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一种密集筋检测新方法的研究及应用

2020-04-02 15:06:42

        建筑结构中钢筋混凝土结构是被广泛采用的结构形式,但对于诸如梁底这种钢筋排 布很密的构件的检测,一直没有有效的方法和设备能够分辨出密集筋的根数、钢筋间距及准 确的保护层厚度。然而,结构实体这几方面的检测是评估构件耐久性必不可少的参数。因此, 本文作者经过多年的研究和实践,研发出一种新的密集筋检测方法,并将其成功运用在实际 的检测仪器中,打破了钢筋检测类仪器对密集钢筋测量的瓶颈,从真正意义上提高了该类无损 检测仪器的测量水平,也为促进混凝土结构工程验收、营运维护提供了技术检测依据。

        1、引言

        建筑结构中钢筋混凝土结构是被广泛采用的结构形式,因钢筋具有较高的抗拉强度混凝 土具有较高的抗压强度;二者协同作用能很好地共同承担结构所受的荷载,其中钢筋完全承 担结构内产生的拉应力,而其承受拉应力的能力,主要取决于配筋率和钢筋保护层厚度,同 时保护层厚度大小对结构耐久性的影响也很大。因此对结构实体中的钢筋数量、间距、直径 及保护层厚度的检测十分重要。

        目前检测用的钢筋检测仪主要是利用电磁感应法实现的。但由于现有仪器的传感器结构 设计、检测信号分析处理方法比较简单,导致在钢筋分布较密的情况下,难以准确分辨出每 根钢筋、也无法准确测量其保护层厚度,而作为结构中的主要承重构件——梁,其梁底抗拉 主筋的设计一般比较密,加上施工过程中产生偏移,时常导致部分梁底主筋的净间距小于 1.5 倍钢筋直径,在此情况下以往的钢筋检测仪往往会出现“漏筋”或“误判”的情况,因 此对梁底主筋、尤其是既有工程梁底主筋的检测时常成为困扰检测人员的难题,因此,本文 着重针对复杂情况中密集筋排布情况做以分析和研究,通过改进传感器结构设计、检测信号分析处理方法,提升仪器对密集钢筋的分辨能力。

        2.现有混凝土结构中密集钢筋检测存在的问题

        目前国内外的钢筋检测仪主要是利用电磁感应法。如图 1 所示的构件模型,当钢筋净间 距 S 较小时,随着保护层厚度的 增大,钢筋之间的感生磁场会相 互叠加相互影响,直接导致测量 结果不准确。当钢筋净间距 S 小 于 1.5 倍钢筋直径,而且保护层厚 度 C 大于 2 倍间距 S 的情况下, 一般钢筋测量仪器都很难准确的 分辨出图示的两根钢筋及其相应 的位置。

钢筋混凝土构件图 1 钢筋混凝土构件

3.电磁感应法对于单根筋的判断依据

通过测量钢筋在电磁场中的感生电场强度来测定钢筋参数。当钢筋直径一定时,磁场内 感生信号的强弱对应于钢筋与传感器的距离成正比关系,当传感器位于钢筋正上方时,距离 最小,信号值最大(见图 2)。

测量信号曲线图图 2 测量信号曲线图

传统的传感器大多结构简单,一个或两个 线圈的组合。如果线圈面积小,对密集筋的分 辨能力会高一些,同时对保护层厚度的测量精 度也会高一些,但探测深度(保护层厚度)较 浅;相反,如果线圈面积大,虽然提升了它对 深度的测量但对密集筋的分辨能力大打折扣。 产生这种问题的原因是:每根钢筋都有各自的 感生磁场,随着钢筋间距的减小,钢筋之间的 感生磁场会发生信号的叠加,如图 3、图 4 所示。

