鋼筋抗拉強(qiáng)度檢測(cè)中的誤差及不確定度分析

陳濤

摘要：通過(guò)對(duì)鋼筋抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果的不確定性進(jìn)行分析，能夠判斷檢測(cè)結(jié)果的利用價(jià)值，保證鋼筋使用的合理性。本文對(duì)鋼筋抗拉強(qiáng)度檢測(cè)中的誤差和不確定度進(jìn)行分析，論述了其誤差和不確定度的關(guān)系，通過(guò)實(shí)例分析如何計(jì)算檢測(cè)結(jié)果的不確定性。

關(guān)鍵詞：鋼筋;抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn);誤差;不確定度分析

在鋼筋抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果分析中，如果只是使用誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，就會(huì)忽視許多影響檢測(cè)結(jié)果的因素，這樣的評(píng)判是不可靠的。隨著對(duì)精度的要求越來(lái)越高，當(dāng)前要對(duì)檢測(cè)結(jié)果的不確定度進(jìn)行標(biāo)注，從而合理地使用最后的檢測(cè)結(jié)果。

一、鋼筋抗拉強(qiáng)度的誤差種類

目前，鋼筋在當(dāng)前建筑物建設(shè)中有十分重要的地位，由于使用量較多，必須要對(duì)其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，才能正確地使用各種強(qiáng)度的鋼筋[1]。當(dāng)前鋼筋經(jīng)常被使用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋籠綁扎中，其抗拉強(qiáng)度將會(huì)決定整個(gè)建筑物的質(zhì)量。影響抗拉強(qiáng)度結(jié)果的因素有很多，這些會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)誤差，造成結(jié)果不準(zhǔn)確。

（一）系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差是對(duì)某一個(gè)物理量相同精度的反復(fù)檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)誤差大小始終不變，或者誤差的變化有著明顯的規(guī)律，這就證明這些誤差是由于一些特性造成的。然而在實(shí)際檢測(cè)當(dāng)中，這樣的誤差無(wú)法消除，并且會(huì)伴隨著整個(gè)檢測(cè)工作始終存在。

（二）隨機(jī)誤差

在對(duì)某一項(xiàng)指標(biāo)或者某一個(gè)物理量進(jìn)行了兩次檢測(cè)后，所得到的結(jié)果誤差大小不一致，呈離散性分布。隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差存在的區(qū)別在于誤差的變化沒有規(guī)律，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。這種誤差是可以解決的，可以通過(guò)增加檢測(cè)的次數(shù)將誤差對(duì)精確性的影響減到最低。

（三）過(guò)失誤差

過(guò)失誤差的出現(xiàn)在于檢測(cè)人員和檢測(cè)儀器;例如檢測(cè)的人員沒有合理的使用檢測(cè)方法，導(dǎo)致了檢測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確，或者在檢測(cè)過(guò)程中選擇了錯(cuò)誤的儀器，或者由于儀器自身存在一定的問(wèn)題，最后導(dǎo)致檢測(cè)條件不符合，從而出現(xiàn)了誤差。這種誤差在實(shí)際工作當(dāng)中也非常常見，但也可通過(guò)一些措施進(jìn)行有效地消除。

二、不確定度和誤差之間的關(guān)系

（一）不確定度的意義

在對(duì)某一個(gè)物理量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，受外界原因和內(nèi)部原因的影響，會(huì)不可避免地存在各種誤差，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確得到定某一個(gè)物理量的數(shù)值。而不確定度，就是這些物理量的不確定程度。如果檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量很高，檢測(cè)結(jié)果的不確定度非常小;但是如果檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量很低，檢測(cè)結(jié)果就會(huì)有很高的不確定度，這樣的結(jié)果通常會(huì)和真實(shí)值有很大的出入[2]。相比之下，不確定度高的結(jié)果缺少足夠的應(yīng)用價(jià)值，不確定度低的結(jié)果的利用價(jià)值比較高。在實(shí)際的工作中，在給出一個(gè)物理量檢測(cè)結(jié)果的同時(shí)，也需要給出這個(gè)檢測(cè)結(jié)果的不確定度，從而判斷檢測(cè)結(jié)果的可利用性，同時(shí)也讓檢測(cè)結(jié)果之間具有更強(qiáng)的可比性。

