劉明輝, 賈麗暉, 李劍峰, 甄瑞斌, 王 瀟, 張紅宇

(1.武漢鋼鐵有限公司 質(zhì)量檢驗(yàn)中心, 武漢 430083；2.上海申力試驗(yàn)機(jī)有限公司, 上海 201411；3.江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司 理化檢驗(yàn)中心, 張家港 215625)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁、海洋平臺(tái)、房屋建筑等現(xiàn)代工程建造中應(yīng)用極其廣泛?；炷恋目箟耗芰?qiáng)，但抗拉能力弱，而鋼筋是鋼筋混凝土建筑構(gòu)件的骨架，在混凝土中主要承受拉應(yīng)力，具有非常高的抗拉強(qiáng)度;鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù)相似，因而不會(huì)由于環(huán)境因素而產(chǎn)生過大的應(yīng)力;此外，鋼筋和混凝土之間具有良好的黏結(jié)力。

近年來,高端控制器、視頻引伸計(jì)、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，也為實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)鋼筋自動(dòng)化檢測(cè)提供了可靠的工業(yè)技術(shù)保障。筆者結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼筋自動(dòng)化檢測(cè)的案例進(jìn)行了介紹。

1 鋼筋檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及要求

鋼筋對(duì)建筑安全、使用壽命、綠色節(jié)能等方面的影響巨大。為了保障建筑工程的質(zhì)量和安全，國際上制定了一系列鋼筋產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋼筋的材料性能檢測(cè)進(jìn)行了詳細(xì)的定義和要求，主要包括拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)等。國內(nèi)對(duì)鋼筋的生產(chǎn)、使用和質(zhì)量檢測(cè)的控制標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)行版本為GB/T 1499.2—2018 《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》，其中第8章規(guī)定了鋼筋混凝土用鋼材性能檢測(cè)項(xiàng)目、數(shù)量和試驗(yàn)方法(見表1)。另外，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1499.2—2018規(guī)定，鋼筋的顯微組織應(yīng)主要是鐵素體+珠光體,不應(yīng)出現(xiàn)回火馬氏體組織，如供方能保證可不進(jìn)行檢驗(yàn)，而僅在原料、生產(chǎn)工藝、設(shè)備有重大變化及新產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)才對(duì)鋼筋的疲勞性能、晶粒度、連接性能進(jìn)行檢驗(yàn)，則不進(jìn)行日常生產(chǎn)性檢驗(yàn)。

表1 GB/T 1499.2—2018規(guī)定鋼筋的檢測(cè)項(xiàng)目及數(shù)量

由中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的 《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中，多條為強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)格執(zhí)行。根據(jù)該規(guī)范第5.2.1條規(guī)定：鋼筋進(jìn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)按國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定抽取試樣進(jìn)行拉伸、彎曲、反向彎曲等力學(xué)性能和質(zhì)量偏差檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果必須符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，檢驗(yàn)數(shù)量按進(jìn)場(chǎng)的批次和產(chǎn)品的抽樣檢驗(yàn)方案確定。

由以上標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定可知：對(duì)于日常生產(chǎn)檢驗(yàn)，鋼筋主要檢測(cè)項(xiàng)目為室溫拉伸、彎曲、反向彎曲、質(zhì)量偏差等4個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目。

2 熱軋帶肋鋼筋檢測(cè)中的全自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

鋼筋室溫拉伸、彎曲、反向彎曲、質(zhì)量偏差4個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的試樣直徑規(guī)格相對(duì)固定，外形尺寸不需要機(jī)加工，而且相對(duì)復(fù)雜的室溫拉伸試驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)，這為4個(gè)項(xiàng)目集成后的鋼筋全流程自動(dòng)化檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，由于質(zhì)量偏差測(cè)量需要5個(gè)試樣，且屬于非破壞性試驗(yàn)，因此質(zhì)量偏差測(cè)量后的5個(gè)試樣可繼續(xù)應(yīng)用于其他項(xiàng)目的檢驗(yàn)，2個(gè)用于室溫拉伸試驗(yàn)，2個(gè)用于彎曲試驗(yàn)，1個(gè)用于反向彎曲試驗(yàn)。因此，鋼筋全流程自動(dòng)化檢測(cè)的設(shè)計(jì)思路為：每批待檢試樣取5個(gè)，由六軸機(jī)器人連接各試驗(yàn)儀器，并流轉(zhuǎn)各工序試樣；首先進(jìn)行質(zhì)量偏差測(cè)量，再對(duì)質(zhì)量偏差測(cè)量完成后的5個(gè)試樣進(jìn)行自動(dòng)化分配，分別進(jìn)行室溫拉伸、彎曲、反向彎曲試驗(yàn)，完成鋼筋的全流程自動(dòng)化檢測(cè)。

