检测也是必要可行的。

2 超声波检测技术

超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性被广泛用于超声波探伤、厚度测量、距离测量、遥控和超声成像技术等中。采用超声波对钢管混凝土进行缺陷检测，其基本原理即基于超声波传导的这一特性。在进行检测时，将超声波探伤仪的换能器(分为发射器和接收器)放置在检测截面的两对侧，超声波由其发射器传导到接收器,期间经过钢管混凝土截面。如果截面上存在缺陷，譬如存在内部空洞、钢管和混凝土之间脱空等，则超声波的波速、波形、幅值以及频率都会发生改变。

超声波属于无损检测方法，能判断管内部混凝土缺陷的位置和大小，主要方法有首波声时法(波速)、波形识别法、首波频率法、振幅法和多参数综合分析法。超声波仪器通过测量不同测点的声时，并根据距离测量可以算得对应的声速。钢管混凝土脱空时，超声波传递所需的时间长于在紧密结合的钢管混凝土中传递所需时间。计算超声波自激发端抵达接收端经过的时间，就可以确定钢管混凝土脱空情况和脱空严重性。因此，可以通过分析所得数据来判别钢管混凝土中是否存在缺陷，以及产生的缺陷种类[7]。

3 钢管混凝土检测机器人

目前，常见的机器人按机器人的运动方式分类有以下几种，见表1。

表1 机器人分类

考虑到钢管混凝土脱空缺陷检测工作主要在道路桥梁和大型建筑进行，而爬行机器人可以在高空墙壁作业，也可以在水下进行检测工作，同时它们的发展十分迅速，已经进入了行业的成熟期，所以它们完全可以胜任这项学科交叉的工作内容。机器人有诸多优点：行动较为迅速，对地形的要求有一定的适应能力；可以全天候使用，提高检测效率；代替人工检测，减少检测错误的发生，以及对检测工作人员的安全进行保障等，可以作为检测的有利帮手。

3.1 操作方法选择

常见的机器人操作方法有有线操作和无线操作两种。有线操作机器人的传输速度较快、信号传输相对较为准确，但是传输数据线的存在使得有线传输有着无法远距离传输的缺陷。相比之下，无线操作机器人具有传输距离远、设备占地小、便于操作等优点，它更加符合钢管混凝土脱空缺陷检测所需要的设备要求。

基于以上内容，无线传输技术可以更好地结合机器人技术与钢管混凝土脱空缺陷检测技术实现实时检测。与此同时，物联网技术受到了国家的大力推行，使用物联网技术可以将无线传输技术和检测技术无缝衔接实现“1+1>2”的目的。

3.2 机器人设计

结合以上各种因素的分析，本文提出了基于物联网技术的混凝土脱空检测辅助机器人，如图2、图3所示，主要组成包括：

(1)机械系统：主要为攀爬系统，其中攀爬系统负责机器人整体的运动——沿钢管混凝土爬行，同时提供足够挂载检测仪器的空间和载重。

(2)作业系统：为钢管混凝土脱空检测仪器，包括超声波脱空检测仪器和红外脱空检测仪器。

(3)收集和传导系统：包括视频采集系统、视频传输系统和检测结果传输系统。其中视频采集系统完成视频的采集和存储，如高清摄像头，视频传输系统完成所采集信息的实时传输。

(4) 交互系统：包括机器人行为指令传输系统和机器人控制系统。其中的行为指令传输系统用于发送与接收机器人远程遥控命令，以及机器人状态信息的实时传输，机器人控制系统则基于遥控指令或预先输入程序完成电动机控制、姿态控制等工作。

检测机器人的动力部分包括四个伺服马达，x轴舵机与45度舵机，吸附方式为电磁铁吸附，通过舵机与推杆进行姿态控制，检测机器人与检测数据分析设备和电源间为有线连接，数据处理结果通过无线网络传输至终端，如图2、图3所示。该设计包含的各系统结构可以完成高空钢管混凝土结构的脱空检测，并且将检测结果收集传输。

图2 机器人整体图

图3 机器人俯视图

我们通过不同类型爬行系统的比对，权衡效费比、不同钢管混凝土形状的适应性，选定四足爬行机器人的结构为设计方案，如图4和图5所示，以满足在大跨度结构上平稳攀爬，跨越钢管混凝土连接节点，获取脱空检测信息。

图4 机器人足部组合设计图

图5 机器人连接部件

该四足爬行机器人通过电磁铁来吸附于钢管混凝土表面，通过旋转舵机与推杆、电磁铁的通电与断电，来进行行进与避障。机器人体积设计为小型，尽可能适应在不同环境和截面的钢管混凝土表面爬行，通过细缆线与蓄电池、信号无线传输结构相连，检测仪器固定于爬行机器人中部，超声波探头与钢管接触来进行脱空检测。该爬行机器人主要避障目标为跨越钢管混凝土连接处，通过前后肢分别抬起，来跨越钢管混凝土连接处的凸起，测量对象主要为体育场，桥梁等大跨度钢管混凝土结构，预期拥有输入指令后，独立完成钢管混凝土脱空缺陷检测任务的能力。

4 结 论

本文基于对当前带脱空缺陷钢管混凝土结构的研究现状和检测手段总结归纳，结合物联网远程传输和机器人工程技术，提出了一种全、高效、精确的新型检测技术，为实际钢管混凝土结构脱空问题的诊断和防治提供了可靠的技术支撑，同时为传统检测提供新的思路与方法。