专利名称：一种剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法
技术领域：
本发明涉及一种剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法。
背景技术：
后张法预应力混凝土梁由于具有跨度长、重量轻等优点，近年来在高速公路桥梁建设中得到了广泛的应用。预应力混凝土的所有优势都是建立在预应力筋与混凝土黏结完好的基础上的，孔道压浆的主要作用就是为预应力筋和周围混凝土之间提供可靠的黏结力，确保混凝土与预应力筋协同工作，传递预应力及保护预应力筋免受腐蚀。由于在压浆工艺及技术原因容易导致波纹管内存在不密实，使得压浆管道局部出现大片空洞，预应力筋极易受空气、水和其它腐蚀性物质侵入，同时，金属材料在高应力状态下，锈蚀速度很快，这些因素都会对预应力筋结构的耐久性造成影响，因此，预应力混凝土桥梁中的钢绞线能否长期发挥其有效预应力的作用，波纹管的注浆质量及其密实度情况尤为关键。管道压浆工艺是预应力施工中的一道隐蔽工程，施工中先将波纹管外梁板的主体结构浇筑完毕，在梁体达到设计规定的强度要求后张拉预应力筋，最后对预留管道进行注浆并在完成压浆饱满后封端。压浆饱满的预应力孔道，能够使预应力筋与其周围的混凝土凝结为一个整体，对应预力筋起到很好的保护作用，使其免受外界空气、水和其他腐蚀物的侵蚀。实际施工过程中，由于注浆技术和工艺问题，造成预留孔道压浆不饱满的原因很多，波纹管接头、中部和穿束堵孔等都使得预留孔道注浆不饱满而形成空洞，或者由于水灰配比不当使得水分被吸收后在管道内留有蜂窝状空洞，这些空洞是导致预应力筋锈蚀或者绣断的主要原因。一旦预应力筋遭到破坏，就会影响桥梁的耐久性与安全性，而且，在压浆质量存在缺陷的情况下，会使混凝土应力集中从而对桥梁的设计受力状态造成破坏，天长日久，容易引起预应力的缺失，进而影响桥梁的使用寿命，因此，对预应力管道的压浆质量检测势在必行。但是，对于钢筋混凝土质量检测还没有一种科学有效的检测方法，一方面由于预应力梁本身结构的复杂性，另一方面原因在于一般工程应用的处理方式满足不了对钢筋混凝土复杂结构检测数据的处理需求。地质雷达是近年来新兴起来的利用电磁波作为探测手段的无损检测技术，由于其具有重量轻、操作快速、简单、结果可靠等特点，这种技术在国外的应用已经非常广泛。我国自上世纪80年代开始引进地质雷达，主要用于寻找水源、地下矿产等，近几年，开始应用于工程领域和质量检测领域，并在市政工程地下管线、铁路公路工程的隧道衬砌和桥墩混凝土保护层厚度及钢筋位置、机场跑道和站坪病害取得了成功应用。由于电磁波对非金属材料的含水率比较敏感，使得地质雷达技术可以对混凝土内部结构准确成像，因此也可以将其应用到预应力压浆孔道质量的检测与评估方面。如今，地质雷达技术在混凝土梁钢筋骨架分布、保护层厚度及预应力筋位置等探测方面已经很成熟，但是由于密集分布的钢筋网结构的影响，该方法在预应力管道压浆质量检测中的应用效果受到了很大的约束。这是由于高频电磁波在介质中传播过程中，其部分能量被地下具有电性差异的界面反射回来，另一部分能量继续向深度方向传播，反射与透射的能量分配与地下介质界面的电性差异情况有关。一般情况下电性差异越大，反射的能量越大，导致在深部传播的信号越微弱。针对地质雷达所用的短脉冲高频电磁波而言，通常工程勘察和质量检测中所遇到的介质都是以位移电流量为主的低损耗介质，但是当电磁波遇到以传导电流为主的介质时就会发生全反射，使得反射的能量非常强、透射的能量非常微弱。以钢筋混凝土结构为例，混凝土结构除钢筋以外都可视为低损耗介质，而钢筋是良导体，是以传导电流为主的介质。利用地质雷达检测预应力管道压浆质量时，由于表层钢筋的全反射影响使得传播到预应力压浆管道的电磁波信号非常微弱，这无形中增加了压浆质量评价的难度。
发明内容
本发明的目的就是针对应用地质雷达方法检测钢筋混凝土质量过程中，混凝土结构的表层钢筋对高频电磁波影响很大但是又得不到很好的压制这一不足，提出一种能剔除表层钢筋对电磁波影响，从而更加容易判断注浆缺陷位置和大小的滤波方法。