CN112684439A - 一种基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法 - Google Patents

一种基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于土木工程结构无损检测技术领域，提出了一种基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法。首先，利用探地雷达扫描钢筋混凝土构件，从探地雷达3D成像图中识别所有钢筋处反射信号，提取所有钢筋处反射信号的幅值，并利用统计分析建立幅值衰减模型；其次，利用钢筋平面位置和钢筋处衰减率建立锈蚀环境分布图，统计锈蚀环境分布图中处于不同锈蚀等级混凝土面积占比；最后，计算整体结构锈蚀环境指数以对结构锈蚀环境进行定量评级。发展的基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法，对定量评估钢筋混凝土结构在氯离子侵蚀的锈蚀环境中的耐久性和安全性具有重要价值。

Description

一种基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法
技术领域
本发明属于土木工程结构无损检测技术领域，提出了一种基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法。
背景技术
在滨海地区和使用除冰融雪氯盐地区，钢筋混凝土结构在氯离子侵蚀下钢筋锈蚀造成有效截面减小并生成铁锈，铁锈体积的膨胀会造成混凝土的锈胀开裂，钢筋锈蚀产生的病害是降低钢筋混凝土结构耐久性、引起结构破坏的主要原因。氯离子侵蚀形成的锈蚀环境是造成钢筋锈蚀的主要原因，因此定量评估钢筋混凝土结构锈蚀环境对评估结构耐久性和安全性具有重要的工程意义。
探地雷达是评估钢筋混凝土结构质量的一种重要检测方法，具有快速、无损、经济的优点。探地雷达检测是通过发射天线向结构中发射电磁波，电磁波在遇到反射体(如：钢筋和缺损)后反射，由接收天线接收发射的电磁波。通过分析电磁波的反射信号能够提取结构内部的隐蔽信息。现有的探地雷达检测的应用多集中于发射信号的分析以成像结构内部、定位钢筋和隐蔽缺损，尚缺乏基于电磁波信号分析的锈蚀环境定量评估方法。开发基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法，能快速、自动处理探地雷达信号获得衡量钢筋混凝土结构锈蚀环境的定量指标，成为本发明需要解决的问题。
发明内容
本发明旨在提出基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法。其技术方案是：首先，利用探地雷达扫描钢筋混凝土构件，从探地雷达3D成像图中识别所有钢筋处反射信号，提取所有钢筋处反射信号的幅值，并利用统计分析建立幅值衰减模型；其次，利用钢筋平面位置和钢筋处衰减率建立锈蚀环境分布图，统计锈蚀环境分布图中处于不同锈蚀等级混凝土面积占比；最后，计算整体结构锈蚀环境指数以对结构锈蚀环境进行定量评级。
本发明的技术方案：
一种基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法，步骤如下：
步骤一：建立电磁波在钢筋处反射信号幅值和传播时间的衰减关系
利用检测的钢筋混凝土结构内所有钢筋处反射信号的幅值(Aall(x,y))在各传播时间按照90％百分位统计后的数据进行线性拟合获得以下衰减关系：
Afit＝kT+b
式中：T是钢筋处反射信号传播时间，Afit是拟合得到的反射信号幅值，k和b是线性拟合获得的参数；
步骤二：构建锈蚀环境分布图并统计不同锈蚀等级混凝土面积占比
将钢筋混凝土结构内所有钢筋处反射信号的幅值(Aall(x,y))减去拟合得到的反射信号幅值(Afit)以剔除传播距离对信号衰减的影响：
Figure BDA0002814776380000021
式中：x和y是钢筋的平面位置坐标，
Figure BDA0002814776380000022
是剔除传播距离对信号影响后的反射信号幅值。利用修正后的反射信号幅值和钢筋的平面位置坐标既可以绘制锈蚀环境分布图，根据修正后的反射信号幅值按照表1进行不同锈蚀等级混凝土面积占比计算。
表1.锈蚀等级与修正后反射信号幅值(dB)对应关系
Figure BDA0002814776380000023
步骤三：计算钢筋混凝土结构锈蚀环境指数
结合不同锈蚀等级混凝土面积占比和表2中的锈蚀等级与锈蚀环境指数的对应关系计算整体结构的锈蚀环境指数并结合表2进行锈蚀环境定量评级。整体结构的锈蚀环境指数计算公式如下：
Figure BDA0002814776380000031
式中：ci是锈蚀环境指数，其取值见表2，si是不同锈蚀等级混凝土面积占比，i＝1、2、3和4对应的锈蚀等级分别为无、轻微、中等和严重。
表2.锈蚀等级与锈蚀环境指数对应关系
Figure BDA0002814776380000032
本发明的有益效果：基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法，对定量评估钢筋混凝土结构耐久性和安全性具有重要价值。
附图说明
图1是本发明评估方法的流程图。
图2是本发明评估方法提取的钢筋处反射信号幅值和传播时间的对应关系。
图3是本发明评估方法创建的锈蚀环境分布图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
采用一块钢筋混凝土桥板试件的探地雷达数据给出锈蚀环境定量评估结果，以验证本方法的有效性。该桥板试件尺寸为19m长5m宽，设计锈蚀情况为：总体中等锈蚀，在10m至15m之间有严重锈蚀区域。
具体实施方式如下：
(1)利用探地雷达扫描钢筋混凝土构件，从探地雷达3D成像图中识别所有钢筋处反射信号，提取所有钢筋处反射信号的幅值，见图2中黑点所示数据。按照90％百分位统计后的数据进行线性拟合获得衰减关系，见图2中实线。
(2)利用线性拟合公式剔除传播距离对信号衰减的影响，利用修正后的反射信号幅值和钢筋的平面位置坐标可以绘制锈蚀环境分布图，见图3。根据修正后的反射信号幅值按照表1进行不同锈蚀等级混凝土面积占比计算。
(3)结合不同锈蚀等级混凝土面积占比和表2中的锈蚀等级与锈蚀环境指数的对应关系计算整体结构的锈蚀环境指数并结合表2进行锈蚀环境定量评级计算，获得整块桥板的锈蚀环境指数为0.85，锈蚀环境评级为中等偏严重。对比本发明方法的定量计算和评级结果与实际设计的锈蚀环境情况基本一致。

