CN108981557B - 一种同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法 - Google Patents

一种同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法，本发明结合探地雷达和电磁感应技术，过程包括：(1)沿垂直钢筋走向方向提取探地雷达B扫剖面图；(2)根据剖面图提取边缘顶点处坐标与双程走时，准确定位钢筋位置，依此提取钢筋的电磁感应曲线，并估算钢筋保护层厚度；(3)将提取的电磁感应曲线与感应线圈标定数据进行最小二乘法拟合，以探地雷达数据估算的钢筋保护层厚度作为先验限定条件，同时反演算出待测钢筋的直径与保护层厚度。本发明充分结合探地雷达和电磁感应两种无损检测技术的优势，能在没有先验信息的条件下精确测量混凝土中钢筋的直径、保护层厚度和间距等几何信息，具有广阔的应用前景。

Description

一种同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法
技术领域
本发明涉及混凝土结构检测和鉴定技术领域，具体涉及一种同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法。
背景技术
目前，针对建筑工程中混凝土结构的检测技术，包括传统的有损检测方法与无损检测新技术，传统的检测方法有拔出法、钻芯法等，但这些常规方法有检测结果代表性有限、易漏掉不良区段、内部隐患无法排查以及具有破坏性等缺点。因此，无损检测技术作为工程建设中的质量控制和灾后结构安全评估的一种分析手段，其重要性日益显现。常用的无损检测技术主要有回弹法、超声回弹综合法、红外线法、射线检测法、电磁感应法、探地雷达法、涡流检测等，其中电磁感应检测法和探地雷达技术因成本较低、采集速度快、分辨率高、图像简单易懂的特点，现已成为了建筑工程质量检测中最主要的手段。
在钢筋混凝土结构中，钢筋直径及保护层厚度是主要检测对象。目前国内大多采用钢筋扫描仪检测混凝土保护层厚度、钢筋间距及位置等。现有的钢筋扫描仪利用电磁感应原理实现对金属物的探测，基于标定数据能够在已知待测钢筋直径或保护层厚度的前提下测量另一项，存在条件依赖以及操作过程繁琐等问题。并且，由于混凝土结构为非均匀介质，其介电常数只能近似估计。因此，采用探地雷达检测方法估算钢筋直径与保护层厚度，误差较大。
发明内容
本发明主要目的在于充分发挥探地雷达和电磁感应两者方法的优势，在没有任何先验信息的条件下同时测量混凝土内钢筋直径和保护层厚度，提高检测精度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法，包括下述步骤：
S1、收集初始信号，获取测定区域的探地雷达B扫剖面图；
S2、信号预处理，提取步骤S1中获取的B扫剖面图的边缘顶点处坐标与双程走时，通过边缘顶点处坐标来定位混凝土钢筋位置；
S3、根据步骤S2定位的钢筋位置，提取电磁感应线圈在步骤S1所述的测定区域混凝土钢筋的电磁感应曲线；
S4、根据步骤S2得到的边缘顶点处双程走时，估算混凝土钢筋保护层厚度；
S5、将步骤S3提取到的电磁感应曲线与感应线圈标定数据进行最小二乘法拟合运算，得到误差分析结果；
S6、将步骤S4估算的混凝土钢筋保护层厚度作为限定条件代入，执行步骤S5中的最小二乘法拟合运算，得到误差最小值，所述误差最小值对应的标定数据的钢筋直径和保护层厚度就是待测混凝土钢筋的直径和保护层厚度。
作为优选的技术方案，在步骤S1中,获取测定区域的探地雷达B扫剖面图时，是沿垂直钢筋走向进行扫描的；
在步骤S3中，提取的测定区域混凝土钢筋的电磁感应曲线，同样是沿垂直钢筋走向进行提取的。
作为优选的技术方案，在步骤S4中，所述估算混凝土钢筋保护层厚度的计算公式是：
Figure BDA0001790198120000031
其中c为光在真空中的传播速度，εr为混凝土的介电常数，t0为电磁波在混凝土结构表面到钢筋表面的双程走时，混凝土的介电常数取值范围在5-10之间。
作为优选的技术方案，所述步骤S3中，还包括下述步骤：