雖然很多誤差都來(lái)自于儀器，當(dāng)前并沒有對(duì)不確定度的評(píng)價(jià)，在實(shí)際工作中也不會(huì)給出不確定度的大小。但由于儀器會(huì)提供一些標(biāo)準(zhǔn)值，可以評(píng)價(jià)這些標(biāo)準(zhǔn)值的不確定度。同時(shí)，不確定度并不是一個(gè)儀器或者一根鋼筋的固有特性，只是工程當(dāng)中的一個(gè)參數(shù)。儀器由于自身性能的原因，示值也存在一些誤差，這個(gè)誤差也和檢測(cè)結(jié)果的不確定度有很大的關(guān)系。

（二）不確定度

不確定度和誤差的含義完全不同，但是二者的關(guān)系依然十分密切。誤差的大小決定了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而不確定度的大小則能說(shuō)明一個(gè)數(shù)據(jù)的可信程度;誤差表現(xiàn)的是檢測(cè)結(jié)果和參考量之間的偏離大小，而不確定性則能夠體現(xiàn)出檢測(cè)結(jié)果的分離程度。誤差是一個(gè)數(shù)值，所以有正負(fù)兩種數(shù)值，其正負(fù)和大小都決定于檢測(cè)結(jié)果和參考值之間的差值;不確定度是一個(gè)參數(shù)，是非負(fù)值，并且和真值無(wú)關(guān);在用真值作為參考量時(shí)，誤差就成為了一個(gè)未知數(shù);目前，不確定度是通過(guò)各種信息最后計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。

三、鋼筋抗拉強(qiáng)度檢測(cè)中不確定度的應(yīng)用

（一）檢測(cè)方法

本次以某住宅工程中常用的HRB400鋼筋為例，檢測(cè)它的抗拉強(qiáng)度，并分析檢測(cè)結(jié)果的不確定度。實(shí)驗(yàn)使用是萬(wàn)能型材料試驗(yàn)機(jī)，機(jī)器的示值誤差為0.5%，并以GB/T228.1-2010中的檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)鋼筋的抗拉強(qiáng)度。

首先將鋼筋置于合適的檢測(cè)環(huán)境中，以20MPa/s的速度開始給鋼筋增加荷載，同時(shí)使用萬(wàn)能型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行屈服，以40mm/min的速度給鋼筋施加拉力，直到鋼筋斷裂，在斷裂前施加給鋼筋的最大拉力作為鋼筋的抗拉強(qiáng)度。

（二）實(shí)驗(yàn)當(dāng)中不確定度來(lái)源

在進(jìn)行抗拉強(qiáng)度的檢測(cè)時(shí)，不確定性的來(lái)源有很多，主要幾個(gè)因素，鋼筋內(nèi)徑的不確定度分量μd;檢測(cè)結(jié)果導(dǎo)致的不確定度分量μσ1;拉力的不確定分量μF，數(shù)據(jù)修約的不確定度μσ2。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于受到應(yīng)力速率控制參數(shù)的影響，試驗(yàn)機(jī)的拉伸性能可能有一定的變化，導(dǎo)致誤差會(huì)有所增加，而且且這種情況所導(dǎo)致的不確定度也是造成不確定度增加的重要來(lái)源。由于本次實(shí)驗(yàn)在適合的測(cè)試條件中，因此這個(gè)誤差可以忽略;萬(wàn)能型試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)示值可能存在誤差，從而導(dǎo)致了不確定度的增加。