密集筋测量示意图 左A 右B图 3 密集筋测量示意图 左A 右B

针对较密的钢筋排布情况,理论上,传感器线 圈的面积越小,产生的磁场覆盖面积越小,越 具有针对性,对一定厚度范围内的钢筋分辨效果越好(根据经验测试发现,线圈的面积最好 是小于被测钢筋的直径)。然而,当线圈小到一定程度时,随着厚度的增加,其感生信号越 来越弱如图 3-(b),传感器对 保护层的测试 能力明显不足, 仍然会导致分 辨不出钢筋的 准确位置和数 量。同时,由于 传感器结构本 身的固有不足, 其计算分析方 法也受到了很 大的局限性。上述综合因素导致一直未能很好的解决对密集筋的测量问题。

排布不均匀密集筋测量示意图图 4 排布不均匀密集筋测量示意图

4.提高对密集钢筋分辨能力的方法研究

针对前述的问题,我们改良了传感器结构,并配合研制了一种新的测量分析方法。改良 传感器的结构,便于产生不同强度和范围的磁场的种类以及得到当下磁场强度时的测量信 号,从而建立数据模型,参与分析和计算。新的测量方法是利用这种改良之后的传感器结构 测量出的结果,经过分析和大量的数学计算得到最终的测量结果,即钢筋的根数、间距、保 护层厚度。具体内容见下文。

4.1 改进传感器的内部结构,

变成复合式传感器 复合式传感器是由多个传感器组合而成(该复合式传感器已由北京智博联公司审请了专 利 201420353350.1)它的系列产品中内部的结构示意图如图 5~图 8 所示

图 5 传感器结构 1 图 6 传感器结构 2 图7传感器结构3 图 8 传感器结构 4图 5 传感器结构 1 图 6 传感器结构 2 图7传感器结构3 图 8 传感器结构 4

按前述的分析,我们对传感器中的线圈要求是,即尽量缩小其尺寸、又不希望减小其探 测能力。因此,采用这种复合式线圈就达到了这个要求。它的基本原理是将原有的线圈改造 成 N 个小线圈的组合,即减小了每个线圈的面积,又增加传感器总体的测试能力。传感器中 的 N 组不同形状、不同功能的线圈,根据不同的深度测量,配合硬件电路由软件控制启动相 应的组合。图中 A、B 是指尺寸规格不同的线圈,从图中可以看出 A 线圈尺寸较大可以包含 若干个 B 的小尺寸线圈。

4.2 新算法研究。

4.2.1 针对密集筋的根数的判别方法

随着保护层厚度的增加,它的感生信号值随之变化,且有一定的函数关系,信号形态如 图 9 所示。

图 9 单根钢筋感生信号与保护层厚度的关系

单根钢筋能量值与保护层厚度的关系图 10 单根钢筋能量值与保护层厚度的关系

即E=f[D,y,](1) 式中,E为测试信号值;D为钢筋直径; y为传感器到钢筋表面的垂直距离,即保 护层厚度。

单根钢筋感生信号与传感器相对钢 筋位置的变化的曲线,如图 2 所示。该曲 线对应的函数为 E`=[D,y,s] (2) 式中,E`为测得的时实信号值;s 为传感 器位移值;

当 D、y 已知时,对确定的曲线 E` 求积分,算出其信号曲线所占有的面积,用其代表能量值:

D 仍然已知,随着保护层厚度 y 的 不同,P 也会不同。则函数 P`=f[y,p]; 函数形态示意如图 4 所示。

然后,我们再将不同 D 所对应的 P` 函数进行调整,最终的函数为 P`=f[y,p,l,m….];其中 l、m…等都是修正系 数。那么关于直径、厚度、能量三者的 关系现已基本明确。

之所以引入这种能量的设计思路是因为:理论上,用能量守恒的观点,单根钢筋在某个厚度 下的曲线(见图 2)它产生的能量为 P`1;该厚度下两根钢筋时(它的曲线如图 3 所示)能 量为 P`2,P`2 是 P`1 的 2 倍;当有三根钢筋时,能量 P`3 应是 P1 的 3 倍,依次类推。当然, 实验中我们也发现,当钢筋相距很近时,由于相互间的影响很大,有时测得的能量倍数关系 只能接近整数倍,并不是很准确的倍数关系,因此,我们从软件算法上做了调整,通过大量 的实验数据做了一个实际测量的能量标准表用以参照。

