水工混凝土钢筋走向检测系统及检测方法与流程

本发明涉及钢筋走向检测系统及方法，具体涉及一种水工混凝土钢筋走向检测系统及检测方法。

背景技术：

钢筋走向是一种重要的钢筋混凝土参数，其走向直接关系钢筋的受力从而影响钢筋混凝土结构的强度。常规混凝土结构钢筋大都横平竖直规则布置，但是水工混凝土存在不少复杂结构，如：压力管道外混凝土、蜗壳外混凝土以及弧形闸门支铰处混凝土，其受力钢筋成弧形或扇形布置，这些复杂水工混凝土结构中受力钢筋的走向直接关系该混凝土结构的强度，在施工以及长期服役复杂环境影响下钢筋方向是否满足规范要求对于混凝土结构安全尤为重要。

目前工程中多用钢筋检测仪测混凝土钢筋参数，但是在检测过程中存在一些限制，如需预先知道钢筋直径、需人工操作，很难应对水工混凝土实际检测中钢筋直径未知及高空作业的工况，目前的检测方法限制性多，检测效率和精度低。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种水工混凝土钢筋走向检测系统及检测方法，解决现有钢筋检测限制条件多，检测效率和精度低的问题。

技术方案：本发明所述的水工混凝土钢筋走向检测系统，包括检测装置，控制模块和计算模块，所述检测装置包括探地雷达，所述探地雷达前后通过机械臂连接爬壁机器人，所述爬壁机器人包括主体，所述主体上设置有吸盘机构，所述主体两侧设置有驱动轮机构，所述主体前端设置有机械腿机构，所述主体上还设置有gps装置、超声测距装置和吸压装置。

便于搭载，所述探地雷达为主机天线一体式可无线传输数据的雷达。

使得检测成果更加直观，所述控制模块包括传感器数据采集模块和运动吸附控制模块。

所述计算模块包括雷达数据分析模块和三维可视化模块。

所述的水工混凝土钢筋走向检测系统的检测方法，包括以下步骤：

(1)制备钢筋混凝土试件，搭建试验模块，以确定混凝土钢筋走向的反演模型；

(2)安置检测装置于大坝现场待测混凝土上，通过控制模块设置爬壁机器人的吸附力及速度和方向，使搭载在其中间的雷达以一定的速度按照既定路线开始发射并采集雷达信号；

(3)根据检测装置中雷达无线传输的数据以及试验模块所得到的钢筋走向模型，计算模块中的雷达数据分析模块计算出每个单测点的钢筋走向，在此基础上，结合相应的控制模块所采集的定位信息，三维可视化模型最终将大坝各个位置的钢筋走向数据在三维模型图上展示出来。

其中，所述步骤(1)具体包括以下步骤：

(1)制备多个钢筋混凝土试件，其原材料及配合比与待测混凝土结构一致，在不同试件中埋设不同走向的钢筋；

(2)通过控制模块调控检测装置中的爬壁机器人搭载探地雷达以一定的速度在试件表面匀速移动，发射并采集雷达信号；

(3)计算模块根据无线传输所得到的雷达图像计算弧顶曲率；

(4)根据不同钢筋走向以及与之对应的弧顶曲率这组数据，进行函数拟合，以确定钢筋走向和弧顶曲率之间的函数关系式。

有益效果：本发明的基于探地雷达爬壁机器人，充分考虑了水工混凝土结构存在大面积临空面、拐角等复杂特性，保证检测装置的越障功能，结合爬壁机器人的机械性能及雷达检测技术，实现了适用于大体积水工混凝土结构水面上任何位置钢筋走向的无损检测，避免了人工高空作业的安全风险，大大提高了检测效率，实施方便、计算快速、完全无损，满足实际工程检测的需要。

附图说明

图1为本发明检测系统的结构图；

图2为本发明检测装置的结构示意图；

图3为本发明混凝土试件钢筋布置图；

图4为本发明钢筋雷达图像弧顶曲率的计算流程图；

图5为本发明钢筋走向即钢筋测线夹角和弧顶曲率的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明系统包含用于获得钢筋走向反演模型的试验模块、基于改进爬壁机器人及探地雷达的检测装置、用于控制检测装置运动及吸附状态的控制模块、用于分析雷达数据并计算钢筋走向的计算模块。

如图3所示，试验模块包含混凝土试件18，混凝土试件18原材料及配合比与待测混凝土结构一致，试件18中埋设不同走向的钢筋16；检测装置中爬壁机器人1及探地雷达2参数与检测系统中检测装置一致，且均保持同样速度测量。这样确保试验模块测量计算所得的钢筋走向反演模型可以适用于待测水工混凝土结构。

