返回

一種密集筋檢測新方法的研究及應用

2020-04-02 15:06:42

        建筑結構中鋼筋混凝土結構是被廣泛采用的結構形式,但對于諸如梁底這種鋼筋排 布很密的構件的檢測,一直沒有有效的方法和設備能夠分辨出密集筋的根數、鋼筋間距及準 確的保護層厚度。然而,結構實體這幾方面的檢測是評估構件耐久性必不可少的參數。因此, 本文作者經過多年的研究和實踐,研發出一種新的密集筋檢測方法,并將其成功運用在實際 的檢測儀器中,打破了鋼筋檢測類儀器對密集鋼筋測量的瓶頸,從真正意義上提高了該類無損 檢測儀器的測量水平,也為促進混凝土結構工程驗收、營運維護提供了技術檢測依據。

        1、引言

        建筑結構中鋼筋混凝土結構是被廣泛采用的結構形式,因鋼筋具有較高的抗拉強度混凝 土具有較高的抗壓強度;二者協同作用能很好地共同承擔結構所受的荷載,其中鋼筋完全承 擔結構內產生的拉應力,而其承受拉應力的能力,主要取決于配筋率和鋼筋保護層厚度,同 時保護層厚度大小對結構耐久性的影響也很大。因此對結構實體中的鋼筋數量、間距、直徑 及保護層厚度的檢測十分重要。

        目前檢測用的鋼筋檢測儀主要是利用電磁感應法實現的。但由于現有儀器的傳感器結構 設計、檢測信號分析處理方法比較簡單,導致在鋼筋分布較密的情況下,難以準確分辨出每 根鋼筋、也無法準確測量其保護層厚度,而作為結構中的主要承重構件——梁,其梁底抗拉 主筋的設計一般比較密,加上施工過程中產生偏移,時常導致部分梁底主筋的凈間距小于 1.5 倍鋼筋直徑,在此情況下以往的鋼筋檢測儀往往會出現“漏筋”或“誤判”的情況,因 此對梁底主筋、尤其是既有工程梁底主筋的檢測時常成為困擾檢測人員的難題,因此,本文 著重針對復雜情況中密集筋排布情況做以分析和研究,通過改進傳感器結構設計、檢測信號分析處理方法,提升儀器對密集鋼筋的分辨能力。

        2.現有混凝土結構中密集鋼筋檢測存在的問題

        目前國內外的鋼筋檢測儀主要是利用電磁感應法。如圖 1 所示的構件模型,當鋼筋凈間 距 S 較小時,隨著保護層厚度的 增大,鋼筋之間的感生磁場會相 互疊加相互影響,直接導致測量 結果不準確。當鋼筋凈間距 S 小 于 1.5 倍鋼筋直徑,而且保護層厚 度 C 大于 2 倍間距 S 的情況下, 一般鋼筋測量儀器都很難準確的 分辨出圖示的兩根鋼筋及其相應 的位置。

鋼筋混凝土構件圖 1 鋼筋混凝土構件

3.電磁感應法對于單根筋的判斷依據

通過測量鋼筋在電磁場中的感生電場強度來測定鋼筋參數。當鋼筋直徑一定時,磁場內 感生信號的強弱對應于鋼筋與傳感器的距離成正比關系,當傳感器位于鋼筋正上方時,距離 最小,信號值最大(見圖 2)。

測量信號曲線圖圖 2 測量信號曲線圖

傳統的傳感器大多結構簡單,一個或兩個 線圈的組合。如果線圈面積小,對密集筋的分 辨能力會高一些,同時對保護層厚度的測量精 度也會高一些,但探測深度(保護層厚度)較 淺;相反,如果線圈面積大,雖然提升了它對 深度的測量但對密集筋的分辨能力大打折扣。 產生這種問題的原因是:每根鋼筋都有各自的 感生磁場,隨著鋼筋間距的減小,鋼筋之間的 感生磁場會發生信號的疊加,如圖 3、圖 4 所示。