但是当钢筋根数较多,且排布很密时,即便有了公式、有了数据表,但由于现场情况较 复杂,用能量的算法推算出的钢筋根数有时会介于两种情况之间,比如,算出的钢筋数量为 4.2,那么,它可能是 4 根,也可能是 5 根甚至 6 根(可能性虽小但仍然有)。此时,我们需 要再借助一个判定条件去做取舍,这个条件参数就是传感器内部的各线圈的中心距,即通过 每个线圈在同一时刻扫出的信号变化以及它们的位置关系参与判断,求得最终的钢筋根数。 例如,当设计的钢筋直径为 10mm,内部传感器中某一组的线圈中心距为 36,测量的信号 曲线图 4 中(c)图所示,中间信号很强、跨度很宽,但又分辨不出明显的峰谷值。此时可启动 其它间距的线圈组合进一步去判断,最后再结合相应的算法分析,得出最终结果。

4.2.2 判断钢筋位置:

按 4.1.2 所述,求出钢筋根数之后,再根据能量去计算钢筋的位置。如图 2、图 3 所示,钢筋的具体位置理论上就是在曲线的峰值点处,即能量值的一半处。我们已知目前极密情况 下的钢筋总数、能量总数,按单位能量一半的原则去找出符合条件的位置即为钢筋所在的位 置。当然,如果实际计算的话,还需要引入诸如传感器线圈中心距、能量修正表等这样的参 数等共同参与判断。

4.2.3 判别密集筋的根数和位置的其它方式(图像判法)

除了上述介绍的密集筋的分析方法以外,还可以用一种比较直观和简单的方法评判出个 别情况下的密筋集存在情况。比如,实际工程中,设计时的钢筋排布一般都是均匀的,且间 距较大,非常容易测到。但由于施工过程中的人为布筋、现浇等原因,钢筋会有移位,导致 图 4 中有梳有密的情况。如果仪器具备图 8 的传感器结构(即多组线圈传感器),多线圈同时 工作,可以针对某个构件区域进行全面积的扫描(如图 11)。然后将该区域的所有信号值通 过拼接成像,直观的显示在屏幕上,如图 12。从图中已知单根钢筋所占的像素(即钢筋粗 细),当两根筋排布较密难以分辨时,我们从图中也可以合理的判断出钢筋的根数和位置。 这种方法虽然简单,但使用场合有局限性,且仪器需要有成像功能。

判别密集筋的根数和位置的方式

5.试验及结果

上述密集筋判断方法已在北京智博联公司的 ZBL-R660一体式钢筋检测仪中得以实现,测试效果比较明显。 并已在很多工程实例中得以使用。实例:

ZBL-R660一体式钢筋检测仪图 13 密集筋检测实例图

密集筋检测实例数据表一:针对图 13 中的实例的实测数据

6.结语

在对密集筋情况的研究基础上,通过重新设计传感器结构及研究相应的算法,我们已经 研究出了对密集钢筋分辨能力强的电磁感应方法,并已在 ZBL-R660 产品中得以实现,测试 效果良好,并已在全国的实际工程检测中得到了验证,该方法虽然较传统方式有了很大的突 破。但仍有如计算量大,在长距离排布深浅不同且很密的情况时、测试仍然会存在偏差的情 况存在。我们也希望在后面的工作中继续研究和改良,继续为无损检测这个行业做出自己的贡献。

ZBL-R660一体式钢筋检测仪

参考文献

[1] 孙立春,郝冬妮,管均. 一种电磁感应法的新应用及研究.工程质量,2014

[2] 中国建筑科学研究院. GB50204-2002(2011 版) 混凝土结构工程施工质量验收规范. 中国建筑工业出版社,2011

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ /T 152-2008 混凝土中钢筋检测技术规程.中国建筑工业出版社,2008

[4] 中国计量科学研究院.JJF 1224-2009 钢筋保护层、楼板厚度测量仪校准规范.中国计量出版社出版,2009

作者简介:郝冬妮 .硕士研究生.高级工程师 从事无损检测技术研究工作。

[关键词]电磁感应法;钢筋位置;保护层厚度;混凝土结构

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