本發(fā)明屬于混凝土檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法。

背景技術(shù)：

目前，我國(guó)超高層建筑正在大量興建。鋼管混凝土作為一種新的建筑結(jié)構(gòu)形式，其在建造使用過(guò)程中表現(xiàn)良好，存在諸多優(yōu)點(diǎn)。例如，強(qiáng)度高、抗震性好、施工便捷、塑性變形大等。也正因此，其目前主要作為超高層建筑的主要承重體系，并得到廣泛的使用。然而，由于鋼管混凝土是由鋼材和混凝土這兩種截然不同的材料相互組合在一起的，在實(shí)際施工過(guò)程中將混凝土向鋼管內(nèi)灌注后養(yǎng)護(hù)而成，這將無(wú)法保證在鋼管內(nèi)部的混凝土完全均勻而不存在相應(yīng)的密實(shí)度缺陷。在施工建設(shè)中，由于相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)滯后于工程應(yīng)用，在實(shí)際施工檢測(cè)中，仍然不能對(duì)鋼管內(nèi)部混凝土的澆筑質(zhì)量進(jìn)行直觀的檢查，現(xiàn)如今針對(duì)鋼管混凝土缺陷的檢測(cè)技術(shù)均在一定程度上存在弊端，不能全面有效的對(duì)其缺陷進(jìn)行檢測(cè)并保證工程質(zhì)量。例如，當(dāng)前發(fā)布的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS28:90)僅僅要求用最簡(jiǎn)單的方法(即人工敲擊鋼管法)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，這根本不能達(dá)到對(duì)鋼管混凝土質(zhì)量檢測(cè)及綜合評(píng)價(jià)的目的。因此，除了精心設(shè)計(jì)和施工外，對(duì)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)和評(píng)估是迫切需要的。但是，近年來(lái)，檢測(cè)工作雖有進(jìn)展，但截止到目前，鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的檢測(cè)問(wèn)題仍沒(méi)有得到有效的解決，依然沒(méi)有一種檢測(cè)方法能夠簡(jiǎn)便、快捷的對(duì)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的實(shí)際情況進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估。

通過(guò)這些年的研究發(fā)展，總的來(lái)說(shuō)，現(xiàn)目前針對(duì)鋼管混凝土內(nèi)部常見(jiàn)缺陷，現(xiàn)有如下表1相應(yīng)的檢測(cè)方法：

表1

針對(duì)表1中的各種檢測(cè)方法而言，均不可避免的存在不同程度的不足。例如，最簡(jiǎn)單的人工敲擊法，通過(guò)敲擊鋼管后獲得的聲音回響僅僅只能初步定性的判斷鋼管管壁與內(nèi)部混凝土的粘結(jié)結(jié)合情況，并且這種方法與當(dāng)時(shí)的操作人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷存在很大的關(guān)系。又比如，超聲波檢測(cè)，其雖然對(duì)混凝土內(nèi)部存在損傷時(shí)十分敏感，但是也要求被測(cè)表面要非常平整。其實(shí)，從這里可以看出，在快速、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的檢測(cè)宗旨上，上述方法都還不能完完全全的達(dá)到便捷、高效、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求。下面針對(duì)每種方法的檢測(cè)弊端進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

人工敲擊法：最常用的檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部澆筑質(zhì)量的方法即敲擊法。這種檢查方法由檢查者手動(dòng)敲擊鋼管后仔細(xì)聆聽(tīng)獲得的聲音回響，根據(jù)回聲的不同音色特點(diǎn)，找出鋼管與混凝土脫空剝離的部位。這種方法幾乎是根據(jù)操作執(zhí)行者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)主觀進(jìn)行缺陷判斷的，并且對(duì)于鋼管和混凝土之間的空隙大小和分布范圍只能是初步定性判斷，不能夠真正的得出實(shí)際情況，隨機(jī)性較強(qiáng)。因此，這種方法建議只作為一種初步的、輔助性的檢測(cè)手段來(lái)進(jìn)行使用。

沖擊回波法：其檢測(cè)的基本原理即利用一個(gè)短時(shí)的機(jī)械沖擊產(chǎn)生低頻的應(yīng)力波，應(yīng)力波傳播到結(jié)構(gòu)內(nèi)部后，被缺陷和構(gòu)件底面反射回來(lái)，安裝在沖擊點(diǎn)附近的傳感器接收到這些反射波，并將反射波送到一個(gè)內(nèi)置的高速數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理的便攜式儀器。對(duì)這些記錄的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域或頻域分析，便可得出混凝土缺陷的深度。沖擊回波法操作簡(jiǎn)便易行，但對(duì)于圓形截面的構(gòu)件，其容易被非直徑方向反射回來(lái)的應(yīng)力波干擾而產(chǎn)生偏差。并且，普遍來(lái)說(shuō)，這種方法得出的裂縫深度比實(shí)際深度更淺。因此，實(shí)際裂縫越深，檢測(cè)誤差就越大。

光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：這是根據(jù)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠◤?qiáng)度發(fā)生改變后，由接收到的能量發(fā)生損失來(lái)進(jìn)行分析判斷的一種方法。當(dāng)鋼管混凝土交界面出現(xiàn)脫空時(shí)，預(yù)埋在其中的光纖受到相應(yīng)的牽動(dòng)，產(chǎn)生微彎，造成傳輸損耗。該方法能有效地檢測(cè)到鋼管混凝土的脫空和裂縫損傷，具有大范圍連續(xù)檢測(cè)的工作優(yōu)點(diǎn)。但是，由于需要事先預(yù)埋光纖傳感器并布設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此，此法的成本相對(duì)較高。

雷達(dá)法：這是根據(jù)鋼管混凝土內(nèi)部缺陷的電磁特性差異來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的一種方法。首先，通過(guò)從被檢測(cè)物體的表面向內(nèi)部發(fā)射電磁波，然后，當(dāng)外界發(fā)射的電磁波遇到內(nèi)部缺陷時(shí)將產(chǎn)生反射，最后，通過(guò)接收到的反射波而相應(yīng)形成波形圖，對(duì)波形圖進(jìn)行分析，就可以對(duì)缺陷和鋼筋的位置以及保護(hù)層厚度等相關(guān)信息作出判斷。當(dāng)然，如果缺陷處的電磁特性差異越大，反射信號(hào)就會(huì)越強(qiáng)烈，識(shí)別結(jié)果就會(huì)越好。