2.1 質(zhì)量偏差測(cè)量自動(dòng)化

采用鋼筋質(zhì)量偏差稱重測(cè)長(zhǎng)儀(見圖1)測(cè)量鋼筋的質(zhì)量偏差，案例中鋼筋質(zhì)量偏差稱重測(cè)長(zhǎng)儀結(jié)構(gòu)為：5個(gè)試樣水平支架，每個(gè)支架下方配置質(zhì)量傳感器，六軸機(jī)器人將試樣放置于支架上后，傳感器自動(dòng)感應(yīng)試樣的質(zhì)量，同時(shí)每個(gè)支架采用端部定位方式，一端為試樣長(zhǎng)度測(cè)量的零點(diǎn)，另一端為氣缸帶動(dòng)的高精度測(cè)量尺，試樣放置于支架上后，氣缸帶動(dòng)測(cè)量尺運(yùn)動(dòng)并夾緊試樣，從而自動(dòng)測(cè)量試樣長(zhǎng)度。長(zhǎng)度和質(zhì)量測(cè)量結(jié)果通過PLC(可編程邏輯控制器)計(jì)算后，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為鋼筋質(zhì)量偏差測(cè)量結(jié)果。為提高設(shè)備精度，減少全流程人為干擾因素，鋼筋質(zhì)量偏差稱重測(cè)長(zhǎng)儀配備了質(zhì)量控制試樣(以下簡(jiǎn)稱質(zhì)控試樣)，可通過實(shí)驗(yàn)程序設(shè)置質(zhì)控試樣的自動(dòng)檢測(cè)頻次，六軸機(jī)器人自動(dòng)抓取質(zhì)控試樣，對(duì)稱重測(cè)長(zhǎng)儀顯示的質(zhì)量、長(zhǎng)度兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行核驗(yàn)，如果超出設(shè)置偏差，可自動(dòng)報(bào)警，并根據(jù)設(shè)置進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖1 鋼筋質(zhì)量偏差稱重測(cè)長(zhǎng)儀外觀

2.2 拉伸試驗(yàn)自動(dòng)化

鋼筋質(zhì)量偏差測(cè)量試驗(yàn)完成后，機(jī)器人將其中2個(gè)試樣轉(zhuǎn)運(yùn)至拉伸試驗(yàn)機(jī)工位，拉伸試驗(yàn)機(jī)根據(jù)鋼筋質(zhì)量偏差測(cè)量?jī)x測(cè)出的試樣長(zhǎng)度調(diào)整上、下橫梁間距，開始拉伸試驗(yàn)。

目前，鋼筋檢測(cè)領(lǐng)域用電子萬能試驗(yàn)機(jī)配備六軸機(jī)器人和機(jī)械接觸式引伸計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鋼筋拉伸性能全自動(dòng)檢測(cè)[1]。該模式的主要缺點(diǎn)在于機(jī)械接觸式引伸計(jì)的使用，由于鋼筋在拉伸斷裂的過程中產(chǎn)生較大振動(dòng)，特別是鋼筋表面帶有橫肋，振動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械接觸式引伸計(jì)影響較大，鋼筋表面的氧化鐵受到振動(dòng)而脫離基體，變成細(xì)小的粉塵彌漫在空氣中，并附著在機(jī)械接觸式引伸計(jì)的各個(gè)傳動(dòng)裝置表面，嚴(yán)重影響引伸計(jì)的精度，以上原因造成的機(jī)械接觸式引伸計(jì)的故障率特別高。除此之外，試樣拉斷后，斷裂位置具有隨機(jī)性，而接觸式引伸計(jì)與試樣的接觸位置相對(duì)固定，如果試樣斷裂位置處于引伸計(jì)標(biāo)距以內(nèi)，且靠近引伸計(jì)與試樣的接觸點(diǎn)，甚至處于引伸計(jì)標(biāo)距以外，則會(huì)造成試樣的形變指標(biāo)測(cè)量結(jié)果誤差較大，尤其對(duì)于棒材試樣，這一問題尤其突出。