密集筋測量示意圖 左A 右B圖 3 密集筋測量示意圖 左A 右B

針對較密的鋼筋排布情況,理論上,傳感器線 圈的面積越小,產生的磁場覆蓋面積越小,越 具有針對性,對一定厚度范圍內的鋼筋分辨效果越好(根據經驗測試發現,線圈的面積最好 是小于被測鋼筋的直徑)。然而,當線圈小到一定程度時,隨著厚度的增加,其感生信號越 來越弱如圖 3-(b),傳感器對 保護層的測試 能力明顯不足, 仍然會導致分 辨不出鋼筋的 準確位置和數 量。同時,由于 傳感器結構本 身的固有不足, 其計算分析方 法也受到了很 大的局限性。上述綜合因素導致一直未能很好的解決對密集筋的測量問題。

排布不均勻密集筋測量示意圖圖 4 排布不均勻密集筋測量示意圖

4.提高對密集鋼筋分辨能力的方法研究

針對前述的問題,我們改良了傳感器結構,并配合研制了一種新的測量分析方法。改良 傳感器的結構,便于產生不同強度和范圍的磁場的種類以及得到當下磁場強度時的測量信 號,從而建立數據模型,參與分析和計算。新的測量方法是利用這種改良之后的傳感器結構 測量出的結果,經過分析和大量的數學計算得到最終的測量結果,即鋼筋的根數、間距、保 護層厚度。具體內容見下文。

4.1 改進傳感器的內部結構,

變成復合式傳感器 復合式傳感器是由多個傳感器組合而成(該復合式傳感器已由北京智博聯公司審請了專 利 201420353350.1)它的系列產品中內部的結構示意圖如圖 5~圖 8 所示

圖 5 傳感器結構 1 圖 6 傳感器結構 2 圖7傳感器結構3 圖 8 傳感器結構 4圖 5 傳感器結構 1 圖 6 傳感器結構 2 圖7傳感器結構3 圖 8 傳感器結構 4

按前述的分析,我們對傳感器中的線圈要求是,即盡量縮小其尺寸、又不希望減小其探 測能力。因此,采用這種復合式線圈就達到了這個要求。它的基本原理是將原有的線圈改造 成 N 個小線圈的組合,即減小了每個線圈的面積,又增加傳感器總體的測試能力。傳感器中 的 N 組不同形狀、不同功能的線圈,根據不同的深度測量,配合硬件電路由軟件控制啟動相 應的組合。圖中 A、B 是指尺寸規格不同的線圈,從圖中可以看出 A 線圈尺寸較大可以包含 若干個 B 的小尺寸線圈。

4.2 新算法研究。

4.2.1 針對密集筋的根數的判別方法

隨著保護層厚度的增加,它的感生信號值隨之變化,且有一定的函數關系,信號形態如 圖 9 所示。

圖 9 單根鋼筋感生信號與保護層厚度的關系

單根鋼筋能量值與保護層厚度的關系圖 10 單根鋼筋能量值與保護層厚度的關系

即E=f[D,y,](1) 式中,E為測試信號值;D為鋼筋直徑; y為傳感器到鋼筋表面的垂直距離,即保 護層厚度。

單根鋼筋感生信號與傳感器相對鋼 筋位置的變化的曲線,如圖 2 所示。該曲 線對應的函數為 E`=[D,y,s] (2) 式中,E`為測得的時實信號值;s 為傳感 器位移值;

當 D、y 已知時,對確定的曲線 E` 求積分,算出其信號曲線所占有的面積,用其代表能量值:

D 仍然已知,隨著保護層厚度 y 的 不同,P 也會不同。則函數 P`=f[y,p]; 函數形態示意如圖 4 所示。

然后,我們再將不同 D 所對應的 P` 函數進行調整,最終的函數為 P`=f[y,p,l,m….];其中 l、m…等都是修正系 數。那么關于直徑、厚度、能量三者的 關系現已基本明確。

之所以引入這種能量的設計思路是因為:理論上,用能量守恒的觀點,單根鋼筋在某個厚度 下的曲線(見圖 2)它產生的能量為 P`1;該厚度下兩根鋼筋時(它的曲線如圖 3 所示)能 量為 P`2,P`2 是 P`1 的 2 倍;當有三根鋼筋時,能量 P`3 應是 P1 的 3 倍,依次類推。當然, 實驗中我們也發現,當鋼筋相距很近時,由于相互間的影響很大,有時測得的能量倍數關系 只能接近整數倍,并不是很準確的倍數關系,因此,我們從軟件算法上做了調整,通過大量 的實驗數據做了一個實際測量的能量標準表用以參照。

