钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置及方法

摘要

一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料层、磁探头和聚磁结构组成；所述蔽磁材料层设置于杜瓦瓶内储液腔的底部，所述杜瓦瓶内封装有液氮；所述磁探头设置于杜瓦瓶下方，磁探头位于蔽磁材料层覆盖的区域范围内；所述聚磁结构沿磁探头周向设置，聚磁结构将磁探头包围在内；所述聚磁结构、磁探头和杜瓦瓶通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层采用钇钡铜氧制作，所述聚磁结构采用坡莫合金制作。本发明的有益技术效果是：结构简单，方法可靠，实施方便，适用面广，灵活度大，十分利于锈蚀病害的早期发现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土内部钢筋锈蚀监测技术，尤其涉及一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀 监测装置及方法。

背景技术

受限于技术发展现状，长期使用后，钢筋混凝土构件内的钢筋不可避免地存在锈蚀问题，尤其在一些 使用环境较为恶劣的条件下，锈蚀问题更加严重；钢筋锈蚀后，会导致结构体性能出现劣化甚至破坏，直 接影响桥梁结构的耐久性和使用寿命，因此，及时发现结构体上的钢筋锈蚀区域，针对锈蚀情况进行相应 的治理加固处治措施，对桥梁安全意义重大。

目前对钢筋的锈蚀的无损检测方法有分析法、物理法和电化学法。分析法根据现场实测的钢筋直径、 保护层厚度、混凝土强度、有害离子的浸入深度及其含量、纵向裂缝宽度等数据，综合考虑构件所处的环 境情况推断钢筋锈蚀程度。但目前为止，还没有既有的充分理论依据、又全面考虑各种因素的数学模型， 所以分析法要应用于钢筋锈蚀的检测评估尚有不少工作要做。物理方法主要通过测定钢筋引起的电阻、电 磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋锈蚀情况，主要方法有电阻探针法、涡流探测法、射 线法、红外线热像法、声发射探测法等。物理法目前也仅仅停留在试验阶段。电化学法主要分为半电池电 位法、线性极化法和交流阻抗谱法，半电池电位法在钢筋锈蚀的检测中应用较为广泛，但只能做定性的检 测；线性极化法和交流阻抗法可以用于钢筋锈蚀的定量检测，但线性极化法无法判断钢筋早期锈蚀的情况， 且现场测试操作较繁琐，交流阻抗法定量测量上不如线性极化法准确方便，实验数据处理繁杂，不适用于 现场检测。

而对于钢筋锈蚀监测方面的研究还比较少，具有代表性的监测方法有电化学法、光纤光栅法。电化学 法主要是通过其特征值：自然电位、极化电阻、电解质电阻来反应钢筋的锈蚀状况，电化学法监测钢筋锈 蚀仍然需要凿除混凝土表面，并且受混凝土种类、干湿度、氯盐等内掺剂影响较大。光纤光栅法则是属于 物理法的一种，是利用光纤光栅的应变来监测钢筋的锈蚀过程，但是光纤光栅的极限抗拉强度不够大，本 身的耐久性和监测可靠性不足，此法也还仅仅处于试验阶段。

由此，提出一种可靠的监测钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀的装置和评估方法十分必要。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于：以金属磁记忆技术为基础，结合聚磁和超导磁屏蔽 技术有效地聚集钢筋锈蚀产生的磁信号，排除外在干扰磁场产生的磁信号，磁记忆探头采集到准确的磁感 应强度B，输入计算机，计算机通过特定方法对信号进行处理，实现对桥梁结构内部钢筋锈蚀的可靠监测。

磁记忆原理可表述为，处于地磁环境下的铁制构件受工作载荷的作用，其内部会发生具有磁致伸缩性 质和磁畴组织定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后也会保留。在锈蚀区 域内，随着锈蚀程度的演进，钢筋截面上的有效受力面积将逐渐减小，而锈蚀产物堆积在锈蚀区域，导致 钢筋外围体积出现膨胀(膨胀后的体积大致是基体体积的2-4倍)，这就使得锈蚀后的钢筋与完好的钢筋 上存在着完全不同的应力应变状态，因此，锈蚀后的钢筋周围的磁场分布情况与完好的钢筋周围的磁场分 布情况完全不同，通过对钢筋周围磁场进行连续监测以及监测数据的处理，我们就能获知钢筋周围磁场的 变化，当钢筋周围磁场变化异常时，就说明钢筋发生了锈蚀。