鉆芯取樣法：直接從所需檢測(cè)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上鉆取混凝土芯樣，判定核心混凝土的內(nèi)部缺陷及鉆芯處的鋼管壁和混凝土的黏結(jié)情況。此法的優(yōu)點(diǎn)即檢測(cè)結(jié)果直觀、可靠。其缺點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，一是鉆芯取樣的費(fèi)用較高，不經(jīng)濟(jì)劃算；二是鉆芯會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞，因此，取樣處的位置和取樣的數(shù)量均會(huì)受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的目前鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)與評(píng)價(jià)沒(méi)有一種快速簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的檢測(cè)方法的問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法，在外界輔助熱流沿鋼管壁外表面均勻注入的情況下，將鋼管混凝土柱沿高度方向水平劃分成無(wú)限多個(gè)微段，當(dāng)熱流沿管壁厚度方向均勻注入并由外向里傳播時(shí)，每個(gè)微段的熱傳導(dǎo)方向同樣也是沿管壁厚度方向由外向里傳播，當(dāng)微段內(nèi)沒(méi)有空鼓缺陷存在時(shí)，每個(gè)微段中的熱傳導(dǎo)情況是一樣，當(dāng)某些微段中存在空鼓缺陷時(shí)，微段內(nèi)的熱傳導(dǎo)將會(huì)和其余的微段情況不同，通過(guò)表面的溫度分布差異來(lái)顯象表達(dá)，利用紅外熱成像儀，獲取到表面溫度分布后，對(duì)溫度分布值進(jìn)行分析求解，找出鋼管混凝土內(nèi)相應(yīng)的缺陷部位。

本發(fā)明的特征還在于，

在人工注入熱源的條件下，鋼管混凝土內(nèi)部缺陷深度m的計(jì)算公式為：

式中m——缺陷深度(由于研究的空鼓缺陷貼管壁，因此m同時(shí)也是管壁壁厚)；

L——試件截面混凝土部分的長(zhǎng)度；

α₁——鋼管的熱擴(kuò)散系數(shù)；

α₂——混凝土的熱擴(kuò)散系數(shù)；

λ₁——鋼管的熱傳導(dǎo)率；

λ₂——混凝土的熱傳導(dǎo)率；

q——熱流；

t——時(shí)間，其單位為s；

ΔT——t時(shí)刻包含缺陷區(qū)域與不包含缺陷區(qū)域的鋼管壁的表面溫差。

在太陽(yáng)輻射加熱條件下，鋼管混凝土內(nèi)部缺陷深度m的計(jì)算公式為：

式中m——缺陷深度(由于研究的空鼓缺陷貼管壁，因此m同時(shí)也是管壁壁厚)；

α——熱擴(kuò)散系數(shù)，按照等效值

T_s(n+1)(x,t)——t時(shí)刻不包含缺陷區(qū)域的鋼管壁的表面溫度；

ΔT_(n+1)——t時(shí)刻包含缺陷區(qū)域與不包含缺陷區(qū)域的鋼管壁的表面溫度差。

人工加熱的熱源為內(nèi)熱源或外熱源，所述內(nèi)熱源為直接通直流電源進(jìn)行加熱，所述外熱源為在外部對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行照射加熱。

紅外熱像檢測(cè)有主動(dòng)式和被動(dòng)式，所述主動(dòng)式為通過(guò)外界輔助加熱被測(cè)目標(biāo)物體，并進(jìn)行檢測(cè)記錄、得到其表面的熱像圖，再加以分析；所述被動(dòng)式為不進(jìn)行加熱操作，只是單純的利用其自身溫度與外界環(huán)境溫度不同時(shí)，兩者進(jìn)行熱交換后引起被測(cè)物體各部分溫度的改變后再采用熱像儀檢測(cè)，并得到其表面的熱像圖的一種檢測(cè)方式。

紅外熱成像儀為FLIR E40紅外熱像儀。該熱像儀具有靈敏度高、測(cè)溫范圍廣、便攜以及多種紅外成圖模式等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的有益效果是，利用紅外熱像儀測(cè)試鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的速度快、成本低、效率高，而且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，對(duì)提高鋼管混凝土的施工質(zhì)量具有積極的推動(dòng)作用。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的單面分析法熱源傳遞差異圖；

其中，圖1a是無(wú)缺陷的被測(cè)物體表面溫度分布，圖1b是隔熱性缺陷的被測(cè)物體表面溫度分布，圖1c是導(dǎo)熱性缺陷的被測(cè)物體表面溫度分布；

圖2是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的雙面分析法熱源傳遞差異圖；

其中，圖2a是無(wú)缺陷的被測(cè)物體表面溫度分布，圖2b是隔熱性缺陷的被測(cè)物體表面溫度分布，圖2c是導(dǎo)熱性缺陷的被測(cè)物體表面溫度分布；

圖3是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的簡(jiǎn)化計(jì)算模型圖；

圖4是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的等效后的簡(jiǎn)化計(jì)算模型圖；

圖5是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的一號(hào)試件整體外表面溫度分布圖；

圖6是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的一號(hào)試件底部?jī)扇毕萏幍谋砻鏈囟确植紙D；

圖7是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的二號(hào)試件整體外表面溫度分布圖；

圖8是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的二號(hào)試件頂部?jī)扇毕萏幍谋砻鏈囟确植紙D；

圖9是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的三號(hào)試件整體外表面溫度分布圖；

圖10是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的一號(hào)試件2×2×3方形缺陷主被動(dòng)式檢測(cè)成圖效果對(duì)比圖；

圖11是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的二號(hào)試件4×4×2方形缺陷主被動(dòng)式檢測(cè)成圖效果對(duì)比圖；

圖12是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的三號(hào)試件2×2×4缺陷處溫度分布圖；

圖13是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的三號(hào)試件2×4×1缺陷處溫度分布圖；

圖14是本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法的三號(hào)試件3×3×4缺陷處溫度分布圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明一種簡(jiǎn)便快捷檢測(cè)鋼管混凝土內(nèi)部質(zhì)量的方法，在基于混凝土缺陷的熱力學(xué)傳導(dǎo)差異的基礎(chǔ)上，通過(guò)紅外熱像的成圖分析便可對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

紅外熱像分析原理：

紅外熱像的成圖分析方法分為單面法和雙面法兩種：

1.單面分析法

單面法即加熱和探測(cè)均在被測(cè)物體同一面進(jìn)行的檢測(cè)分析方法。

對(duì)于單面法分析：

①就不存在缺陷的被測(cè)物體而言，其整個(gè)表面溫度均勻分布，不會(huì)出現(xiàn)溫度異常的情況。

②就存在隔熱性缺陷的被測(cè)物體而言，有缺陷處，其溫度會(huì)在一定程度上比其他位置處的溫度高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因在于內(nèi)部存在的隔熱性缺陷導(dǎo)熱率低，進(jìn)而阻礙熱量向里面流動(dòng)，一段時(shí)間后，熱量就滯留堆積在缺陷處，并在缺陷位置的表面形成溫度較高的過(guò)熱點(diǎn)。

③就存在導(dǎo)熱性缺陷的被測(cè)物體而言，有缺陷處，其溫度會(huì)在一定程度上比其他位置處的溫度低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因在于內(nèi)部存在的導(dǎo)熱性缺陷導(dǎo)熱率高，進(jìn)而促使熱量向里面流動(dòng)，一段時(shí)間后，缺陷處的熱量向里流動(dòng)更多，并在缺陷位置的表面形成溫度較低的過(guò)冷點(diǎn)。

單面分析法的熱源傳遞差異圖如圖1所示。

2.雙面分析法

雙面法即加熱和探測(cè)在被測(cè)物體的兩個(gè)對(duì)立面進(jìn)行的檢測(cè)分析方法。通俗的說(shuō)就是在正面進(jìn)行加熱操作，在背面采用熱像儀來(lái)檢測(cè)，獲取相應(yīng)的熱像圖。