如图2所示，本发明检测系统的检测装置包含两个爬壁机器人1以及位于中间的探地雷达2，爬壁机器人1包含主板13、吸盘机构3、驱动轮机构4、机械腿机构5及gps装置10、超声测距装置9、吸压装置8等传感器机构；探地雷达2为天线主机一体式，可无线传输数据；探地雷达2和爬壁机器人1通过机械臂12及转轴11连接。爬壁机器人1靠驱动轮机构4、机械腿机构5共同协调移动，无障碍时，驱动轮4前行，吸盘机构3保证机器人1吸附于结构面上；遇到拐角等障碍需要越过时，机械腿5伸开，其前端三角吸盘6吸附于混凝土表面，协助机器人挪动，可实现越障功能。

控制模块设置于控制芯片14中，该控制芯片14可以直接通过usb插口连接在便携式计算机15上，控制模块包含传感器数据采集模块及机器人运动、吸附控制模块，检测装置中gps10、超声测距9、吸压传感器8所采集的信息可以无线传输到控制控制芯片14里，从而上传到计算机15，结合检测要求，计算机15发出指令通过控制芯片14无线传输到爬壁机器人1中的主板13，从而控制机器人的运动方向、速度、吸盘吸力，以确保机器人安全地按照指定路线以设定的速度移动来进行检测。

计算模块设置于便携式计算机15上，包含雷达数据分析模块和三维可视化模块，根据检测装置中探地雷达2的雷达信号、控制模块采集的gps定位信息以及试验模块得到的钢筋走向反演模型确定大坝各位置的钢筋走向，储存于数据库并以三维图像显示出来。

实施例：本发明水工混凝土钢筋走向检测系统的检测方法，其实现过程具体步骤如下：

(1)先浇筑钢筋混凝土试件18，如图3所示，其中配合比和待测钢筋混凝土结构一致。采用425水泥，混凝土强度为c30，配合比(kg/m³)为，水泥：水：砂：碎石＝429：185：536：1250(1：0.43：1.25：2.91)。制作4个试件13(编号为a、b、c、d)，其尺寸均为长×宽×高＝120cm×40cm×15cm；每个试件13沿测线15方向依次埋设φ12、φ16、φ20三根平行等距的钢筋14(编号i、ii、iii)；与测线15分别呈90°、60°、45°和30°夹角。

(2)装载好检测装置，并置于试件18上，启动控制模块来调控其爬壁机器人1的速度、吸附力、方向，使得探地雷达以一定的速度在试件表面匀速运动，发射并采集雷达信号，每个试件均如此进行三次测量。

(3)计算模块根据检测装置无线传输所得到的雷达图像，计算弧顶曲率，其具体的计算流程见图4。计算所得曲率值见表1。

表1试件弧顶曲率计算结果

(4)最后根据上述数据确定钢筋走向、弧顶曲率的函数关系式。由于在天线速度一定的情况下，曲率只受夹角的影响。根据表1的试验计算数据，此外，钢筋和测线同向(夹角为0°)时弧顶曲率为0，得到图5所示钢筋测线夹角与曲率的关系线，该关系线可拟合为一条四次多项式函数过程线。该拟合函数的表达式为：

y＝-2494211379.253x⁴+117418127.508x³-1830731.322x²+14054.485x

式中：x为曲率，y为钢筋和测线的夹角。

(5)安置检测装置于大坝现场待测混凝土上，通过控制模块设置爬壁机器人的吸附力及速度和方向，使搭载在其中间的雷达以一定的速度按照既定路线开始发射并采集雷达信号。在移动过程中，控制模块根据爬壁机器人1上gps10、吸附压力8、测距避障9等传感器所无线传输的信息进行实时调整，以确保检测装置可以安全稳定地按照预想方向进行探测。若爬壁机器人1行驶路线无障碍时，驱动轮4前行，吸盘机构3保证机器人1吸附于结构面上；若遇到拐角等障碍需要越过时，机械腿5伸开，其前端三角吸盘6吸附于混凝土表面，协助机器人挪动，以实现越障。

(6)根据检测装置中雷达无线传输的数据以及步骤(4)所得到的钢筋走向模型，计算模块中的雷达数据分析模块计算出每个单测点的钢筋走向，在此基础上，结合相应的控制模块所采集的定位信息，三维可视化模型最终将大坝各个位置的钢筋走向数据在三维模型图上展示出来。