本发明提出了一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，其创新在于：所述钢筋混凝土桥梁结 构内部钢筋锈蚀监测装置由支架、杜瓦瓶、蔽磁材料层、磁探头和聚磁结构组成；所述磁探头直接获取磁 场信号，无需外加磁场进行磁化；所述蔽磁材料层设置于杜瓦瓶内储液腔的底部，所述杜瓦瓶内封装有液 氮；所述磁探头设置于杜瓦瓶下方，磁探头位于蔽磁材料层覆盖的区域范围内；所述聚磁结构沿磁探头周 向设置，聚磁结构将磁探头包围在内；所述聚磁结构、磁探头和杜瓦瓶通过支架连接为一体；所述蔽磁材 料层采用钇钡铜氧制作，所述聚磁结构采用坡莫合金制作。

在前述方案中，杜瓦瓶用于存储液氮，可保持恒温，钇钡铜氧设置于杜瓦瓶内储液腔的底部，相当于 浸泡在液氮中，通过液氮的低温使钇钡铜氧保持在超导状态，超导状态下的钇钡铜氧发挥其抗磁性，一方 面，钇钡铜氧将来自上方的地磁场的磁力线阻挡在外，使地磁场无法进入磁探头监测区域内的气隙空间内， 另一方面，钇钡铜氧将来自下方的钢筋周围的磁场也阻挡在外，迫使钢筋周围的磁场只能向磁探头处汇集， 这就可以在现有的磁探测手段条件下，捕获到微弱的钢筋周围磁场，通过对钢筋周围磁场进行连续监测， 我们就能获知钢筋周围磁场的变化状态，当钢筋周围磁场出现异常时，就说明钢筋上发生了锈蚀；另外， 由于锈蚀点的出现存在随机性，聚磁结构采用的坡莫合金是一种高导磁的软磁材料，它本身的磁阻小，磁 导率高，可以获得比较高的饱和磁感应强度，用于将更多的磁场信号导入磁探头内，间接地使磁探头的探 测区域得到扩展；具体应用时，将本发明的装置布置于桥梁上易发生锈蚀病害的位置处，发现锈蚀问题后， 及时报警；本发明结构简单、实施方便，布设灵活度较大，既可在新建桥梁时同步布设，也可在现役桥梁 上单独加装，还可用于其他类型的钢筋混凝土结构体内部钢筋锈蚀病害的监测。

优选地，所述磁探头的输出部和控制部以有线或无线方式与一计算机通信连接。

优选地，所述聚磁结构由两块结构体拼接而成，结构体上与磁探头对应的位置处设置有缺口，两块结 构体拼接后，两个缺口拼接形成磁探头安装孔。

基于前述装置，本发明还提出了一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测方法，所涉及的硬件如前 所述，具体的监测方法包括：1)将钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置设置于桥梁上易发生钢筋 锈蚀病害的位置处，磁探头表面与包裹在钢筋外的混凝土表面接触；

2)定期驱动磁探头工作，获得监测区域内的磁场强度信号；

3)计算当前监测周期内获得的磁场强度信号与前一监测周期内获得的磁场强度信号之间的变化量， 若变化量大于设定的阈值，则继续步骤4)的操作，若变化量小于设定的阈值，则继续进行后续监测周期 的处理；

4)将之前所有监测周期内获得的磁场强度信号绘制为曲线，按时域将曲线划分为多个区段，每个区 段内的时间跨度相同，对每个区段内的磁场跳变点数量进行统计，按下式计算单个区段内磁场跳变点数量 的平均值

$\bar{a}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\beta }_i·a_i}{n}$

其中，n为区段数量，a_i为第i个区段内的磁场跳变点数量，β_i为第i个区段所对应的加权系数，β_i在0～1之间取值；所述磁场跳变点数量为所述曲线上对应区段内波峰和波谷的总数量；

然后将最后一个区段内的磁场跳变点数量与进行比较，若最后一个区段内的磁场跳变点数量大于 则说明监测区域内发生了钢筋锈蚀病害，向管理人员发出锈蚀报警信号；若最后一个区段内的磁场 跳变点数量小于则继续进行后续监测周期的处理；其中，η为修正系数；