針對(duì)機(jī)械接觸式引伸計(jì)在鋼筋拉伸試驗(yàn)中故障率高、誤差較大的問題，以下案例基于數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)原理,利用視頻引伸計(jì)，對(duì)不同直徑的帶肋鋼筋標(biāo)距進(jìn)行標(biāo)定，應(yīng)用特定的電荷耦合元件(CCD)圖像化、數(shù)字化成像技術(shù)，拍攝鋼筋在拉伸試驗(yàn)過程中各標(biāo)定點(diǎn)的變形范圍，并將被測(cè)試樣所發(fā)生的位置變化等關(guān)聯(lián)，由此可見，無論試樣斷裂于何處，視頻引伸計(jì)都可通過分析圖像軟件來優(yōu)化標(biāo)距選擇范圍，使試樣斷裂點(diǎn)始終處于測(cè)量標(biāo)距的合適位置，進(jìn)而測(cè)量出試樣拉伸過程中所發(fā)生的應(yīng)變與位移，視頻引伸計(jì)跟蹤鋼筋表面特征點(diǎn)示例如圖2所示[2]。經(jīng)過測(cè)試比對(duì)，視頻引伸計(jì)完全滿足鋼筋塑性指標(biāo)測(cè)量的要求。

圖2 視頻引伸計(jì)跟蹤鋼筋表面特征點(diǎn)示例

為確認(rèn)采用視頻引伸計(jì)后全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果的精度，使用測(cè)量鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣和不同試驗(yàn)機(jī)比對(duì)兩種方式確認(rèn)拉伸試驗(yàn)結(jié)果，鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 鋼筋標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)量結(jié)果

下屈服強(qiáng)度的最大偏差為2 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣允許偏差±20 MPa的要求；屈服強(qiáng)度的最大偏差為4 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣允許偏差±15 MPa的要求；斷后伸長(zhǎng)率的最大誤差為-0.5%，滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣允許誤差±2%的要求。

在40個(gè)熱軋鋼筋棒材上各連續(xù)截取2個(gè)試樣，將80個(gè)試樣按取樣來源分2組，即每組中的40個(gè)均來自不同的鋼筋棒材。2組試樣分別在MTS SHT 5605型拉伸試驗(yàn)機(jī)(配備機(jī)械式引伸計(jì))和SL1000型拉伸試驗(yàn)機(jī)(配備視頻引伸計(jì))兩臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，通過配對(duì)T檢驗(yàn)方法對(duì)兩臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表3所示(表中P為假設(shè)檢驗(yàn)概率)。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，兩臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量結(jié)果沒有明顯差異，說明全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)配備視頻引伸計(jì)完全滿足熱軋鋼筋棒材的檢驗(yàn)需要，有效解決了棒材試樣拉伸斷裂位置隨機(jī)性較大，及采用接觸式引伸計(jì)測(cè)量試樣斷后伸長(zhǎng)率結(jié)果誤差較大的問題。

表3 不同拉伸試驗(yàn)機(jī)間的比對(duì)配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果

2.3 彎曲試驗(yàn)自動(dòng)化

在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的同時(shí)，六軸機(jī)器人將鋼筋質(zhì)量偏差測(cè)量?jī)x上剩余的3個(gè)試樣(每批次5個(gè)試樣中的2個(gè)已用于拉伸試驗(yàn))轉(zhuǎn)運(yùn)至彎曲、反向彎曲待檢試樣架。

彎曲試驗(yàn)系統(tǒng)由六軸機(jī)器人、待檢試樣架、試樣收集系統(tǒng)等部件組成。該系統(tǒng)可以一鍵自動(dòng)控制或接受上位機(jī)信號(hào)控制，自動(dòng)完成六軸機(jī)器人上下料、彎曲跨距調(diào)整、彎角控制、彎曲等試驗(yàn)過程。彎曲試驗(yàn)機(jī)外觀如圖3所示。

圖3 彎曲試驗(yàn)機(jī)外觀

彎曲工位采用液壓加荷與微機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)，由一個(gè)垂直油缸將試樣彎曲到規(guī)定角度后，利用主活塞的下降來實(shí)現(xiàn)試樣的彎曲，從而完成彎曲試驗(yàn)，再調(diào)整兩個(gè)相對(duì)的水平油缸位置，使得試樣可以自動(dòng)完成收集和取出。

