CN110823926A - 基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点质量检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点质量检测方法，属于钢筋混凝土结构施工技术领域，目的在于通过研究雷达图像单道波形对应的振幅参数值，得出一种基于振幅属性规律的识别方法。步骤包括：针对复杂钢板剪力墙节点这个特殊检测对象设置参数；根据最佳扫描效果的要求布置测线，控制雷达天线移动速度；使用MATLAB编程对提取的这幅数值进一步处理分析，根据能量区间和方差区间的交集确定目标体的几何特性，根据交集区域上所有振幅绝对值之和确定目标体介电属性；根据目标体的几何特性和介电属性得出钢板剪力墙复杂节点施工质量的评估指标。本发明具有探测简单高效、操作便捷、节约成本、识别准确、无损伤无污染等优点。

Description

基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点质量检测方法

技术领域

本发明属于钢筋混凝土结构施工技术领域，具体涉及一种基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点施工质量检测方法。

背景技术

钢板剪力墙节点作为超高层建筑结构中的复杂节点，其受力和配筋都较为复杂，且此类节点的配筋情况和现场施工时混凝土的浇筑效果将对其在设计使用年限内是否具有良好的功能状态有较大的影响。在超高层建筑结构中，复杂节点较多而且各节点受力和配筋情况不同，故对于已浇筑完成的重要的复杂节点而言，检测其内部的实际配筋情况和混凝土的浇筑效果比较困难。为了得到结构复杂节点内部的准确信息，采用探地雷达对已浇筑完成的重要复杂节点进行无损检测。

雷达法是一种常规的地球物理检测方法，天线发射的电磁波在混凝土构件中传播，根据不同物质的介电常数差异可探测混凝土结构构件中钢筋的位置、保护层的厚度以及脱空、不密实等缺陷。首先经雷达发射天线向混凝土发射电磁波，当电磁波遇到电磁性质差异的界面时，将产生反射电磁波，后经接收天线接收此反射电磁波可得到相应的雷达剖面图像和雷达波形图，利用连续多点采样的波形图可得知混凝土内部存在的缺陷性状或钢筋位置等。当混凝土构件内部介质的电磁性质差异越大，产生的反射波信号就越强，检测效果越好。在评价混凝土质量时不能仅限于使用强度指标，还需要考虑钢筋情况、混凝土衬砌厚度、密实度、脱空等因素，综合全面地评价混凝土的衬砌质量和施工质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点施工质量检测方法，该方法通过研究雷达图像单道波形对应的振幅参数值，得出一种基于振幅属性规律的识别方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点质量检测方法，包括如下步骤：

第一步，采用1700Hz的雷达天线，介电常数设置为7，时窗选择10ns，采样点数设置为512，选择测距模式扫描，测距轮之间60mm，增益参数设置为20，叠加选择为8，道间距为5mm，选择连续保存；

第二步，在待探测节点区域分别沿水平方向和竖直方向布置间距为5-10cm的测线，测线长度不小于1m，雷达天线沿着测线匀速移动测试，移动速度为0.2m/s；

第三步，测试完成后，将雷达原始数据进行处理，处理后，提取其全部时间范围内所有单道波对应的振幅数值，使用MATLAB编程对提取的振幅数值进一步处理分析，得到节点内部钢板、钢筋、空鼓和不密实四种反射回波在基于振幅属性上的目标区域能量和方差的选取区间，能量是指雷达数据矩阵当中单列数据的平方和；方差是指雷达数据矩阵当中单行数据的方差；根据能量区间和方差区间的交集确定目标体的几何特性，根据交集区域上所有振幅绝对值之和确定目标体的介电属性；

第四步，根据目标体的几何特性和介电属性，得出钢板剪力墙复杂节点施工质量的评估指标，并以此作为依据评估复杂节点施工质量。

第三步中所述提取全部时间范围内的振幅数值，先计算每一道所有采样点上所有振幅值的平方和，单道波形所有采样点上振幅平方和代表该道雷达回波的能量，单道波能量值越高表示该道波传播时穿过的介质越不均匀，被反射/折射的程度越大，反射波强度越大；然后计算全部时间范围内所有单道波在同一采样点水平方向的方差，差值越大，代表此采样点上的振幅值有较大的离散程度，表示这一深度上介质的不均匀程度，方差越大此深度上的介质越不均匀。

多次检测结果提炼出大范围适用于钢板剪力墙复杂节点的施工质量评估标准，便于此项检测技术的使用和推广。

本发明的有益效果如下：

1. 本发明提取雷达图像全部时间范围内所有单道回波的振幅值，并通过使用MATLAB编程分析其能量和方差可以获得钢板剪力墙复杂节点内配筋数量、钢筋间距、钢筋直径、钢板厚度和数量以及是否存在浇筑不密实等信息，为评估复杂钢板剪力墙节点施工质量给出科学依据。