为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种剔除表层钢筋对高频电磁波 影响的滤波方法，包括如下步骤(I)选择测量参数和检测方式使用地质雷达对混凝土内进行数据采集，将地质雷达的天线盒贴在混凝土表面，并沿混凝土内波纹管的走向对混凝土内垂直方向进行采集;(2)选择合理的能量窗口 将所采集的原始数据输入matlab中形成可视图，在图中确定每一根钢筋位置附近振幅的最大值作为每根钢筋的顶点(即最大数据的值)，之后在水平方向以可视图上每两根钢筋的顶点之间为距离，在垂直方向上包括了钢筋第一次、二次和三次反射的数据为距离进行窗口选择，再将所有的选择出的窗口内的矩阵数据相加求和，然后再以窗口数量为分母，求上述求和后矩阵的平均值，得到的这个加权平均值后的窗口即为合理的能量窗口；(3)滤除表层钢筋影响以步骤(2)中所选择的每个窗口中的最大振幅值和所得到的加权后能量窗口中最大数据值为对应的基准点(最大振幅值位置和最大数据值位置分别对应原始数据和窗口数据中的钢筋顶点)，将每个所选择的每个窗口的矩阵数据分别减去加权平均值后的窗口的矩阵数据，即得到滤除表层钢筋影响的数据；(4)分析滤波效果并判读压浆缺陷将步骤(3)中得出的滤除表层钢筋影响的数据参照混凝土内钢绞线预埋深度进行对比分析，去除钢绞线影响后所得的异常数据图即为混凝土内部压浆问题。所述的一种剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法，所述步骤(I)中，地质雷达的天线采用1600MHz或者2600MHz频率的天线，采样点数为1024个或2048个。所述的一种剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法，所述步骤(4)中，找出步骤(3)中所得到的数据可视图内的显著异常特征与剖面图上同一深度的其他位置进行对比，如果有明显的弧形绕射且反射振幅较大，则根据钢绞线设计深度来判断其是否为钢绞线的影响，如果在深度与水平位置能与钢绞线设计深度基本吻合，则判断该异常为钢绞线的反映，否则，该异常不是钢绞线的反映；如果异常位置是钢绞线影响，则可排除其为压浆缺陷，如果不是钢筋线的影响，则说明压浆不饱满，如果排除了钢绞线影响后再无其他明显异常，则为注浆密实。所述的钢筋混凝土质量检测中剔除表层钢筋高频电磁波影响的滤波方法，波纹管为非金属的压浆管道。本发明的优点为采用本发明的钢筋混凝土质量检测中剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法，可以基本压制表层钢筋强反射的影响，增强深部缺陷反射出来的微弱信息，从而能更加准确的判断出压浆缺陷的规模、位置和缺陷类型，为工程应用提供可靠的科学理论依据，具有良好的应用前景和实际意义。下面结合附图对本发明作进一步说 明。
图I所示为本发明的步骤流程图；图2为混凝土模型断面示意图；图3为图2的地质雷达扫描剖面原始图；图4为图3中选择的能量窗口的放大图，具体为第一颗和第二颗钢筋顶点反射能量的最大值；图5为对图3进行图4窗口的滤波图；图6为图3中滤波前某道数据图； 图7为图5中滤波后某道数据图。
具体实施例方式为了能清晰的得到钢筋干扰下采集的深部微弱信息并判断预应力管道的压浆质量情况，必须选择好合适的测量参数和测量方式，包括天线主频大小、测量方式、采集方式以及测线的布置方式等。能量窗口的选择是剔除钢筋对电磁波干扰的核心部分，它对干扰的滤除效果起到关键作用，该方法按如下步骤实现参数的选择和测量方式、标件的设计将各个缺陷的位置信息和缺陷状况均为已知的标件确定为被检测物，本实施例选用主频为2600MHz天线，采集方式为点测，点距设为10mm，测线方向垂直于波纹管走向方向，天线紧贴标件的表面，其长轴方向沿测线走向方向；所述的标件表层钢筋直径为20mm，深度100mm，间距130mm，三个目标体分别为注浆饱满、充水和空洞，深度均为300mm左右；能量窗口的选择选择偏移后数据中第一颗钢筋，选取一个固定窗口，该窗口包括了钢筋一次、二次和三次反射的能量，尽量选择一个小但是基本包括了钢筋能量反射为宜，根据图4所述，选择的窗口大小为1101(行)X13(列)；滤波方法找到反射剖面中的各个钢筋顶点的位置并选择求取窗口数据，以原始数据中钢筋的顶点位置和窗口中钢筋的顶点位置为对应的基准点，将原始数据中的钢筋的反射能量减去步骤⑵选择的能量窗口，就可得到滤波了钢筋影响的反射剖面图；滤波效果分析与判断a.滤波工作完成后，首选分析滤波效果，如果表层钢筋的影响滤除效果差，再重复步骤3，滤波后效果的评判以深部异常位置范围有明显的异常反映为标准；b.找出原始数据成图范围内的显著异常特征，并与剖面图上同一深度的其他位置进行对比，如果有明显的异常特征，根据设计深度判断其是否为钢绞线的影响；如果是钢绞线影响，则可排除压浆其为缺陷，如果不是钢筋线的影响，则说明压浆不饱满，如果排除了钢绞线影响后再无其他明显异常，则为注浆密实；利用本发明的钢筋混凝土质量检测中剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法来验证滤波效果时，可按下述详细的实施步骤进行，其步骤流程如图I所示。