受視頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的限制，該案例未集成彎曲試樣結(jié)果自動(dòng)判定功能，彎曲試驗(yàn)完成后，試樣自動(dòng)收集在料車內(nèi)，需要進(jìn)行人工彎曲結(jié)果判定[3]。

2.4 反向彎曲試驗(yàn)自動(dòng)化

在進(jìn)行彎曲試驗(yàn)的過程中，六軸機(jī)器人將待檢試樣架上的1個(gè)試樣轉(zhuǎn)運(yùn)至自動(dòng)反向彎曲試驗(yàn)機(jī)(見圖4)彎曲工位上。

圖4 自動(dòng)反向彎曲試驗(yàn)機(jī)外觀

自動(dòng)反向彎曲工位為臥式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由兩個(gè)油缸液壓加荷，彎曲支輥由雙向絲杠帶動(dòng)，支輥同步進(jìn)退以便調(diào)整支輥距離，活塞上安裝壓輥，可以進(jìn)行試樣正彎和反彎試驗(yàn)。PLC控制液壓缸動(dòng)作方向及彎曲角度，一次完成正、反向的試驗(yàn)過程，不僅工作效率高，而且運(yùn)行平穩(wěn)。

試驗(yàn)過程中，反向彎曲試驗(yàn)機(jī)接收上位機(jī)下達(dá)的試驗(yàn)指令，自動(dòng)計(jì)算所需要的彎心直徑和支輥跨距。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，左右支座自動(dòng)調(diào)整到計(jì)算得出的支輥跨距，六軸機(jī)器人自動(dòng)上樣，試驗(yàn)機(jī)全自動(dòng)完成試驗(yàn)正向彎曲和反向彎曲兩個(gè)過程，六軸機(jī)器人自動(dòng)下樣，并將試樣放在試樣收集料車內(nèi)。

與彎曲試驗(yàn)過程相同，反向彎曲的試驗(yàn)結(jié)果也需要進(jìn)行人工判定，未能實(shí)現(xiàn)反向彎曲結(jié)果的自動(dòng)化智能判定。

2.5 熱軋帶肋鋼筋常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目自動(dòng)化集成

在實(shí)現(xiàn)熱軋帶肋鋼筋的質(zhì)量偏差、室溫拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、反向彎曲試驗(yàn)的單獨(dú)自動(dòng)化檢測(cè)后，對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化布局，質(zhì)量偏差測(cè)試儀與拉伸試驗(yàn)機(jī)、六軸機(jī)器人組成稱重、測(cè)長(zhǎng)、拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，彎曲試驗(yàn)機(jī)、反向彎曲試驗(yàn)機(jī)、六軸機(jī)器人組成彎曲、反向彎曲檢測(cè)系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)之間通過試樣架轉(zhuǎn)接試樣。同時(shí)，該自動(dòng)化系統(tǒng)可自動(dòng)接收實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)下發(fā)的試驗(yàn)指令，自動(dòng)向?qū)嶒?yàn)室管理系統(tǒng)傳輸試驗(yàn)結(jié)果，從而進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的自動(dòng)化檢測(cè)能力。

3 結(jié)語

(1) 采用視頻引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量熱軋帶肋鋼筋的斷后伸長(zhǎng)率、最大力總延伸率等塑性指標(biāo)，不用給出標(biāo)距標(biāo)識(shí)，不僅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，還有效避免了熱軋帶肋鋼筋在拉伸斷裂時(shí)由于振動(dòng)過大造成引伸計(jì)損壞的問題，提高了全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；同時(shí)，視頻引伸計(jì)的使用有效解決了試樣斷裂于接觸式引伸計(jì)標(biāo)距以外，從而造成形變指標(biāo)測(cè)量結(jié)果誤差較大的問題。

(2) 通過優(yōu)化質(zhì)量偏差測(cè)試儀與拉伸試驗(yàn)機(jī)、六軸機(jī)器人、彎曲試驗(yàn)機(jī)、反向彎曲試驗(yàn)機(jī)、試樣架等設(shè)備布局，實(shí)現(xiàn)了熱軋帶肋鋼筋的質(zhì)量偏差、室溫拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、反向彎曲試驗(yàn)集成自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)。

(3) 隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，可充分利用視頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，集成彎曲和反向彎曲試樣結(jié)果自動(dòng)判定系統(tǒng)，開展熱軋帶肋鋼筋常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目的全流程自動(dòng)化檢測(cè)與自動(dòng)判定，進(jìn)一步提高熱軋帶肋鋼筋的智能檢測(cè)水平。