根据提取的电磁感应曲线，判断测定区域中的测定物是否为金属，如是金属，则执行下一步骤，如不是金属，则标定为非金属目标。
作为优选的技术方案，所述步骤S5中，还包括下述步骤：
获取钢筋样本的标定数据，所述标定数据为不同公称直径钢筋在不同保护层厚度下的感应线圈的感应曲线，其中保护层厚度以1mm步进。
作为优选的技术方案，所述的最小二乘法拟合运算的公式是：
Figure BDA0001790198120000032
其中，gi,j(x)为标定的感应线圈的感应曲线，i和j分别是钢筋直径规格编号和标定的保护层厚度序号，f(x)为现场被测钢筋的感应曲线，l为钢筋实测感应曲线的有效长度，MSE(i,j)为现场被测钢筋的感应曲线与标定数据间的均方误差。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明充分结合探地雷达和电磁感应两种无损检测技术的优势，能在没有先验信息的条件下精确测量混凝土中钢筋的直径、保护层厚度和间距等几何信息，且能提高准确度。
附图说明
图1是本发明一种同时测定混凝土钢筋直径和保护层厚度检测方法的流程图
图2是探地雷达B扫剖面图
图3是感应线圈的感应曲线图
图4是探地雷达B扫剖面提取边缘与顶点图
图5是待测钢筋感应曲线与所有标定数据的误差分析结果图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例是一种同时测定混凝土钢筋直径和保护层厚度检测方法，具体包括下述步骤：
S1、收集初始信号，获取测定区域的探地雷达B扫剖面图，其中B扫是对某一截面内的雷达信号以灰度的形式显示在二维平面内，横坐标代表探地雷达的位移方向，纵坐标代表电磁波遇物体反射传播的时间(即双程走时)，具体B扫剖面图如图2所示。
S2、进行信号预处理，提取步骤S1中获取的B扫剖面图的边缘顶点处坐标与双程走时，通过边缘顶点处坐标来定位混凝土钢筋位置，具体的探地雷达B扫剖面提取边缘与顶点图如图4所示，坐标0.2m、0.4m和0.6m处就是钢筋所在位置；
S3、根据步骤S2定位的钢筋位置，提取电磁感应线圈在该测定区域混凝土钢筋的电磁感应曲线，电磁感应曲线如图3所示；如果判定为金属，则执行下一步操作；若判定为非金属，则定义为非金属目标，结束操作；
S4、根据步骤S2得到的双程走时，估算混凝土钢筋保护层厚度；
保护层厚度的计算公式为：
Figure BDA0001790198120000051
其中c为光在真空中的传播速度，εr为混凝土的介电常数，t0为电磁波在混凝土结构表面到钢筋表面的双程走时。混凝土的介电常数取值范围在5-10之间，以图2、图3与图4中②号钢筋估计为例，待测钢筋直径为14mm，保护层厚度为35mm，t0提取时间为615.2ps，根据公式计算得保护层厚度d0的大致范围为32mm-40mm。
S5、将步骤S3提取的电磁感应曲线与感应线圈标定数据进行最小二乘法拟合误差分析，得到误差分析结果；
电磁感应曲线与标定数据进行最小二乘法拟合误差运算前，步骤还包括：
获取钢筋样本的标定数据，依据标准《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》GB/T 1499.2-2018，直径为公称直径，标定数据为不同直径钢筋在不同保护层厚度下的感应线圈的感应曲线，其中保护层厚度以1mm步进；
将提取的电磁感应曲线与感应线圈标定数据进行最小二乘法拟合，得到误差分析结果，公式如下所示：
Figure BDA0001790198120000061
其中，gi,j(x)为标定的感应线圈的感应曲线，i和j分别是钢筋直径规格编号和标定的保护层厚度序号，f(x)为现场被测钢筋的感应曲线，l为钢筋实测感应曲线的有效长度，MSE(i,j)为现场被测钢筋的感应曲线与标定数据间的均方误差；
根据上述公式计算的均方误差表可以画一个可能存在多个极小值的二维误差等高线图，理想条件下可根据误差最小值同时估计钢筋的直径和保护层厚度。误差最小值对应的标定数据的钢筋直径和保护层厚度就是待测混凝土钢筋的直径和保护层厚度，然而由于噪声和干扰的存在，使用误差最小值可能错误地估计钢筋直径和保护层厚度，因此可将由探地雷达B扫剖面中提取的顶点处双程走时粗略估计得到的钢筋保护层厚度作为限定条件，获取全局最优解，提高钢筋直径和保护层厚度的检测精度。