對(duì)于雙面法分析：

①就不存在缺陷的被測(cè)物體而言，其整個(gè)表面溫度均勻分布，無(wú)論正面背面均不會(huì)出現(xiàn)溫度異常的情況。

②就存在隔熱性缺陷的被測(cè)物體而言，存在缺陷處對(duì)應(yīng)的背面位置處，其溫度會(huì)在一定程度上比背面上的其他位置處的溫度低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因在于，在被測(cè)物體正面的內(nèi)部，存在的隔熱性缺陷導(dǎo)熱率低，進(jìn)而阻礙熱量向里面流動(dòng)，一段時(shí)間后，熱量滯留于物體的正面。因此，在背面，對(duì)應(yīng)的缺陷位置處溫度較低，形成過(guò)冷點(diǎn)。

③就存在導(dǎo)熱性缺陷的被測(cè)物體而言，存在缺陷處對(duì)應(yīng)的背面位置處，其溫度會(huì)在一定程度上比背面上的其他位置處的溫度高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因在于，在被測(cè)物體正面的內(nèi)部，存在的導(dǎo)熱性缺陷導(dǎo)熱率高，進(jìn)而促使熱量向里面流動(dòng)，一段時(shí)間后，熱量更多的流動(dòng)到物體的背面處。因此，在背面，對(duì)應(yīng)的缺陷位置處溫度更高，形成過(guò)熱點(diǎn)。

雙面分析法的熱源傳遞差異圖如圖2所示。

鋼管混凝土表面溫度和缺陷深度計(jì)算公式的理論推導(dǎo)過(guò)程

1.鋼管混凝土缺陷的熱傳導(dǎo)理論與計(jì)算：

導(dǎo)熱物體常見(jiàn)邊界條件可歸納為以下三類：

1)第一類邊界條件

給出任何時(shí)刻物體邊界s上的溫度分布，可表示為：

T＝T₀ (3.4)

式中T₀＝T₀(s,t)為s邊界上給定的溫度。

2)第二類邊界條件

給出任何時(shí)刻物體s邊界上熱流密度分布，可表示為：

式中q＝q(s,t)為s邊界上給定的熱流密度；

λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)；

n_x，n_y和n_z分別為s邊界的外法線方向余弦。

3)第三類邊界條件

給出與物體邊界面直接接觸的流體溫度T_f及邊界面與流體間的對(duì)流換熱系數(shù)h，由牛頓冷卻公式Q＝hA(T-T_f)，得物體邊界面單位面積與周圍流體間的對(duì)流換熱量可表達(dá)為：

q＝h(T-T_f) (3.6)

根據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間由于對(duì)流換熱，從物體單位表面積上帶走的熱量，應(yīng)等于單位時(shí)間內(nèi)由于導(dǎo)熱，從物體內(nèi)部傳導(dǎo)給單位表面積的熱量，即可得第三類邊界條件

式中h為換熱系數(shù)，T_f＝T_f(s,t)在自然對(duì)流條件下是外界環(huán)境的溫度，在強(qiáng)迫對(duì)流條件下，是邊界層的絕熱壁溫度。

2.計(jì)算模型的提出：

研究對(duì)象為鋼管混凝土柱，當(dāng)考慮外界輔助熱流在沿鋼管壁外表面水平方向均勻注入的情況下時(shí)，其與水平方向垂直的平面的尺寸較大，所以，熱流沿管壁水平方向(即厚度方向)向里傳播時(shí)滿足垂直于傳熱方向的平面的尺度較大這個(gè)條件。因此，原先復(fù)雜的三維熱傳導(dǎo)問(wèn)題可以近似的考慮為熱量沿管壁水平方向(即厚度方向)由外向里進(jìn)行傳播，則該問(wèn)題可簡(jiǎn)化為固體的一維熱傳導(dǎo)問(wèn)題。

當(dāng)考慮外界輔助熱流沿鋼管壁外表面均勻注入的情況下，將鋼管混凝土柱沿高度方向水平劃分成無(wú)限多個(gè)微段。由于外界條件相同，且當(dāng)熱流沿管壁厚度方向均勻注入并由外向里傳播時(shí)，每個(gè)劃分成的微段，其熱傳導(dǎo)方向同樣也是沿管壁厚度方向由外向里傳播。當(dāng)微段內(nèi)沒(méi)有空鼓缺陷存在時(shí)，這種劃分后的每個(gè)微段中的熱傳導(dǎo)情況是一樣；當(dāng)某些微段中存在空鼓缺陷時(shí)，該微段內(nèi)的熱傳導(dǎo)將會(huì)和其余的微段情況不同，通過(guò)表面的溫度分布差異來(lái)顯象表達(dá)。對(duì)于鋼管混凝土柱空鼓缺陷的熱成像檢測(cè)，我們可以將其分解為多個(gè)微段，逐一攝取表面溫度分布值后進(jìn)行分析求解，找出鋼管柱相應(yīng)的缺陷部位。

3.鋼管壁表面溫度計(jì)算公式的推導(dǎo)：

1)人工加熱時(shí)鋼管壁表面溫度的計(jì)算：

取一個(gè)矩形鋼管混凝土單位微段，其處在溫度為常數(shù)T_f的環(huán)境溫度中，沿x方向(管壁厚度方向)，該單位微段中鋼材部分厚度為2m(m代表厚度值，不是長(zhǎng)度的單位)，混凝土部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)，空鼓缺陷貼鋼管壁即缺陷深度為m，缺陷厚度為d。在x＝0處對(duì)所取的鋼管混凝土單位微段進(jìn)行加熱，熱流密度為q，根據(jù)簡(jiǎn)化條件，忽略三維傳熱，僅考慮沿x方向的一維傳熱，則可將試件分成不包含缺陷區(qū)域1和缺陷區(qū)域2兩個(gè)區(qū)域，如圖3所示。

假設(shè)鋼材的熱傳導(dǎo)率為λ₁，熱擴(kuò)散系數(shù)為α₁，密度為ρ₁；混凝土的熱傳導(dǎo)率為λ₂，熱擴(kuò)散系數(shù)為α₂，密度為ρ₂，試件表面熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為h，則根據(jù)圖3所示的計(jì)算模型可建立如下方程組。

基本的一維熱傳導(dǎo)方程：

初始條件：t＝0,T(x,t)＝T₀ (3.14)

邊界條件：在x＝0處為第二類邊界條件，在x＝2m+L處為第三類邊界條件

在鋼材與混凝土的交界處的邊界條件：

當(dāng)不考慮對(duì)流項(xiàng)時(shí)，即h＝0時(shí)，求解出的T的誤差不超過(guò)3％，聯(lián)立上述方程式(3.12)、(3.13)、(3.14)、(3.15)、(3.16)、(3.17)、(3.18)采用拉普拉斯變換法求解，可得到如下關(guān)于鋼管段內(nèi)熱傳導(dǎo)的溫度表達(dá)式。

對(duì)于不包含缺陷區(qū)域1的加熱面(x＝0)處溫度T₁(0,t)隨時(shí)間變化的關(guān)系式:

對(duì)于包含缺陷區(qū)域2的加熱面，由于缺陷存在使其有效厚度實(shí)際為m，則加熱面溫度(x＝0)處溫度T1(0,t)隨時(shí)間變化的關(guān)系式：

因此，要得到被測(cè)物體的表面溫度，只需要根據(jù)將被測(cè)物的熱物性參數(shù)帶入式(3.19)和(3.20)中，即可得被測(cè)物相應(yīng)的表面溫度計(jì)算值。

2)太陽(yáng)輻射加熱時(shí)鋼管壁表面溫度的計(jì)算：

當(dāng)熱源變?yōu)樘?yáng)輻射時(shí)，則可根據(jù)周圍環(huán)境溫度和被測(cè)物體表面的溫度函數(shù)，結(jié)合斯特潘——玻爾茲曼定律和基爾霍夫定律，直接寫出熱流密度q＝εσ(T_f⁴-T⁴)的表達(dá)式并帶入上述計(jì)算出的式(3.19)和式(3.20)的表面溫度計(jì)算式中，便可得到在太陽(yáng)輻射加熱時(shí)鋼管壁表面溫度的計(jì)算表達(dá)式。但是，由于此時(shí)的熱流密度q中包含了被測(cè)物體的溫度函數(shù)，在針對(duì)式(3.19)和式(3.20)的反算上存在求解函數(shù)1次項(xiàng)和4次項(xiàng)的組合方程，計(jì)算難度較大，即便采用迭代求解的方法，仍計(jì)算繁瑣困難。因此，我們?cè)谔?yáng)輻射加熱的情況下引入另一種更為簡(jiǎn)便的表面溫度計(jì)算方法。

①奧奇西克線性邊界傳熱問(wèn)題

對(duì)于下述熱傳導(dǎo)方程組：

T＝0(t﹥0,x＝0) (3.23)

美國(guó)熱傳導(dǎo)問(wèn)題專家?jiàn)W奇西克針對(duì)該問(wèn)題給出的解為：

式中erf(x)為自變量為x的誤差函數(shù)，其中且erf(x)與erfc(x)之間存在關(guān)系，即erf(x)＝1-erfc(x)。

②非線性邊界傳熱問(wèn)題的杜哈美爾定理應(yīng)用

在求解熱源項(xiàng)和(或者)邊界條件項(xiàng)均隨時(shí)間變化的熱傳導(dǎo)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)用杜哈美爾定理[56,57]可以將其與熱源項(xiàng)和(或者)邊界條件項(xiàng)不隨時(shí)間變化的同一熱傳導(dǎo)問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，得到相應(yīng)的解。

針對(duì)奧奇西克線性邊界傳熱問(wèn)題，其中的熱流密度為已知或者給定的線性條件，假設(shè)熱流密度為一非線性條件，設(shè)q＝f*(t)。則此時(shí)奧奇西克傳熱問(wèn)題的邊界條件由線性情況變?yōu)榉蔷€性情況相應(yīng)的，在這種情況下引入奧奇西克熱傳導(dǎo)方程式，對(duì)比線性情況的解，將q利用f*(t)進(jìn)行替換邊界條件并結(jié)合杜哈美爾定理可類似的寫出非線性情況下的解：

根據(jù)以及erf(x)＝1-erfc(x)對(duì)式(3.25)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到如下結(jié)果：

我們進(jìn)一步假設(shè)q＝f(t)-φ(T_s)，其中f(t)為給定的非線性熱流密度函數(shù)表達(dá)式，φ(T_s)為x＝0處被測(cè)物體表面溫度函數(shù)，Ts為物體表面溫度，若一開(kāi)始給定Ts的值，則用q＝f(t)-φ(T_s)這個(gè)條件來(lái)替換邊界條件時(shí)可根據(jù)式(3.26)，寫出邊界條件變?yōu)闀r(shí)的表面溫度表達(dá)式：

在該表達(dá)式中當(dāng)x取0時(shí)，即為表面溫度的計(jì)算公式，即：

③實(shí)際太陽(yáng)輻射問(wèn)題的推導(dǎo)

取一個(gè)矩形鋼管混凝土單位微段，其處在溫度為常數(shù)T_f的環(huán)境溫度中，沿x方向，該單位微段鋼材部分厚度為2m，混凝土部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)，空鼓缺陷貼鋼管壁即缺陷深度為m，缺陷厚度為d，初始溫度為T₀，在x＝0處的邊界面上接收太陽(yáng)輻射加熱。

為了利用奧奇西克關(guān)于線性邊界條件熱傳導(dǎo)問(wèn)題的解，在建立方程組計(jì)算的過(guò)程中我們假設(shè)初始溫度為0，即將溫度的表達(dá)式減去T₀進(jìn)行計(jì)算，因此最終計(jì)算得到的溫度再加上T₀即可。由于奧奇西克線性邊界條件傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)表達(dá)為在一種各項(xiàng)同性材料中的熱傳導(dǎo)。而本文的研究對(duì)象，是由鋼管和混凝土兩種材料共同組成的各項(xiàng)異性材料。為了類似的引用奧奇西克的解，我們利用等效熱阻的概念，計(jì)算出模型的等效導(dǎo)熱系數(shù)(不考慮接觸熱阻)。即可將之前的模型簡(jiǎn)化為另一種導(dǎo)熱系數(shù)的各項(xiàng)同性材料。

針對(duì)圖4的計(jì)算模型，根據(jù)物體導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱熱阻的關(guān)系可進(jìn)行如下推導(dǎo)。

鋼材部分的導(dǎo)熱熱阻：混凝土部分的導(dǎo)熱熱阻：

根據(jù)導(dǎo)熱熱阻的串聯(lián)計(jì)算公式，總的熱阻為

再由導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)熱熱阻的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終可得等效導(dǎo)熱系數(shù)的表達(dá)式：

等效密度的推導(dǎo)：

等效比熱容的推導(dǎo)：

等效熱擴(kuò)散系數(shù)：

通過(guò)上述等效替代，該問(wèn)題求解的λ、ρ、c和α按等效值取。

因此，在太陽(yáng)輻射的情況下，該熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

T＝0(t﹥0,x＝0) (3.31)

按照斯特潘——玻爾茲曼定律，此輻射加熱遵循四次方定律，即

q＝εσ(T_f⁴-T_s⁴)(t﹥0,x＝0) (3.32)

聯(lián)立式(3.29)、(3.30)、(3.31)和(3.32)求解，此即為非線性邊界條件下的奧奇西克熱傳導(dǎo)問(wèn)題，應(yīng)用第二節(jié)中非線性邊界傳熱問(wèn)題的杜哈美爾定理推導(dǎo)結(jié)果，只需將f(t)＝εσT_f⁴和φ(T_s)＝εσT_s⁴帶入式(3.27)即可。帶入后可得：

