基于MSA技術的溧寧高速公路橋梁構件鋼筋位置檢測儀器研究

王洪波，彭月恒，歐定福，張占宇

（1.天津五市政公路工程有限公司，天津 300000；2.江蘇森淼工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

引言

構件內(nèi)鋼筋檢測屬于隱蔽工程的檢測，其準確程度直接影響到對工程質(zhì)量的判斷，而目前市場上的鋼筋位置檢測儀在進行鋼筋數(shù)量檢測、間距檢測和鋼筋保護層厚度檢測時，時常出現(xiàn)檢測偏差較大甚至不準確的現(xiàn)象。為了檢驗儀器的使用性能，溧寧高速公路使用了測量系統(tǒng)分析技術對全線鋼筋位置檢測儀器進行了系統(tǒng)分析。

溧寧高速公路是江蘇省重點高速公路項目，全線長18 km，其中橋梁結構物占比在50%以上，結構物的質(zhì)量控制也成為檢測中的重要控制內(nèi)容，特別是構件保護層厚度的檢測尤為重要。因為鋼筋保護層厚度的大小不僅體現(xiàn)在承載能力和耐久性方面[1]，還會使鋼筋與混凝土層的握裹力降低[2]，從而影響構件的使用。溧寧高速公路使用的鋼筋位置檢測儀器均為國產(chǎn)儀器，利用電磁感應原理，通過儀器探頭經(jīng)過鋼筋等金屬時，磁力線發(fā)生改變來判斷鋼筋的位置信息。

測量系統(tǒng)分析（Measurement Systems Analysis，簡稱MSA）是目前六西格瑪管理中常用的一種質(zhì)量改進工具，通過對檢測結果波動度原因進行分析，得出產(chǎn)生測量結果變異的主要原因，并分析儀器是否滿足檢測工作要求。通常情況下，測量數(shù)據(jù)的波動可以表示為σ總2=σp2+σMS2，其中，σp2—構件本身性能的波動，σMS2—測量系統(tǒng)的波動。MSA技術是研究測量系統(tǒng)的波動，儀器測量系統(tǒng)波動需要從儀器的分辨率、線性偏倚、重復性和再現(xiàn)性等方面進行評估[3]。

1 鋼筋位置檢測儀的線性偏倚

1.1 線性偏倚的分析方法

鋼筋位置檢測儀器的偏倚是指測量結果的平均值和參考值的差別。為使參考值更加準確，在測量系統(tǒng)分析中，使用游標卡尺確定參考值。鋼筋位置檢測儀器的線性則是指當儀器存在偏倚時，可以通過偏倚的數(shù)值變化情況進行線性回歸。

鋼筋位置檢測儀器的量程由兩個量程階段組成，第一量程為0～40 mm，第二量程為40～80 mm，在兩個量程之間選擇線性偏倚。項目組隨機選擇10個構件檢測其鋼筋位置（即保護層厚度），并安排同一名技術人員對每個構件的同一個確定的點位連續(xù)檢測12次，隨即將該點鑿開，用游標卡尺測量其確切數(shù)值，作為參考值。對數(shù)據(jù)進行假設檢驗[4]，得出測量數(shù)據(jù)的均值以及標準差：

假設檢驗計算中p值根據(jù)t分布情況計算得到，并對偏倚情況進行t檢驗。提出原假設H0：無偏倚（即偏倚為0）；備擇假設H1：有偏倚（即不為0）。當顯著性水平α=0.05的前提下，若p＜0.05，則有偏倚；若p值不小于0.05，則偏倚不存在。如果偏倚存在，且在可接受范圍內(nèi)，則可以進行線性分析。

原假設H0：斜率為0；備選假設H1：斜率存在。當顯著性水平α=0.05的前提下，若p＜0.05，則斜率不為0。對于b：

原假設H0：截距不為0；備選假設H1：截距存在。當顯著性水平α=0.05的前提下，若p＜0.05，則認為截距存在。

1.2 線性偏倚的檢驗

根據(jù)原定方案，檢測10個構件的數(shù)據(jù)見表1。

表1 鋼保檢測記錄（線性偏倚）

對兩個量程中所測數(shù)據(jù)進行分析，采用的軟件為Minitab，輸出見圖1、圖2，其中圖1為0～40 mm量程，圖2為0～80 mm量程。

圖1 0～40 mm量程線性偏倚

圖2 40～80 mm量程線性偏倚

可以看出：（1）鋼筋位置測定儀在兩個量程內(nèi)p值均不大于0.05，表明該鋼筋位置測定儀存在偏倚的現(xiàn)象。（2）截距和斜率的p值不大于0.05，說明偏倚呈線性，且相關度分別為71.7%及73.5%，呈現(xiàn)中強相關，可以認為合理。