2. 本发明针对钢板剪力墙复杂节点这个特殊对象给出了准确具体的重要测量参数，扫描时按照此参数设置和操作能够获得具有更高质量更全面的雷达数据。

3. 本发明基于MATLAB对振幅的处理分析结果，总结归纳出大范围适用于钢板剪力墙复杂节点的施工质量评估标准，为以后该工程领域的质量检测工作提供依据。

4. 本发明具有探测简单高效、操作便捷、节约成本、识别准确、无损伤无污染等优点，在检测复杂钢板剪力墙节点施工质量中有较高的使用价值和推广前景。

附图说明

图1为本发明检测方法的流程图；

图2为本发明的原始雷达数据图；

图3为本发明经过处理后的雷达数据图；

图4为本发明的目标体反射单道波形图；

图5为本发明全部时间范围内单道回波振幅数值图。

具体实施方式

一种基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点质量检测方法，包括如下步骤：

第一步，采用1700MHz的雷达天线，介电常数设置为7，时窗选择10ns，采样点数设置为512，选择测距模式扫描，测距轮之间60mm，增益参数设置为20，叠加选择为8，道间距为5mm，选择连续保存；

第二步，在待探测节点区域分别沿水平方向和竖直方向布置间距为5-10cm的测线，测线长度不小于1m，雷达天线沿着测线匀速移动测试，移动速度为0.2m/s；

第三步，测试完成后，将雷达原始数据进行处理，处理后，提取其全部时间范围内所有单道波对应的振幅数值，使用MATLAB编程对提取的振幅数值进一步处理分析，得到节点内部钢板、钢筋、空鼓和不密实四种反射回波在基于振幅属性上的目标区域能量和方差的选取区间，能量是指雷达数据矩阵当中单列数据的平方和；方差是指雷达数据矩阵当中单行数据的方差；根据能量区间和方差区间的交集确定目标体的几何特性，根据交集区域上所有振幅绝对值之和确定目标体的介电属性；

第四步，根据目标体的几何特性和介电属性，得出钢板剪力墙复杂节点施工质量的评估指标，并以此作为依据评估复杂节点施工质量。

第三步中所述提取全部时间范围内的振幅数值，先计算每一道所有采样点上所有振幅值的平方和，单道波形所有采样点上振幅平方和代表该道雷达回波的能量，单道波能量值越高表示该道波传播时穿过的介质越不均匀，被反射/折射的程度越大，反射波强度越大；然后计算全部时间范围内所有单道波在同一采样点水平方向的方差，差值越大，代表此采样点上的振幅值有较大的离散程度，表示这一深度上介质的不均匀程度，方差越大此深度上的介质越不均匀。

实施例

首先对复杂钢板剪力墙节点表面进行除尘去污处理，将墙体表面不平整的残留异物入浇筑残渣、钢筋接头等清理干净，保证测线范围内的平整度，避免影响雷达天线的平稳移动。

在待探测节点区域分别沿水平方向和竖直方向布置间隔为10cm的测线。

将电源连到节点检测场地，给电脑供电保证电脑一直处于可工作状态。

将已充满电的锂电池与控制单元相连接，雷达天线和控制单元进行有线连接，控制单元与电脑主机无线连接，并检测连接状况是否良好，完成整套探测设备的连接工作。

打开已安装于电脑上的GeoScan32扫描软件，在进行探测前先检查设备的工作状态是否正常，在检查完毕之后开始设置测量参数。

由于钢板剪力墙厚度一般不超过700mm，选择1700MHz的雷达天线具有更高的分辨率能够有更清晰准确地识别节点内部信息。

钢筋混凝土的介电常数为6-8，在实际扫描时设置探测目标体的介电常数为7。道间距取5mm。

对于墙体侧面的测量，由于墙体的厚度方向有间距不定的钢板，钢板介电常数无穷大，电磁波无法穿透，故在探测墙体侧面时也不用设置太大的时窗参数，同时考虑墙体探测厚度和探测精度，墙体正面、背面和侧面探测时的时窗均选择10ns。

在确定时窗参数之后，根据雷达图像精度要求和电磁波传播特性，设置雷达采样点数为512。

叠加设置为8可以识别节点内部更多的细微的裂缝和较小的空鼓。

为使得探测能够具有较高的探测精度和识别效果，先任选一条测线进行初次探测，并及时对扫描所得的雷达图像和波形进行预处理，预估探测效果，并根据初探结果的分析适当调整测量参数。

做好上述准备工作之后正式开始按照预定探测方案进行探测，探测时保持雷达天线沿测线缓慢匀速移动，每完成一条测线的扫描及时查看电脑中显示的雷达图像，如存在较明显的人为操作误差或较严重的干扰信号，需在排出这些因素之后重新对测量。