提取出與τ無(wú)關(guān)的常數(shù)項(xiàng)可得：

令采用Newto-cote對(duì)該式進(jìn)行積分，得到如下結(jié)果：

則可得表面溫度的計(jì)算公式：

在式(3.36)中T(x,t)＝T_s，對(duì)此我們采用迭代的方法逐次逼近來(lái)對(duì)上式作數(shù)值解。由假設(shè)條件可知，初始溫度為0，即T_s(0)(t)＝0。迭代表達(dá)式如下：

當(dāng)x＝0時(shí)，將其帶入式(3.37)中便可得到太陽(yáng)輻射加熱后無(wú)缺陷試件表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系：

當(dāng)被測(cè)物體內(nèi)部有缺陷時(shí)，熱流傳播受阻后向回反射傳播，傳播距離為x＝2m，這樣缺陷部分對(duì)應(yīng)的表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系可近似表示成:

式(3.37)、(3.38)和(3.39)中n均為自然數(shù)

且式中的λ、ρ和c按等效值取，即：

因此，要得到被測(cè)物體的表面溫度，只需要根據(jù)將被測(cè)物的熱物性參數(shù)帶入式(3.38)和(3.39)中，并進(jìn)行數(shù)次迭代運(yùn)算，待數(shù)值穩(wěn)定即可取為相應(yīng)的表面溫度計(jì)算值。

關(guān)于幾種情況的說(shuō)明：

1)上述關(guān)于鋼管壁表面溫度的推導(dǎo)是在人工加熱或者太陽(yáng)輻射加熱為前提條件來(lái)進(jìn)行求解的。實(shí)際上，置于環(huán)境中的鋼管柱不可避免的與外界周圍環(huán)境存在著熱交換，因此，在沒(méi)有進(jìn)行人工輔助熱源加熱或者太陽(yáng)直接輻射加熱時(shí)，鋼管柱通過(guò)與周圍環(huán)境的熱對(duì)流交換后，建立上述類似方程組的進(jìn)行求解，可知其管壁表面仍存在溫差，在此不再贅述。但是，由于實(shí)際中這種熱對(duì)流交換依據(jù)周圍環(huán)境變化差異較大，需要特別說(shuō)明的是，鋼管柱與周圍環(huán)境對(duì)流換熱的程度，即對(duì)流換熱系數(shù)h值的大小將會(huì)影響到鋼管壁包含缺陷區(qū)域與不包含缺陷區(qū)域的表面溫差可辨識(shí)度。當(dāng)對(duì)流換熱的量不足以影響到鋼管壁包含缺陷區(qū)域與不包含缺陷區(qū)域的表面溫度的改變時(shí)，管壁表面是不存在溫差的，或者說(shuō)對(duì)流換熱量只能從理論上改變表面溫差，而實(shí)際檢測(cè)中，這個(gè)溫差的差值小到我們無(wú)法檢測(cè)得出。因此，僅僅通過(guò)與周圍環(huán)境對(duì)流換熱來(lái)改變管壁溫度的分布，這種方式對(duì)外界環(huán)境依賴較大，不確定性因素多，不作過(guò)多推導(dǎo)。在實(shí)際檢測(cè)中可以先采用這種方式，因?yàn)閺睦碚撋蟻?lái)說(shuō)，有溫差存在就是可行的。如果溫差值確實(shí)太小，從而使得檢測(cè)效果不佳，則進(jìn)行加熱處理后再次檢測(cè)即可。

2)在推導(dǎo)鋼管混凝土柱管壁表面溫度時(shí)，上述問(wèn)題是以矩形鋼管柱為簡(jiǎn)化模型進(jìn)行求解的。針對(duì)圓形鋼管柱，同樣的，考慮外界熱源沿鋼管壁均勻注入，我們可以將其沿柱高度方向水平劃分成多個(gè)單位微段，微段的厚度遠(yuǎn)小于截面尺寸。因此，可以將截面近似的看成為一個(gè)無(wú)限大的平面，并考慮熱量是在極坐標(biāo)下沿極徑方向傳播的一維熱傳導(dǎo)問(wèn)題，采用極坐標(biāo)下的熱傳導(dǎo)微分方程和相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行求解，同樣的可以得到包含缺陷區(qū)域和不包含缺陷區(qū)域的鋼管壁存在溫差，即兩者的溫度不同。在此，不再進(jìn)行類似的重復(fù)推導(dǎo)。

3)針對(duì)鋼管混凝土內(nèi)部缺陷深度計(jì)算公式的推導(dǎo)以加熱狀態(tài)下為宜。因?yàn)椋诓患訜釙r(shí)，僅僅依靠外界環(huán)境熱對(duì)流交換時(shí)，在實(shí)際檢測(cè)中，由于周圍環(huán)境的多變性，對(duì)流換熱系數(shù)的變化較大，有可能存在對(duì)流換熱量不足導(dǎo)致溫差不明顯的情況，并且h也不好確定具體的數(shù)值，因此，在沒(méi)有加熱時(shí)，我們考慮此時(shí)依據(jù)表面溫度推導(dǎo)而來(lái)的深度計(jì)算公式誤差較大，所以不予考慮。

4.鋼管混凝土內(nèi)部缺陷深度計(jì)算公式的推導(dǎo)：

①人工注入熱源時(shí)缺陷深度的計(jì)算：

由3.2.2中在人工加熱的情況下表面溫度計(jì)算公式的推導(dǎo)可得

針對(duì)聯(lián)立方程組(3.40)中的第一式，令則相應(yīng)的變?yōu)?/p>

式(3.41)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，合并同類項(xiàng)后可得：

在式(3.42)中，為了求得的值，對(duì)于項(xiàng)作近似。因?yàn)樗裕蓪⑹?3.42)化簡(jiǎn)為

其中為等比數(shù)列，因此對(duì)這部分進(jìn)行求和可得：

其中t為時(shí)間，因此可以將K看成是無(wú)窮大。

所以在式(3.44)中所以

所以式(3.43)可以化簡(jiǎn)為：

同理，針對(duì)聯(lián)立方程組(3.40)中的第二式，令可類似的得到如式(3.46)的形式，即：

式(3.46)和(3.47)中m即為所要計(jì)算的缺陷深度，可以分別對(duì)兩式兩邊進(jìn)行時(shí)間t上的積分，則可得：

對(duì)方程組(3.48)，下式減去上式并化簡(jiǎn)可得：

合并同類項(xiàng)并化簡(jiǎn)為關(guān)于m的一元二次方程，如下式：

該一元二次方程的恒大于0，則采用求根公式，可得方程(3.50)的解為：

其中的負(fù)根沒(méi)有意義，舍去后可得缺陷深度m的計(jì)算公式為：

即為在人工加熱條件下，鋼管混凝土內(nèi)部缺陷深度的近似計(jì)算公式。

式中m——缺陷深度(由于研究的空鼓缺陷貼管壁，因此m同時(shí)也是管壁壁厚)；

L——試件截面混凝土部分的長(zhǎng)度；

α₁——鋼管的熱擴(kuò)散系數(shù)；

α₂——混凝土的熱擴(kuò)散系數(shù)；

λ₁——鋼管的熱傳導(dǎo)率；

λ₂——混凝土的熱傳導(dǎo)率；

q——熱流；

t——時(shí)間，其單位為s；

ΔT——t時(shí)刻包含缺陷區(qū)域與不包含缺陷區(qū)域的鋼管壁的表面溫差。

②太陽(yáng)輻射加熱時(shí)缺陷深度的計(jì)算

由3.2.3中在太陽(yáng)輻射加熱的情況下表面溫度計(jì)算公式的推導(dǎo)可得如下關(guān)于鋼管混凝土柱有缺陷處和無(wú)缺陷處對(duì)應(yīng)的鋼管壁表面溫度計(jì)算式。