2 分辨率、重復性及再現(xiàn)性

2.1 分析方案

確定15個墩柱為檢測構件，每個墩柱在一個確定位置進行檢測，安排3名技術人員用不同的儀器進行檢測，共量3次，已知圖紙設計保護層為凈25 mm，允許偏差區(qū)間為22～33 mm。

儀器分辨率用ndc表示，其數(shù)值為1.41×σp/σMS取整。如果ndc≥5，則該鋼筋位置測定儀的分辨力強[5]；若2≤ndc≤4，則該鋼筋位置測定儀性能良好；若ndc=1，說明該儀器只能粗略評價檢查的構件鋼筋位置是否合格。測量系統(tǒng)分析的另兩項重要的指標是重復性及再現(xiàn)性，將σRPT2、σRPD2表示重復性均方差及再現(xiàn)性的均方差，則規(guī)定精度就可用σMS=σRPT2+σRPD2表示。

令 %GageR&R=6σMS/6σTotal=σMS/σTotal，%P/T=6σMS/（USL-LSL），得到 %GageR&R及%P/T兩個重要參數(shù)。根據(jù)公路工程精細化施工的水平及目前儀器生產(chǎn)水平，對兩項指標的要求并不高，當兩項指標小于30%時，就可接受本儀器[6]。同時，根據(jù)方差的大小也可以來評定儀器是否可以接受，如果方差的貢獻率小于9%，則認為鋼筋位置測定儀為合格[7]。

2.2 試驗驗證

依照分辨率、重復性與再現(xiàn)性檢測，隨機檢測的數(shù)據(jù)見表2。

表2 ndc、%GageR&R和%P/T檢驗數(shù)據(jù)

在Minitab中輸入數(shù)據(jù)，用量具研究選項輸出表3～表5以及圖3。

表3 均方差呈現(xiàn)

表4 標準變差的概率

表5 GRR的變差呈現(xiàn)

可以看出：（1）墩柱和技術員交互作用的方差p＜0.25，說明有明顯的交互作用，不必對結果進行調(diào)整[8]。（2）從表4看出，鋼筋位置測定儀方差分量貢獻率恰好為9%，而各墩柱中方差貢獻率約為91%，表示墩柱是變異源，儀器的變異有限。（3）從表5看出，ndc=4；儀器重復性指標為30%，再現(xiàn)性指標為20%，表明操作人員的操作偏差大于儀器的偏差，因此，如果要減少鋼筋位置檢測偏差，就須減少人為操作因素。（4）在圖3中，墩柱之間的變異較大，是所需要的結果，但組內(nèi)極差小，表示鋼筋位置測定儀的分辨率需進一步提高[9]。

圖3 R＆R方差分析

3 鋼筋位置測定儀的性能改善

3.1 分辨率的情況

基于數(shù)據(jù)分析，無論是儀器分辨率還是重復性、再現(xiàn)性以及方差貢獻率，都在合格線的邊緣，表明該儀器可用，但是性能較差，而這種電子設備在出廠后無法進行廠外校準，因此對于此儀器的分辨率無法達到理想狀態(tài)，只能接受它。

3.2 線性回歸

通過線性回歸規(guī)避偏倚所帶來的偏差。在儀器使用時，對所用的數(shù)據(jù)進行線性調(diào)整，當儀器量程在0～40 mm時，采用y（偏倚）=-0.847 1+0.058 801x（實測值）進行回歸修正；當儀器量程在40～80 mm時，采用y=5.597 0-0.132 2x（實測值）進行回歸修正。

3.3 操作規(guī)范性改善

對操作人員進行培訓，主要應該注意：（1）鋼筋間距的確認。當鋼筋的間距＜100 mm時，可能會對結果有影響，這時應該測量最外層鋼筋保護層厚度。（2）檢測過程中自校準。在檢測過程中應該經(jīng)常性地將探頭對空中按確認按鈕以完成自校。（3）探頭移動速度控制。探頭移動時，速度必須緩慢，否則檢測數(shù)據(jù)會存在較大偏差。

4 結語

鋼筋位置測定儀是工程中必備的精密儀器，需要很好的日常保養(yǎng)，在儀器使用前，除了必須進行儀器校準外，還需要進行測量系統(tǒng)分析。（1）通過對儀器測量系統(tǒng)分析，分析了儀器的優(yōu)劣，認為目前該型號的儀器存在的線性偏倚，分辨率、重復性和再現(xiàn)性可以接受，儀器可以作為工程檢測。（2）根據(jù)分析結果，調(diào)整了檢測方法，鋼筋位置檢測數(shù)據(jù)的準確性得以提升。