（三） 不確定度的評(píng)定

鋼筋抗拉不確定度的檢測(cè)模型為：σ=（f，F(xiàn)，d，δ）=4F/πd2，其中σ為抗拉強(qiáng)度，單位為MPa;F為拉伸的最大破壞力，單位是N;d為鋼筋的直徑，單位為mm;δ為重復(fù)檢測(cè)因子;s為鋼筋的原始橫截面積。

（1）鋼筋內(nèi)徑的不確定度分量μd的計(jì)算

由于鋼筋內(nèi)徑的檢測(cè)誤差在0.5mm，不確定度的確定通過(guò)觀測(cè)列進(jìn)行非統(tǒng)計(jì)方法來(lái)確定，最后得到估算的結(jié)果。根據(jù)B類評(píng)定結(jié)果，鋼筋的直徑誤差是結(jié)果均勻分布的，k = √3，因此可以確定鋼筋直徑的不確定度為：μd = 0.5/√3mm = 0.288mm

鋼筋內(nèi)徑相對(duì)不確定性的計(jì)算方法為：μrd =μd/d = 0.288 / 20 = 1.14%。

（2）加測(cè)數(shù)值重復(fù)性的不確定度計(jì)算

通過(guò)在同一根鋼筋上均勻選取3根鋼筋試樣，獲得的抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果為：570MPa、565MPa、560MPa，在進(jìn)行不確定度的評(píng)定時(shí)，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算，抗拉強(qiáng)度的平均值為565MPa。

（3）計(jì)算拉力標(biāo)準(zhǔn)的不確定度

檢測(cè)拉力F的不確定度的主要原因，首先是萬(wàn)能材料測(cè)試試驗(yàn)機(jī)示值系統(tǒng)可能會(huì)存在誤差，造成了不確定度μrel（F1），標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的相對(duì)不確定度μrel（F2）。還有是計(jì)算器數(shù)值收錄模塊的相對(duì)不確定度μrel（F3）。在確定萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)示值誤差的不確定度時(shí)，由于所使用的實(shí)驗(yàn)機(jī)器的示值誤差是0.5%，均勻分布k = 根號(hào)3，所以μrel（F1） = 0.5%/ = 0.289%。

測(cè)力儀器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度μrel（F2）的確定為，使用0.3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀器對(duì)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)性R為0.3%，所以測(cè)力儀器的不確定度為：μrel（F2） = 0.3%。

判斷計(jì)算機(jī)數(shù)值收錄模塊產(chǎn)生的B累標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.2，因此：μrel（F3） = 0.2%。最后獲得最強(qiáng)拉力標(biāo)準(zhǔn)的不確定度為，μrel（Fm）=0.46%。按照鋼筋抗拉強(qiáng)度修約的規(guī)定，抗拉強(qiáng)度修約的間隔壓力大約在5MPa，因此檢測(cè)不確定度μσ2為μσ2=0.29 * 5 = 1.45MPa，相對(duì)不確定度為μrσ2=1.45/565 = 0.26%。σ相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.024，包含因子k = 2，對(duì)應(yīng)的不確定度為μrσ? = 2 * 0.024 = 4.8%，所以檢測(cè)結(jié)果的不確定度為4.8%，k = 2。

四、結(jié)語(yǔ)：

鋼筋作為建筑工程施工中大量使用的材料，必須要對(duì)它的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，因此必須要檢測(cè)鋼筋的各項(xiàng)新能指標(biāo)。抗拉強(qiáng)度是鋼筋各項(xiàng)性能指標(biāo)的重點(diǎn)，實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中會(huì)存在一定的誤差，但通過(guò)標(biāo)注檢測(cè)結(jié)果的不確定度，可以對(duì)檢測(cè)結(jié)果的可用性進(jìn)行判斷，保證施工中合理的使用鋼筋。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李曉東，李曉玲.測(cè)量不確定度的相關(guān)概念及評(píng)定方法的探討[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)）. 2002（11）.

[2]杜紅濤. 談鋼筋抗拉強(qiáng)度檢測(cè)的誤差及不確定度[J]. 山西建筑，2014，40（14）.