CN111610092A - 一种混凝土实体结构施工周期控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于混凝土结构成型早期安全性判定技术领域，特别涉及一种混凝土实体结构施工周期控制系统，目的在于提供一种现场施工环境下快速判定混凝土结构整体强度的系统。该系统包括数据采集仪、云存储服务器、输入端、云计算服务器、输出端以及施工装备，数据采集仪采集的混凝土材料早期力学参数导入云存储服务器，并建立混凝土材料早期力学参数数据库；同时，通过输入端建设单位输入风险指数阈值R’，云计算服务器以接收的风险指数阈值R’为基础，提取云存储服务器中的混凝土早期力学参数数据，并据此判定结构安全施工龄期T’；输出端输出安全施工龄期T’并生成施工节奏控制指令，控制施工装备的施工节奏。

Description

一种混凝土实体结构施工周期控制系统
技术领域
本发明属于混凝土结构成型早期安全性判定技术领域，特别涉及一种混凝土实体结构施工周期控制系统。
背景技术
工程建设的效率很大程度上取决于如何在保障安全的前提下，尽快执行施工步骤。以超高层建筑施工为例，在超高层建筑建造过程中，混凝土主体结构施工往往采用大型爬升式施工平台，该施工平台支撑在新建成的部分结构上，只有当作为支撑的该部分结构强度满足要求时，方可顶升施工平台以建造新一层结构。通常，出于安全性的考虑，对新浇筑混凝土结构普遍预留较多的养护时间。在实际操作中，往往通过检测现场同步浇筑的混凝土试块强度，来判定已浇筑主体结构的强度。然而，由于实体混凝土强度随着时间先快后慢非线性式增长，而且由于实际结构及其承载方式各有不同，内部应力状态也高度复杂，单纯使用标准试验不足以准确判定结构强度。
因此，如何提供一种能够准确判定具体工程中新建结构的安全极限状态的系统是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当视为承认或以任何形式暗示该信息为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种混凝土实体结构施工周期控制系统，用于精准地分析新建混凝土结构整体安全性并应用于现场快速判定安全施工龄期，以提高工期衔接性。
为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：
一种混凝土实体结构施工周期控制系统，包括：
数据采集仪，所述数据采集仪用于获取混凝土材料早期力学参数；
云存储服务器，所述云存储服务器用于存储所述数据采集仪采集的混凝土材料早期力学参数，以建立混凝土材料早期力学参数数据库；
输入端，所述输入端用于建设单位输入风险指数阈值R’；
云计算服务器，所述云计算服务器用于接收所述风险指数阈值R’，提取云存储服务器中的混凝土早期力学参数数据，并据此判定结构安全施工龄期T’；
输出端，所述输出端用于输出所述安全施工龄期T’，并据此生成施工节奏控制指令；以及
施工装备，所述施工装备为超高层建筑自爬升式施工平台，所述施工装备根据所述施工节奏控制指令，启动液压顶升装置，将所述超高层建筑自爬升式施工平台提升至下一层，以继续进行混凝土结构浇筑施工。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提供的预测施工现场混凝土强度的系统，包括数据采集仪、云存储服务器、输入端、云计算服务器、输出端以及施工装备，数据采集仪采集的混凝土材料早期力学参数导入云存储服务器，并建立混凝土材料早期力学参数数据库；同时，通过输入端输入了建设单位输入风险指数阈值R’，云计算服务器以接收的风险指数阈值R’为基础，提取云存储服务器中的混凝土早期力学参数数据，并据此判定结构安全施工龄期T’；输出端安全施工龄期T’并生成施工节奏控制指令，控制施工装备的施工节奏。该控制系统可以根据施工方对风险控制的具体需要，精确判定诸如超高层建筑施工平台爬升的时机，从而在确保安全的前提下，比现有方法更准确有效提升施工流程衔接度，显著提高工程效率。而且，通过对结构开展精细化分析计算，可以准确得知具体结构安全极限状态。
进一步地，所述数据采集仪包括抗压强度测试仪、抗拉强度测试仪、抗弯强度测试仪、应变计以及位移计。通过数据采集仪，采用试验方法获取具体工程所用的混凝土材料成型早期力学参数随龄期T演化规律，并形成数据库。
进一步地，云存储服务器与数据采集仪之间通过有线网络、局域无线网或者移动APP形式连接。
进一步地，所述云计算服务器的处理过程为：
步骤S1、基于具体工程结构设计，建立实体结构整体有限元分析模块：