Claims (1)

1.一种基于探地雷达的钢筋混凝土结构锈蚀环境定量评估方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：建立电磁波在钢筋处反射信号幅值和传播时间的衰减关系
利用检测的钢筋混凝土结构内所有钢筋处反射信号的幅值Aall(x,y)在各传播时间按照90％百分位统计后的数据进行线性拟合获得以下衰减关系：
Afit＝kT+b
式中：T是钢筋处反射信号传播时间，Afit是拟合得到的反射信号幅值，k和b是线性拟合获得的参数；
步骤二：构建锈蚀环境分布图并统计不同锈蚀等级混凝土面积占比
将钢筋混凝土结构内所有钢筋处反射信号的幅值Aall(x,y)减去拟合得到的反射信号幅值Afit以剔除传播距离对信号衰减的影响：
Figure FDA0002814776370000011
式中：x和y是钢筋的平面位置坐标，
Figure FDA0002814776370000012
是剔除传播距离对信号影响后的反射信号幅值；利用修正后的反射信号幅值和钢筋的平面位置坐标既绘制锈蚀环境分布图，根据修正后的反射信号幅值按照表1进行不同锈蚀等级混凝土面积占比计算；
表1.锈蚀等级与修正后反射信号幅值dB对应关系
Figure FDA0002814776370000013
步骤三：计算钢筋混凝土结构锈蚀环境指数
结合不同锈蚀等级混凝土面积占比和表2中的锈蚀等级与锈蚀环境指数的对应关系计算整体结构的锈蚀环境指数并结合表2进行锈蚀环境定量评级；整体结构的锈蚀环境指数计算公式如下：
Figure FDA0002814776370000021
式中：ci是锈蚀环境指数，其取值见表2，si是不同锈蚀等级混凝土面积占比，i＝1、2、3和4对应的锈蚀等级分别为无、轻微、中等和严重；
表2.锈蚀等级与锈蚀环境指数对应关系
Figure FDA0002814776370000022
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