在(3.53)這個(gè)方程組中用下式減去上式，即可得：

將式(3.54)和式(3.38)相除，即可得：

對(duì)式(3.55)方程兩邊同時(shí)取自然對(duì)數(shù)，則可得到如下結(jié)果：

此式即為在太陽(yáng)輻射加熱條件下，鋼管混凝土內(nèi)部缺陷深度的計(jì)算公式。

式中m——缺陷深度(由于研究的空鼓缺陷貼管壁，因此m同時(shí)也是管壁壁厚)；

α——熱擴(kuò)散系數(shù)，按照等效值

T_s(n+1)(x,t)——t時(shí)刻不包含缺陷區(qū)域的鋼管壁的表面溫度；

ΔT_(n+1)——t時(shí)刻包含缺陷區(qū)域與不包含缺陷區(qū)域的鋼管壁的表面溫度差。

5.試驗(yàn)結(jié)果分析：

實(shí)施例：

步驟1.儀器準(zhǔn)備：

本次試驗(yàn)采用的紅外熱成像儀是由深圳亞泰光電技術(shù)有限公司提供的FLIR E40紅外熱像儀。該熱像儀具有靈敏度高、測(cè)溫范圍廣、便攜以及多種紅外成圖模式等優(yōu)點(diǎn)。此外，該熱像儀的其他各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)也均滿足本次試驗(yàn)的測(cè)試要求。因此，F(xiàn)LIR E40紅外熱像儀是本次試驗(yàn)的綜合最佳選擇。

該熱像儀的各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)如下表2所示：

表2

步驟2.試件準(zhǔn)備：

試驗(yàn)中的3個(gè)試件模型的制作是試驗(yàn)的重點(diǎn)，在準(zhǔn)備過(guò)程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求精心準(zhǔn)備，保證每個(gè)環(huán)節(jié)的加工質(zhì)量，才能最小程度的減小對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的影響。

2.1鋼管柱的加工制作：

根據(jù)試驗(yàn)試件的設(shè)計(jì)及相應(yīng)的圖紙，找到合適的加工廠進(jìn)行試件的加工成型。

2.2泡沫缺陷的制作及定位處理：

加工成型的試驗(yàn)試件運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，便根據(jù)模型缺陷設(shè)計(jì)圖制作相應(yīng)的泡沫缺陷。在制作6種不同尺寸的泡沫缺陷時(shí)可以同步進(jìn)行對(duì)缺陷在鋼管壁上相應(yīng)位置的劃線標(biāo)注，以便在后續(xù)的粘貼定位中更易于操作。

完成上述兩步工作后便根據(jù)模型缺陷設(shè)計(jì)圖將泡沫缺陷粘貼到相應(yīng)的位置上，針對(duì)泡沫缺陷的粘貼定位，首先用雙面膠將其初步固定在鋼管壁上相應(yīng)的劃線處，然后再將AB膠均勻的涂在每個(gè)缺陷的四周，進(jìn)一步將其固定住。在將泡沫缺陷粘貼到鋼管中時(shí)，從下到上有序的將6種不同大小的方形泡沫缺陷定位于鋼管壁上，這樣操作方便，且不會(huì)對(duì)缺陷彼此產(chǎn)生影響。當(dāng)所有的泡沫缺陷定位完成后，需要在對(duì)應(yīng)的缺陷位置處的鋼管外壁上標(biāo)注此處缺陷的大小尺寸(長(zhǎng)×寬×高)，以便在后續(xù)的試驗(yàn)中，根據(jù)利用紅外探測(cè)儀攝取的溫度分布圖來(lái)判斷此處缺陷的形狀及大小是否與其溫度圖像上所反映的結(jié)果一致。

2.3鋼管柱澆筑成型及養(yǎng)護(hù)：

當(dāng)鋼管柱內(nèi)的人工缺陷定位標(biāo)注好之后，則進(jìn)行試驗(yàn)前的最后一步，向鋼管內(nèi)澆筑混凝土。在澆筑混凝土的過(guò)程中，由于鋼管柱內(nèi)管壁上粘貼了不同大小的泡沫缺陷，直接將混凝土澆入鋼管內(nèi)時(shí)混凝土?xí)谙侣涞耐瑫r(shí)有可能觸碰到管壁上的泡沫缺陷，進(jìn)而使得泡沫缺陷發(fā)生移位，甚至直接破壞。因此，在混凝土澆筑的過(guò)程中需十分小心。

步驟3.試驗(yàn)實(shí)測(cè)熱像圖分析：

針對(duì)澆筑成型的三個(gè)不同壁厚的鋼管混凝土柱，采用FILR E40型紅外熱像儀進(jìn)行檢測(cè)，并得到了鋼管混凝土柱表面的紅外熱像圖。

在檢測(cè)前，根據(jù)檢測(cè)當(dāng)天的天氣指數(shù)，在紅外熱像儀中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，外界環(huán)境溫度為17℃，相對(duì)濕度為95％，測(cè)試距離為1m，測(cè)溫范圍設(shè)置為-20℃～+120℃。在紅外探測(cè)過(guò)程中選取了血鐵紅和高對(duì)比彩虹兩種溫度分布成圖模式，這是因?yàn)檠F紅成圖模式利于更好的顯示缺陷的輪廓形狀(溫度捕捉的區(qū)分度不高)，高對(duì)比彩虹更有利于發(fā)現(xiàn)此處是否存在缺陷異樣(溫度捕捉后由7種不同的顏色來(lái)反映溫度的差別)，所以采用兩種成圖模式結(jié)合來(lái)共同探究其檢測(cè)的可行性。

3.1被動(dòng)式檢測(cè)熱像圖分析

在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)中，最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、便捷的方法即是不需要作太多前期處理，直接快速、高效并直觀的對(duì)被測(cè)目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)對(duì)鋼管混凝土的密實(shí)度空鼓缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，被動(dòng)式檢測(cè)無(wú)需對(duì)被測(cè)的鋼管混凝土柱進(jìn)行預(yù)加熱處理。這種檢測(cè)方法符合上述所提及的簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、便捷、高效等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)于鋼管混凝土的密實(shí)度空鼓缺陷的檢測(cè)研究，我們首先從最簡(jiǎn)單的紅外熱成像被動(dòng)式檢測(cè)出發(fā)，來(lái)探討被動(dòng)式檢測(cè)的可行性。

