鋼筋抗拉強度檢測中的誤差及不確定度分析

陳濤

摘要：通過對鋼筋抗拉強度檢測結果的不確定性進行分析，能夠判斷檢測結果的利用價值，保證鋼筋使用的合理性。本文對鋼筋抗拉強度檢測中的誤差和不確定度進行分析，論述了其誤差和不確定度的關系，通過實例分析如何計算檢測結果的不確定性。

關鍵詞：鋼筋;抗拉強度檢驗;誤差;不確定度分析

在鋼筋抗拉強度檢測結果分析中，如果只是使用誤差對檢測結果進行判斷，就會忽視許多影響檢測結果的因素，這樣的評判是不可靠的。隨著對精度的要求越來越高，當前要對檢測結果的不確定度進行標注，從而合理地使用最后的檢測結果。

一、鋼筋抗拉強度的誤差種類

目前，鋼筋在當前建筑物建設中有十分重要的地位，由于使用量較多，必須要對其抗拉強度進行檢測，才能正確地使用各種強度的鋼筋[1]。當前鋼筋經常被使用在鋼筋混凝土結構的鋼筋籠綁扎中，其抗拉強度將會決定整個建筑物的質量。影響抗拉強度結果的因素有很多，這些會導致結果出現誤差，造成結果不準確。

（一）系統誤差

系統誤差是對某一個物理量相同精度的反復檢測后，發現誤差大小始終不變，或者誤差的變化有著明顯的規律，這就證明這些誤差是由于一些特性造成的。然而在實際檢測當中，這樣的誤差無法消除，并且會伴隨著整個檢測工作始終存在。

（二）隨機誤差

在對某一項指標或者某一個物理量進行了兩次檢測后，所得到的結果誤差大小不一致，呈離散性分布。隨機誤差和系統誤差存在的區別在于誤差的變化沒有規律，具有很強的隨機性。這種誤差是可以解決的，可以通過增加檢測的次數將誤差對精確性的影響減到最低。

（三）過失誤差

過失誤差的出現在于檢測人員和檢測儀器;例如檢測的人員沒有合理的使用檢測方法，導致了檢測結果的不準確，或者在檢測過程中選擇了錯誤的儀器，或者由于儀器自身存在一定的問題，最后導致檢測條件不符合，從而出現了誤差。這種誤差在實際工作當中也非常常見，但也可通過一些措施進行有效地消除。

二、不確定度和誤差之間的關系

（一）不確定度的意義

在對某一個物理量進行檢測時，受外界原因和內部原因的影響，會不可避免地存在各種誤差，導致不能準確得到定某一個物理量的數值。而不確定度，就是這些物理量的不確定程度。如果檢測結果的質量很高，檢測結果的不確定度非常小;但是如果檢測結果的質量很低，檢測結果就會有很高的不確定度，這樣的結果通常會和真實值有很大的出入[2]。相比之下，不確定度高的結果缺少足夠的應用價值，不確定度低的結果的利用價值比較高。在實際的工作中，在給出一個物理量檢測結果的同時，也需要給出這個檢測結果的不確定度，從而判斷檢測結果的可利用性，同時也讓檢測結果之間具有更強的可比性。

雖然很多誤差都來自于儀器，當前并沒有對不確定度的評價，在實際工作中也不會給出不確定度的大小。但由于儀器會提供一些標準值，可以評價這些標準值的不確定度。同時，不確定度并不是一個儀器或者一根鋼筋的固有特性，只是工程當中的一個參數。儀器由于自身性能的原因，示值也存在一些誤差，這個誤差也和檢測結果的不確定度有很大的關系。

（二）不確定度

不確定度和誤差的含義完全不同，但是二者的關系依然十分密切。誤差的大小決定了檢測結果的準確性，而不確定度的大小則能說明一個數據的可信程度;誤差表現的是檢測結果和參考量之間的偏離大小，而不確定性則能夠體現出檢測結果的分離程度。誤差是一個數值，所以有正負兩種數值，其正負和大小都決定于檢測結果和參考值之間的差值;不確定度是一個參數，是非負值，并且和真值無關;在用真值作為參考量時，誤差就成為了一個未知數;目前，不確定度是通過各種信息最后計算出來的結果。