实施例I :本例钢筋混凝土试件断面大小为310mmX60mm，如图2所示，图2中有两排钢筋1，分别分布在混凝土距离试件的顶部和底部都为IOOmm的表层，钢筋直径为20mm，间距为130mm,预应力筋2直径为50mm，压浆为密实的水泥浆3，充水4和空洞5都位于波纹管顶部，厚度20mm,波纹管管壁2mm。检测中天线走向垂直于波纹管走向位置，采用点距测量方式，点距为10mm，得到图3原始电磁波反射剖面。选择剖面图中表层第一颗钢筋反射顶点的位置，并找出二次反射顶点，选择一个尽量小但是又能包含一个和二次反射能量的窗口，根据图3，窗口大小可以选择为1101 (行)X 13 (列)，放大后如图4所示，这个能量窗口几乎可以认为是钢筋反射的全部能量。找到反射剖面中所有钢筋反射电磁波的顶点位置，并以能量窗口和其它钢筋反射顶点为对应的基准点，依次减去窗口钢筋的反射能量，完成滤波过程并分析滤波效果，最后得到如图5所示的反射剖面。通过对图5的分析可知，该滤波方法基本剔除了表层钢筋全反射的影响，通过提取滤波方法前后的反射剖面中某道的信息分别得到图6和图7，图6中6所示位置振幅大，图7中同一深度位置处振幅小，前后对比发现单道反射波上由钢筋强烈的反射的电磁波反射振幅得到了很好的压制，深部的反射振幅得到了明显的增强。通过这个方法滤波，钢筋混凝土深部原本微弱的信息得到了明显的提升，这对于预应力压浆孔道的注浆质量评价具有很重要意义。本发明还可以有其他的处理方式，凡采用同等方式或者等效变换形成的技术处理方案，均落在本发明的要求保护的范围内。权利要求
1.一种剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)选择测量参数和检测方式使用地质雷达对混凝土内进行数据采集，将地质雷达的天线盒贴在混凝土表面，并沿混凝土内波纹管的走向对混凝土内垂直方向进行采集； (2)选择合理的能量窗口将所采集的原始数据输入matlab中形成可视图，在图中确定每一根钢筋位置附近振幅的最大值作为每根钢筋的顶点，之后在水平方向以可视图上每两根钢筋的顶点之间为距离，在垂直方向上包括了钢筋第一次、二次和三次反射的数据为距离进行窗口选择，再将所有的选择出的窗口内的矩阵数据相加求和，然后再以窗口数量为分母，求上述求和后矩阵的平均值，得到的这个加权平均值后的窗口即为合理的能量窗Π ； (3)滤除表层钢筋影响以步骤(2)中所选择的每个窗口中的最大振幅值和所得到的加权后能量窗口中最大数据值为对应的基准点，将每个所选择的每个窗口的矩阵数据分别减去加权平均值后的窗口的矩阵数据，即得到滤除表层钢筋影响的数据可视图； (4)分析滤波效果并判读压浆缺陷将步骤(3)中得出的滤除表层钢筋影响的数据参照混凝土内钢绞线预埋深度进行对比分析，去除钢绞线影响后所得的异常数据图即为混凝土内部压浆问题。
2.根据权利要求I所述的一种剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法，其特征在于，所述步骤(I)中，地质雷达的天线采用1600MHz或者2600MHz频率的天线，采样点数为1024个或2048个。
3.根据权利要求I所述的一种剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法，其特征在于，所述步骤(4)中，找出步骤(3)中所得到的数据成图中的显著异常特征与剖面图上同一深度的其他位置进行对比，如果有明显的弧形绕射且反射振幅较大，则根据钢绞线设计深度来判断其是否为钢绞线的影响，如果在深度与水平位置能与钢绞线设计深度基本吻合，则判断该异常为钢绞线的反映，否则，该异常不是钢绞线的反映；如果异常位置是钢绞线影响，则可排除其为压浆缺陷，如果不是钢筋线的影响，则说明压浆不饱满，如果排除了钢绞线影响后再无其他明显异常，则为注浆密实。
4.根据权利要求I所述的钢筋混凝土质量检测中剔除表层钢筋高频电磁波影响的滤波方法，其特征在于波纹管为非金属的压浆管道。
全文摘要
本发明公开了一种剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法，包括如下处理步骤(1)选择测量参数和检测方式；(2)选择合理的能量窗口；(3)滤除表层钢筋影响；(4)分析滤波效果并判读压浆缺陷；本发明的优点为采用本发明的钢筋混凝土质量检测中剔除表层钢筋对高频电磁波影响的滤波方法，可以基本压制表层钢筋强反射的影响，增强深部缺陷反射出来的微弱信息，从而能更加准确的判断出压浆缺陷的规模、位置和缺陷类型，为工程应用提供可靠的科学理论依据，具有良好的应用前景和实际意义。
文档编号G01N23/00GK102636501SQ20121008279
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者张家松, 彭凌星, 曹书锦, 王凡, 鲁广银 申请人:中南大学, 朱自强, 鲁光银