①一號(hào)試件檢測(cè)結(jié)果分析

圖5為一號(hào)試件前后兩個(gè)表面的溫度分布圖，從圖中可以看見(jiàn)有明顯的溫度分布差異。由于熱像儀成圖的攝取面較小，對(duì)試件整體成圖時(shí)，試件不能完全的充滿屏幕，這會(huì)造成外界環(huán)境中其他物體的熱輻射能量進(jìn)入紅外探測(cè)儀，對(duì)試驗(yàn)造成影響誤差。盡管環(huán)境中的熱輻射會(huì)不可避免的進(jìn)入到探測(cè)儀中，但是，一般情況下當(dāng)探測(cè)成圖時(shí)屏幕充滿試件或試件的某個(gè)部位時(shí)，我們認(rèn)為這樣的誤差影響是可以忽略不計(jì)的。因此，從圖5的熱像圖上看，被測(cè)試試件并未完全充滿屏幕時(shí)，鋼管壁不同位置處與相鄰的管壁表面便有較為明顯的溫度差。這說(shuō)明此時(shí)檢測(cè)可行，并進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

下面，我們以鋼管柱底部的3×3×2方形缺陷和2×2×2方形缺陷為例來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的熱像圖分析。

圖6為一號(hào)試件鋼管壁底部3×3×2方形缺陷和2×2×2方形缺陷的熱成像溫度圖，攝取的圖像為血鐵紅模式。從圖中可以看出，這兩個(gè)部位的熱成像溫度分布圖都具有明顯差異。在填充了塑料泡沫缺陷的部位溫度較高，而其余部分的溫度分布較低且比較均勻。此外，溫度分布圖中溫度較高的區(qū)域部分呈現(xiàn)出泡沫缺陷相應(yīng)尺寸大小的方形形狀，這可以很好的在血鐵紅模式的熱像圖中反映，其位置也與鋼管外壁標(biāo)注的缺陷位置基本重合。此外，未列出的鋼管中部和頂部的缺陷同上，也可由熱像圖較好的反映其位置和尺寸。因此，一號(hào)試件中，位于鋼管壁不同位置處的12個(gè)缺陷，其位置及形狀均在利用熱像儀獲取的熱像圖中得到較好的反映。

②二號(hào)試件檢測(cè)結(jié)果分析：

圖7為二號(hào)試件前后外表面溫度分布組圖，從圖中可以看見(jiàn)有明顯的溫度分布差異。同試驗(yàn)試件一，由于熱像儀成圖的攝取面較小，對(duì)試件整體成圖時(shí)，試件不能完全的充滿屏幕，這會(huì)造成外界環(huán)境中其他物體的熱輻射能量進(jìn)入紅外探測(cè)儀，對(duì)試驗(yàn)造成影響誤差。盡管環(huán)境中的熱輻射會(huì)不可避免的進(jìn)入到探測(cè)儀中，但是，一般情況下當(dāng)探測(cè)成圖時(shí)屏幕充滿試件或試件的某個(gè)部位時(shí)，我們認(rèn)為這樣的誤差影響是可以忽略不計(jì)的。圖中，試件未充滿屏幕時(shí)，鋼管壁不同位置處與相鄰的管壁表面便有明顯的溫度差，則說(shuō)明此時(shí)檢測(cè)可行，并進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

下面，我們以鋼管柱頂部的3×3×4方形缺陷和2×2×3方形缺陷為例來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的熱像圖分析。

圖8為二號(hào)試件鋼管壁上部3×3×4方形缺陷和2×2×3方形缺陷的熱成像溫度圖，攝取的圖像為血鐵紅模式。從圖中可以看出，這兩個(gè)部位的熱成像溫度分布圖都具有明顯差異。在填充了塑料泡沫缺陷的部位溫度較高，而其余部分的溫度分布較低且比較均勻。此外，溫度分布圖中溫度較高的區(qū)域部分呈現(xiàn)出泡沫缺陷相應(yīng)尺寸大小的方形形狀，這可以很好的在血鐵紅模式的熱像圖中反映，其位置也與鋼管外壁標(biāo)注的缺陷位置基本重合。

同試件一，未列出的鋼管中部和底部的缺陷也可由熱像圖較好的反映其位置和尺寸。因此，二號(hào)試件鋼管壁12個(gè)缺陷的位置及形狀較好的得到正確的反映。

③三號(hào)試件檢測(cè)結(jié)果分析

從整個(gè)圖上來(lái)看，成像的鋼管外表壁上沒(méi)有明顯的溫度分布差異，在鋼管外表壁上各個(gè)部分的溫度分布均勻，并沒(méi)有形成相應(yīng)的熱點(diǎn)，即在圖上針對(duì)鋼管內(nèi)填充了泡沫缺陷的位置，沒(méi)有形成相應(yīng)明顯的高溫區(qū)域，所以各個(gè)缺陷的形狀及位置沒(méi)有得到相應(yīng)的反映。針對(duì)上圖9中未充滿屏幕時(shí)沒(méi)有明顯的溫度差，相反整個(gè)鋼管壁上的溫度分布均勻，幾乎找不到一點(diǎn)很小面積的高溫或者是與其余部位有明顯溫差的地方?？紤]到未充滿屏幕時(shí)存在周圍環(huán)境中其他物體的紅外輻射影響，繼而針對(duì)每個(gè)缺陷位置處再次進(jìn)行掃描成像。然而，出現(xiàn)的結(jié)果與上述相同，并沒(méi)有一點(diǎn)明顯的溫度分布差。

因此，針對(duì)三號(hào)試件在被動(dòng)式檢測(cè)的方式下，各個(gè)缺陷的大小形狀及位置均沒(méi)有得到正確的反映。

4.主動(dòng)式檢測(cè)熱像圖分析：

主動(dòng)式檢測(cè)即在添加外界熱源的條件下，對(duì)鋼管柱加熱后再進(jìn)行檢測(cè)。理論上來(lái)說(shuō)，在有外界熱源的注入下，若有缺陷的存在，鋼管壁表面的溫度會(huì)比沒(méi)有熱源注入的被動(dòng)式檢測(cè)的溫度差異更大，更明顯。這種方法的采用是在當(dāng)被動(dòng)式檢測(cè)效果不佳時(shí)，進(jìn)行進(jìn)一步的缺陷檢測(cè)時(shí)采用。

主動(dòng)式檢測(cè)參數(shù)設(shè)置，外界環(huán)境溫度為17℃，相對(duì)濕度為95％，測(cè)試距離為1m，測(cè)溫范圍設(shè)置為-20℃～+120℃，攝取成像仍采用血鐵紅和高對(duì)比彩虹兩種溫度分布成圖模式。

在被動(dòng)式檢測(cè)中一號(hào)、二號(hào)試件的試驗(yàn)效果較好，缺陷的大小形狀及位置均得到了準(zhǔn)確的反映。然后，三號(hào)試件的試驗(yàn)效果不佳，未能正確的體現(xiàn)出缺陷的大小形狀及相應(yīng)位置。然而，從前述的理論研究可知，主動(dòng)式檢測(cè)由于有外部輔助熱源的加入，會(huì)使得其由更好的檢測(cè)效果。因此，在主動(dòng)式檢測(cè)需要重點(diǎn)對(duì)三號(hào)試件進(jìn)行試驗(yàn)，而針對(duì)一號(hào)、二號(hào)試件只需要選取一兩處缺陷進(jìn)行檢測(cè)成圖后，與被動(dòng)式檢測(cè)效果稍作對(duì)比即可(注：因?yàn)樵趯?shí)際的應(yīng)用中，被動(dòng)式檢測(cè)更為方便快捷，既然一號(hào)、二號(hào)試件用被動(dòng)式檢測(cè)方式可以得出預(yù)期的試驗(yàn)效果，所以，大可不必再進(jìn)行主動(dòng)式檢測(cè)。因此，在本次試驗(yàn)中象征性的選取一兩處缺陷進(jìn)行主動(dòng)式檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比一下兩者之間的測(cè)試效果)。