但是當鋼筋根數較多,且排布很密時,即便有了公式、有了數據表,但由于現場情況較 復雜,用能量的算法推算出的鋼筋根數有時會介于兩種情況之間,比如,算出的鋼筋數量為 4.2,那么,它可能是 4 根,也可能是 5 根甚至 6 根(可能性雖小但仍然有)。此時,我們需 要再借助一個判定條件去做取舍,這個條件參數就是傳感器內部的各線圈的中心距,即通過 每個線圈在同一時刻掃出的信號變化以及它們的位置關系參與判斷,求得最終的鋼筋根數。 例如,當設計的鋼筋直徑為 10mm,內部傳感器中某一組的線圈中心距為 36,測量的信號 曲線圖 4 中(c)圖所示,中間信號很強、跨度很寬,但又分辨不出明顯的峰谷值。此時可啟動 其它間距的線圈組合進一步去判斷,最后再結合相應的算法分析,得出最終結果。

4.2.2 判斷鋼筋位置:

按 4.1.2 所述,求出鋼筋根數之后,再根據能量去計算鋼筋的位置。如圖 2、圖 3 所示,鋼筋的具體位置理論上就是在曲線的峰值點處,即能量值的一半處。我們已知目前極密情況 下的鋼筋總數、能量總數,按單位能量一半的原則去找出符合條件的位置即為鋼筋所在的位 置。當然,如果實際計算的話,還需要引入諸如傳感器線圈中心距、能量修正表等這樣的參 數等共同參與判斷。

4.2.3 判別密集筋的根數和位置的其它方式(圖像判法)

除了上述介紹的密集筋的分析方法以外,還可以用一種比較直觀和簡單的方法評判出個 別情況下的密筋集存在情況。比如,實際工程中,設計時的鋼筋排布一般都是均勻的,且間 距較大,非常容易測到。但由于施工過程中的人為布筋、現澆等原因,鋼筋會有移位,導致 圖 4 中有梳有密的情況。如果儀器具備圖 8 的傳感器結構(即多組線圈傳感器),多線圈同時 工作,可以針對某個構件區域進行全面積的掃描(如圖 11)。然后將該區域的所有信號值通 過拼接成像,直觀的顯示在屏幕上,如圖 12。從圖中已知單根鋼筋所占的像素(即鋼筋粗 細),當兩根筋排布較密難以分辨時,我們從圖中也可以合理的判斷出鋼筋的根數和位置。 這種方法雖然簡單,但使用場合有局限性,且儀器需要有成像功能。

判別密集筋的根數和位置的方式

5.試驗及結果

上述密集筋判斷方法已在北京智博聯公司的 ZBL-R660一體式鋼筋檢測儀中得以實現,測試效果比較明顯。 并已在很多工程實例中得以使用。實例:

ZBL-R660一體式鋼筋檢測儀圖 13 密集筋檢測實例圖

密集筋檢測實例數據表一:針對圖 13 中的實例的實測數據

6.結語

在對密集筋情況的研究基礎上,通過重新設計傳感器結構及研究相應的算法,我們已經 研究出了對密集鋼筋分辨能力強的電磁感應方法,并已在 ZBL-R660 產品中得以實現,測試 效果良好,并已在全國的實際工程檢測中得到了驗證,該方法雖然較傳統方式有了很大的突 破。但仍有如計算量大,在長距離排布深淺不同且很密的情況時、測試仍然會存在偏差的情 況存在。我們也希望在后面的工作中繼續研究和改良,繼續為無損檢測這個行業做出自己的貢獻。

ZBL-R660一體式鋼筋檢測儀

參考文獻

[1] 孫立春,郝冬妮,管均. 一種電磁感應法的新應用及研究.工程質量,2014

[2] 中國建筑科學研究院. GB50204-2002(2011 版) 混凝土結構工程施工質量驗收規范. 中國建筑工業出版社,2011

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ /T 152-2008 混凝土中鋼筋檢測技術規程.中國建筑工業出版社,2008

[4] 中國計量科學研究院.JJF 1224-2009 鋼筋保護層、樓板厚度測量儀校準規范.中國計量出版社出版,2009

作者簡介:郝冬妮 .碩士研究生.高級工程師 從事無損檢測技術研究工作。

[關鍵詞]電磁感應法;鋼筋位置;保護層厚度;混凝土結構

本文出自北京智博聯科技股份有限公司,轉載請標明出處。

5分pk10是那里开奖的