三、鋼筋抗拉強度檢測中不確定度的應用

（一）檢測方法

本次以某住宅工程中常用的HRB400鋼筋為例，檢測它的抗拉強度，并分析檢測結果的不確定度。實驗使用是萬能型材料試驗機，機器的示值誤差為0.5%，并以GB/T228.1-2010中的檢測方法來檢測鋼筋的抗拉強度。

首先將鋼筋置于合適的檢測環境中，以20MPa/s的速度開始給鋼筋增加荷載，同時使用萬能型試驗機進行屈服，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度。

（二）實驗當中不確定度來源

在進行抗拉強度的檢測時，不確定性的來源有很多，主要幾個因素，鋼筋內徑的不確定度分量μd;檢測結果導致的不確定度分量μσ1;拉力的不確定分量μF，數據修約的不確定度μσ2。在進行檢測時，由于受到應力速率控制參數的影響，試驗機的拉伸性能可能有一定的變化，導致誤差會有所增加，而且且這種情況所導致的不確定度也是造成不確定度增加的重要來源。由于本次實驗在適合的測試條件中，因此這個誤差可以忽略;萬能型試驗機的測力系統示值可能存在誤差，從而導致了不確定度的增加。

（三） 不確定度的評定

鋼筋抗拉不確定度的檢測模型為：σ=（f，F，d，δ）=4F/πd2，其中σ為抗拉強度，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為重復檢測因子;s為鋼筋的原始橫截面積。

（1）鋼筋內徑的不確定度分量μd的計算

由于鋼筋內徑的檢測誤差在0.5mm，不確定度的確定通過觀測列進行非統計方法來確定，最后得到估算的結果。根據B類評定結果，鋼筋的直徑誤差是結果均勻分布的，k = √3，因此可以確定鋼筋直徑的不確定度為：μd = 0.5/√3mm = 0.288mm

鋼筋內徑相對不確定性的計算方法為：μrd =μd/d = 0.288 / 20 = 1.14%。

（2）加測數值重復性的不確定度計算

通過在同一根鋼筋上均勻選取3根鋼筋試樣，獲得的抗拉強度檢測結果為：570MPa、565MPa、560MPa，在進行不確定度的評定時，使用統計學方法，經過計算，抗拉強度的平均值為565MPa。

（3）計算拉力標準的不確定度

檢測拉力F的不確定度的主要原因，首先是萬能材料測試試驗機示值系統可能會存在誤差，造成了不確定度μrel（F1），標準測力儀的相對不確定度μrel（F2）。還有是計算器數值收錄模塊的相對不確定度μrel（F3）。在確定萬能材料試驗機示值誤差的不確定度時，由于所使用的實驗機器的示值誤差是0.5%，均勻分布k = 根號3，所以μrel（F1） = 0.5%/ = 0.289%。

測力儀器的相對標準不確定度μrel（F2）的確定為，使用0.3級的標準測力儀器對萬能材料試驗機進行檢測，重復性R為0.3%，所以測力儀器的不確定度為：μrel（F2） = 0.3%。

判斷計算機數值收錄模塊產生的B累標準不確定度為0.2，因此：μrel（F3） = 0.2%。最后獲得最強拉力標準的不確定度為，μrel（Fm）=0.46%。按照鋼筋抗拉強度修約的規定，抗拉強度修約的間隔壓力大約在5MPa，因此檢測不確定度μσ2為μσ2=0.29 * 5 = 1.45MPa，相對不確定度為μrσ2=1.45/565 = 0.26%。σ相對合成標準不確定度為0.024，包含因子k = 2，對應的不確定度為μrσ? = 2 * 0.024 = 4.8%，所以檢測結果的不確定度為4.8%，k = 2。

四、結語：

鋼筋作為建筑工程施工中大量使用的材料，必須要對它的各項性能指標進行檢測，因此必須要檢測鋼筋的各項新能指標。抗拉強度是鋼筋各項性能指標的重點，實際檢測過程中會存在一定的誤差，但通過標注檢測結果的不確定度，可以對檢測結果的可用性進行判斷，保證施工中合理的使用鋼筋。

參考文獻：

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

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