S6、将步骤S4估算的混凝土钢筋保护层厚度作为限定条件代入，执行步骤S5中的最小二乘法拟合运算，得到误差最小值，误差最小值对应的标定数据的钢筋直径和保护层厚度就是待测混凝土钢筋的直径和保护层厚度，具体分析结果如图5所示。
将②号钢筋的实测感应曲线与标定数据进行最小二乘法拟合，得到待测钢筋感应曲线与所有标定数据的误差分析结果图如图5所示，根据最小误差位置估算钢筋直径和保护层厚度为图中圆形标识点所示。由图可知，没有探地雷达数据粗略估计得到的钢筋保护层厚度作为先验限定条件，直接估计的钢筋直径与保护层厚度分别为10mm与23mm，与实际钢筋直径与保护层厚度存在较大误差。
结合探地雷达数据粗略估计得到的钢筋保护层厚度作为先验限定条件，结果如图5所示，其中黑线为探地雷达数据估计得到的钢筋保护层厚度范围。由黑线限定区域中误差最小值，估计钢筋直径与保护层厚度分别为14mm与35mm，结果精确，表明本发明公开的方法能够充分利用探地雷达和电磁感应两种无损检测方法的优势，提高混凝土内钢筋无损检测的精度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、收集初始信号，获取测定区域的探地雷达B扫剖面图；
S2、信号预处理，提取步骤S1中获取的B扫剖面图的边缘顶点处坐标与双程走时，通过边缘顶点处坐标来定位混凝土钢筋位置；
S3、根据步骤S2定位的钢筋位置，提取电磁感应线圈在步骤S1所述的测定区域混凝土钢筋的电磁感应曲线；
S4、根据步骤S2得到的边缘顶点处双程走时，估算混凝土钢筋保护层厚度；
S5、将步骤S3提取到的电磁感应曲线与感应线圈标定数据进行最小二乘法拟合运算，得到误差分析结果；
S6、将步骤S4估算的混凝土钢筋保护层厚度作为限定条件代入，执行步骤S5中的最小二乘法拟合运算，得到误差最小值，所述误差最小值对应的标定数据的钢筋直径和保护层厚度就是待测混凝土钢筋的直径和保护层厚度；
所述的最小二乘法拟合运算的公式是：
Figure FDA0002427880590000011
其中，gi,j(x)为标定的感应线圈的感应曲线，i和j分别是钢筋直径规格编号和标定的保护层厚度序号，f(x)为现场被测钢筋的感应曲线，l为钢筋实测感应曲线的有效长度，MSE(i,j)为现场被测钢筋的感应曲线与标定数据间的均方误差。
2.根据权利要求1所述的同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法，其特征在于，在步骤S1中,获取测定区域的探地雷达B扫剖面图时，是沿垂直钢筋走向进行扫描的；
在步骤S3中，提取的测定区域混凝土钢筋的电磁感应曲线，同样是沿垂直钢筋走向进行提取的。
3.根据权利要求1或2所述的同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法，其特征在于，在步骤S4中，所述估算混凝土钢筋保护层厚度的计算公式是：
Figure FDA0002427880590000021
其中c为光在真空中的传播速度，εr为混凝土的介电常数，t0为电磁波在混凝土结构表面到钢筋表面的双程走时，混凝土的介电常数取值范围在5-10之间。
4.根据权利要求1所述的同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括下述步骤：
根据提取的电磁感应曲线，判断测定区域中的测定物是否为金属，如是金属，则执行下一步骤，如不是金属，则标定为非金属目标。
5.根据权利要求1所述同时测定混凝土中钢筋直径及其保护层厚度的检测方法，其特征在于，所述步骤S5中，还包括下述步骤：
获取钢筋样本的标定数据，所述标定数据为不同公称直径钢筋在不同保护层厚度下的感应线圈的感应曲线，其中保护层厚度以1mm步进。
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