原始雷达图像处理包括以下步骤：

（1）图像水平距离校正，调出波形属性对话框，在距离起始点的信号位置处输入实际测量所得的真实距离，先后点击位置重置和计算位置，然后点击应用并确定；

（2）单道波形零点位置校正，调出波形属性对话框，点击pp即可；

（3）将校正后的波形进行去除空气层处理，选取首波振幅值最大的点，即第一个波峰，选取点上部即为空气层，点击编辑，选择切除上部信号即可；

（4）重新设置图像起始点位置，调出文件标头对话框，将天线基座设置为1，图像起始位置设为0；

（5）对图像进行去失真处理，抽取平均道，在整个时间范围内，对每道的每个值做滑动平均计算，并从实际数值中减去该滑动平均值以去除深部信号的振幅偏移；

（6）对经过去失真处理的图像进行增益处理，拉动增益条，同时观察雷达图像的变化情况，得出最佳增益值；

（7）均差相减处理，同时减去每一道波形相同采样点上的均值，减少所有波形携带的能量，同时又不影响到波形中的方差信息；

（8）平滑处理，对能量较大的部分道数波形进行抑噪处理。

对经上述处理之后的雷达数据进一步处理分析，推断出异常反射区域的几何特性和介电属性。

采用MATLAB编程处理振幅值的步骤如下：

（1）对已处理完成的雷达图像提取其所有道数的波形振幅数据；

（2）对提取出的波形振幅数据，计算出每一道的能量和所有道间同一采样点处的方差；

（3）采用概率分布函数分别找出步骤（2）中能量和方差较大数值分布的一个确定区间，钢板的归一化能量区间为（0.80,1），钢筋的归一化能量区间为（0.82,1），空鼓的归一化能量区间为（0.76,1），不密实区的归一化能量区间为（0.64,1）；钢板的归一化方差区间为（0.81,1），钢筋的归一化方差区间为（0.84,1），空鼓的归一化方差区间为（0.73,1），不密实区的归一化方差区间为（0.59,1）。

（4）根据步骤（3）中确定的能量值较大区间和方差较大区间，筛选出能量区间对应的列和方差区间对应的行，并找出它们交集上所有的波形振幅数据，两者的交集即为反射异常区域；

（5）求出步骤（4）中已确定的能量区间和方差区间交集上所有振幅绝对值的总和；

（6）根据步骤（5）中求出异常区域上振幅绝对值总和推断该异常区域的介电性质，再结合该区域的埋置深度和节点配筋图定性得出该异常区域的属性。

基于MATLAB对振幅的处理分析结果，总结归纳出大范围适用于钢板剪力墙复杂节点的施工质量评估标准，为以后该工程领域的质量检测工作提供依据。

Claims (2)

1.一种基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点质量检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，采用1700Hz的雷达天线，介电常数设置为7，时窗选择10ns，采样点数设置为512，选择测距模式扫描，测距轮之间60mm，增益参数设置为20，叠加选择为8，道间距为5mm，选择连续保存；

第二步，在待探测节点区域分别沿水平方向和竖直方向布置间距为5-10cm的测线，测线长度不小于1m，雷达天线沿着测线匀速移动测试，移动速度为0.2m/s；

第三步，测试完成后，将雷达原始数据进行处理，处理后，提取其全部时间范围内所有单道波对应的振幅数值，使用MATLAB编程对提取的振幅数值进一步处理分析，得到节点内部钢板、钢筋、空鼓和不密实四种反射回波在基于振幅属性上的目标区域能量和方差的选取区间，能量是指雷达数据矩阵当中单列数据的平方和；方差是指雷达数据矩阵当中单行数据的方差；根据能量区间和方差区间的交集确定目标体的几何特性，根据交集区域上所有振幅绝对值之和确定目标体的介电属性；

第四步，根据目标体的几何特性和介电属性，得出钢板剪力墙复杂节点施工质量的评估指标，并以此作为依据评估复杂节点施工质量。

2.根据权利要求1所述的一种基于探地雷达扫描的复杂钢板剪力墙节点质量检测方法，其特征在于：第三步中所述提取全部时间范围内的振幅数值，先计算每一道所有采样点上所有振幅值的平方和，单道波形所有采样点上振幅平方和代表该道雷达回波的能量，单道波能量值越高表示该道波传播时穿过的介质越不均匀，被反射/折射的程度越大，反射波强度越大；然后计算全部时间范围内所有单道波在同一采样点水平方向的方差，差值越大，代表此采样点上的振幅值有较大的离散程度，表示这一深度上介质的不均匀程度，方差越大此深度上的介质越不均匀。

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