监测过程中，若连续多个周期内，步骤4)均未被步骤3)所触发，则每间隔所述多个周期，就自动 运行一次步骤4)的操作。

前述方案中设置了两级监测指标，其一即磁场强度信号变化量，其二即磁场跳变点数量，其中，磁场 强度信号变化量用来触发磁场跳变点数量监测，磁场跳变点数量用来表征磁场变化的频繁度，当磁场开始 发生频繁变化时，即说明钢筋锈蚀病害已经发生了；另外，使用时间短的桥梁和使用时间长的桥梁，其钢 筋状态、交通情况以及负面因素对桥梁的影响程度均存在差异性，β_i为综合考虑各种因素后所得出的加权 系数，对于运营时间不长的桥梁，其当前结构状态与新建成时的结构状态相比，变化较小，β_i可全部取1， 比如设计使用寿命为30年的桥梁，其前5年中，β_i均可全部取1；对于运营时间较长的桥梁，由于其结 构状态已与新建成时的结构状态相差较大，且已出现了一定程度的结构劣化，因此可将时间靠前的区段所 对应的β_i的数值适当调低，将时间靠后的区段所对应的β_i的数值适当调高；η为考虑安全冗余后得到的 修正系数，具体的数值，技术人员可根据桥梁的实际状况具体设定；真实环境中，锈蚀的发生及发展进度 受多种因素影响，不可能预知，但只要锈蚀情况一旦发生，钢筋周围磁场必然处于变化状态，为了避免漏 检的情况出现，本发明还在方案中设置了保险措施，即监测过程中，若连续多个周期内，步骤4)均未被 步骤3)所触发，则每间隔所述多个周期，就自动运行一次步骤4)的操作，这就可以绕过磁场强度信号 变化量监测，直接触发磁场跳变点数量监测，进一步提高监测的精度。

本发明的有益技术效果是：结构简单，方法可靠，实施方便，适用面广，灵活度大，十分利于锈蚀病 害的早期发现。

附图说明

图1、本发明的装置结构示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：杜瓦瓶2、蔽磁材料层3、磁探头4、聚磁结构5、钢筋6、混凝 土层7、由钢筋周围磁场所形成的磁力线8、由外界干扰磁场所形成的磁力线9。

具体实施方式

一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置，其创新在于：所述钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈 蚀监测装置由支架、杜瓦瓶2、蔽磁材料层3、磁探头4和聚磁结构5组成；所述蔽磁材料层3设置于杜 瓦瓶2内储液腔的底部，所述杜瓦瓶2内封装有液氮；所述磁探头4设置于杜瓦瓶2下方，磁探头4位于 蔽磁材料层3覆盖的区域范围内；所述聚磁结构5沿磁探头4周向设置，聚磁结构5将磁探头4包围在内； 所述聚磁结构5、磁探头4和杜瓦瓶2通过支架连接为一体；所述蔽磁材料层3采用钇钡铜氧制作，所述 聚磁结构5采用坡莫合金制作。

进一步地，所述磁探头4的输出部和控制部以有线或无线方式与一计算机通信连接。采用此改进后， 技术人员可通过计算机对磁探头4进行远程遥控并获取到监测信号。

进一步地，所述聚磁结构5由两块结构体拼接而成，结构体上与磁探头4对应的位置处设置有缺口， 两块结构体拼接后，两个缺口拼接形成磁探头4安装孔。

一种钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测方法，所涉及的硬件包括钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈 蚀监测装置，所述钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置由支架、杜瓦瓶2、蔽磁材料层3、磁探头4 和聚磁结构5组成；所述蔽磁材料层3设置于杜瓦瓶2内储液腔的底部，所述杜瓦瓶2内封装有液氮；所 述磁探头4设置于杜瓦瓶2下方，磁探头4位于蔽磁材料层3覆盖的区域范围内；所述聚磁结构5沿磁探 头4周向设置，聚磁结构5将磁探头4包围在内；所述聚磁结构5、磁探头4和杜瓦瓶2通过支架连接为 一体；所述蔽磁材料层3采用钇钡铜氧制作，所述聚磁结构5采用坡莫合金制作；

其创新在于：所述监测方法包括：1)将钢筋混凝土桥梁结构内部钢筋锈蚀监测装置设置于桥梁上易 发生钢筋锈蚀病害的位置处，磁探头4表面与包裹在钢筋外的混凝土表面接触；

2)定期驱动磁探头4工作，获得监测区域内的磁场强度信号；

3)计算当前监测周期内获得的磁场强度信号与前一监测周期内获得的磁场强度信号之间的变化量， 若变化量大于设定的阈值，则继续步骤4)的操作，若变化量小于设定的阈值，则继续进行后续监测周期 的处理；

4)将之前所有监测周期内获得的磁场强度信号绘制为曲线，按时域将曲线划分为多个区段，每个区 段内的时间跨度相同，对每个区段内的磁场跳变点数量进行统计，按下式计算单个区段内磁场跳变点数量 的平均值

$\bar{a}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\beta }_i·a_i}{n}$

其中，n为区段数量，a_i为第i个区段内的磁场跳变点数量，β_i为第i个区段所对应的加权系数，β_i在0～1之间取值；所述磁场跳变点数量为所述曲线上对应区段内波峰和波谷的总数量；

然后将最后一个区段内的磁场跳变点数量与进行比较，若最后一个区段内的磁场跳变点数量大于 则说明监测区域内发生了钢筋锈蚀病害，向管理人员发出锈蚀报警信号；若最后一个区段内的磁场 跳变点数量小于则继续进行后续监测周期的处理；其中，η为修正系数；

监测过程中，若连续多个周期内，步骤4)均未被步骤3)所触发，则每间隔所述多个周期，就自动 运行一次步骤4)的操作。