主動(dòng)式檢測(cè)中外部熱源的注入采用的是三個(gè)800W的電烤爐均勻布置在試件的周圍，同時(shí)進(jìn)行加熱，每30s進(jìn)行熱成像拍攝，一共加熱5min。

①一號(hào)試件檢測(cè)結(jié)果分析：

如圖10所示，左側(cè)為主動(dòng)式檢測(cè)的熱圖像，右側(cè)為被動(dòng)式檢測(cè)的熱圖像，從成圖上來(lái)說(shuō)，兩者都較為準(zhǔn)確的反映出缺陷的位置和形狀。然而，左側(cè)熱圖像的外邊界比右側(cè)更規(guī)則，與預(yù)期的方形更為接近，所以加熱后確實(shí)更有利于達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

②二號(hào)試件檢測(cè)結(jié)果分析：

如圖11所示，左、右兩側(cè)分別為主動(dòng)式檢測(cè)和被動(dòng)式檢測(cè)的熱圖像，從圖上來(lái)說(shuō)，兩者都較為準(zhǔn)確的反映出缺陷的位置和形狀。從試件二的這組對(duì)比圖來(lái)分析，兩者效果差不多，加熱后的熱像圖在缺陷處的溫度差異上更大，因此，也更容易得到準(zhǔn)確的反映。

③三號(hào)試件檢測(cè)結(jié)果分析：

在被動(dòng)式檢測(cè)時(shí)缺陷的位置及大小形狀均沒(méi)有得到正確的反映，因此，繼續(xù)采用主動(dòng)式檢測(cè)方式進(jìn)行試驗(yàn)。如圖12～圖14所示，為部分塑料泡沫缺陷在外界熱源加熱后的熱成像圖，分別為隨機(jī)列出的2×2×4、2×4×1和3×3×4三個(gè)方形缺陷熱像圖，從圖中可以看出有明顯的高溫?zé)狳c(diǎn)區(qū)域，且該區(qū)域基本上與此處預(yù)先設(shè)置的缺陷位置重合，但是高溫?zé)狳c(diǎn)區(qū)域形狀不規(guī)則，沒(méi)有較好的反映缺陷的大小尺寸。

總的來(lái)說(shuō)，主動(dòng)式檢測(cè)比被動(dòng)式檢測(cè)效果更好，已基本反映出了三號(hào)試件缺陷的大致位置。

5.缺陷表面積紅外檢測(cè)誤差計(jì)算：

通過(guò)以上的分析可知，運(yùn)用紅外檢測(cè)法對(duì)鋼管混凝土管壁空鼓缺陷的檢測(cè)在一定情況下是可行的，也能大致反映出缺陷的位置和形狀。針對(duì)熱像圖上所反映的缺陷大小與其實(shí)際大小作如下計(jì)算比較。如下表3和續(xù)表3所示。

不加熱時(shí)一號(hào)、二號(hào)和三號(hào)試件的缺陷表面積紅外測(cè)量誤差計(jì)算

表3

續(xù)表3

從上述計(jì)算分析結(jié)果來(lái)看，在不加熱時(shí)的被動(dòng)檢測(cè)中，當(dāng)紅外熱像圖中存在溫度熱點(diǎn)區(qū)域時(shí)，該區(qū)域所反映的缺陷表面積的大小即為紅外測(cè)量值。一、二號(hào)試件的測(cè)量值與實(shí)際的面積大小相比，誤差在10％，這表明這種方法在準(zhǔn)確反映位置及形狀的提前下是可以較為準(zhǔn)確的反映缺陷大小的。當(dāng)然，當(dāng)紅外熱像圖中不存在溫度熱點(diǎn)區(qū)域時(shí)，例如三號(hào)試件，在沒(méi)有反映缺陷位置和大致形狀的前提下，當(dāng)然其大小也是不得到相應(yīng)的反映。

在加熱時(shí)的主動(dòng)式檢測(cè)中，所有構(gòu)件均存在溫度熱點(diǎn)區(qū)，一、二號(hào)試件的缺陷大小如被動(dòng)式檢測(cè)一樣，紅外測(cè)量誤差均在10％內(nèi)，比較準(zhǔn)確的反映在熱像圖上，而三號(hào)試件雖然存在溫度熱點(diǎn)區(qū)，也大致反映出了缺陷位置，但測(cè)量誤差至少達(dá)到了30％以上，甚至高達(dá)60％。我們認(rèn)為這沒(méi)有較好的反映缺陷的大小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)壁厚超過(guò)10mm，需要外界輔助加熱時(shí)才會(huì)存在溫度熱點(diǎn)區(qū)的試件，目前所采集的熱像圖信息不能準(zhǔn)確的反映缺陷的大小，這是因?yàn)楸诤裨龃蟮耐瑫r(shí)，相應(yīng)的本應(yīng)堆積在管壁表面的熱量被分散于管壁的厚度方向，熱量更少了，所以熱像圖上的高溫?zé)狳c(diǎn)區(qū)域面積相應(yīng)減小，因此，缺陷大小的測(cè)量誤差也就更大。

6.實(shí)測(cè)熱像圖分析結(jié)果總結(jié)：

由試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可知，一號(hào)、二號(hào)試件只需要通過(guò)采取被動(dòng)式檢測(cè)方式，其試驗(yàn)效果就達(dá)到了較好的水平，相應(yīng)缺陷的大小形狀及位置得到了準(zhǔn)確的反映，而三號(hào)試件在被動(dòng)式檢測(cè)方式下的試驗(yàn)效果不佳，未能正確的體現(xiàn)出缺陷的大小形狀及相應(yīng)位置。通過(guò)繼續(xù)采用主動(dòng)式檢測(cè)方法，三號(hào)試件基本可以反映出缺陷的位置，但是其大小形狀仍未能得到正確的反映。

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的紅外熱像圖綜合分析可知，針對(duì)鋼管混凝土管壁空鼓缺陷的紅外檢測(cè)，一部分鋼管柱在不需要外界輔助熱源的注入時(shí)檢測(cè)是可行的，熱像儀攝取的熱像圖上的溫度變化信息與圖形是可以準(zhǔn)確反映缺陷的形狀尺寸的。另一部分鋼管柱則需要外界輔助熱源的注入才行，并且在這種情況下熱像儀攝取的熱像圖上的溫度變化信息與圖形只能大致的反映缺陷的位置，輪廓形狀也比較模糊。因此，總的來(lái)說(shuō)，這種新的檢測(cè)方法在實(shí)際操作上是可行的。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。