S11选取新建结构，建立三维有限元分析模型；
S12对模型中的钢筋采用嵌入式杆单元，定义钢材弹塑性本构模型，赋予屈服应力；对混凝土采用三维实体单元，选用塑性破坏本构模型，针对模拟的龄期T，基于所述混凝土材料早期力学参数数据库，分别赋予混凝土材料抗拉、抗压强度和断裂能；
S13根据施工平台顶升原理，确定施工平台在新建结构上的加载方式，把载荷作为边界条件施加在有限元模型上，开展运算；通过分析结构全域应力状态，得到当前龄期T的结构整体风险指数R，即结构中的任意一点的混凝土材料的最大主应力与当前混凝土的抗拉强度比值rt＝σmax/ft、或最小主应力绝对值与当前混凝土的抗压强度比值rc＝σmin/fc，两个比值中的最大值r＝max(rt,rc)为该点的风险指数；整个有限元模型中的所有点的风险指数中的最大值为该结构的整体风险指数R＝max(r1,r2,…,ri)，i表示有限元模型中的所有求值点；
步骤S2、针对不同龄期条件使用步骤S1所述模块开展有限元分析，寻找满足指定的风险指数阈值R’的龄期T’，采用迭代逼近算法来搜索极限状态确定相应龄期。
进一步地，所述步骤S2包括：
S21首次有限元分析，初步选择一个龄期T1作为计算初始值；
S22如果计算结果显示T1龄期下的风险指数R1≥R’，则说明该龄期结构整体强度低于阈值，此时施工风险指数过高；开始第二次有限元分析，计算较大龄期下的结构风险系数，计算R2；反之，如果R1<R’，则说明结构安全；开始第二次有限元分析，计算较小龄期下的风险系数，计算R2；
S23在后续的迭代逼近算法中，遵循以下规则：如果某次计算对应龄期Tn和上一次计算Tn-1的结论相同，即Rn和Rn-1都大于或小于R’，而且Rn比Rn-1更接近R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝2Tn-Tn-1对龄期进行外延搜索；如果Tn和Tn-1的结论相同，但是Rn比Rn-1更远离R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝2Tn-1-Tn对龄期进行转向搜索；如果Tn和Tn-1的结论相异，即Rn和Rn-1两者一个大于另一个小于R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝(Tn+Tn-1)/2对龄期进行二等分内插值操作；
S24采用上述迭代逼近算法不断缩小搜索区间逼近指定安全状态，即R’和T’，当第m次运算结果满足一定的精确度准则，则近似认为当前Tm为所要确定的龄期。
进一步地，所述精确度准则为|Rm-R’|/R’<tol，tol为预先设置的精确度1×10-4。
进一步地，所述数据采集仪获取混凝土材料早期力学参数的方法包括：
准备数量充足的混凝土试块，根据获取数据需要，在不同条件下养护试块；
分别通过抗压试验、抗拉试验获取不同龄期下混凝土的轴心受压和受拉状态下的完整应力-应变曲线；
通过与现场数据校准，包括现场同条件养护试块测试数据，获得混凝土材料在实体结构中的各项力学参数。
附图说明
图1为本发明一实施例中预测施工现场混凝土强度的系统的结构框图；
图2为本发明一实施例中预测施工现场混凝土强度的系统中迭代逼近算法遵循的规则示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的预测施工现场混凝土强度的系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。
实施例一
下面结合图1和图2，详细说明本发明的预测施工现场混凝土强度的系统。
请参考图1，一种混凝土实体结构施工周期控制系统，包括数据采集仪、云存储服务器、输入端、云计算服务器、输出端以及施工装备，数据采集仪采集的混凝土材料早期力学参数导入云存储服务器，并建立混凝土材料早期力学参数数据库；同时，通过输入端建设单位输入风险指数阈值R’，云计算服务器以接收的风险指数阈值R’为基础，提取云存储服务器中的混凝土早期力学参数数据，并据此判定结构安全施工龄期T’；输出端安全施工龄期T’并生成施工节奏控制指令，控制施工装备的施工节奏。该控制系统可以根据施工方对风险控制的具体需要，精确判定诸如超高层建筑施工平台爬升的时机，从而在确保安全的前提下，比现有方法更准确有效提升施工流程衔接度，显著提高工程效率。
在本实施例中，更优选地，数据采集仪包括抗压强度测试仪、抗拉强度测试仪、抗弯强度测试仪、应变计以及位移计。通过数据采集仪，采用试验方法获取具体工程所用的混凝土材料成型早期力学参数随龄期T演化规律，并形成数据库。
在本实施例中，更优选地，云存储服务器与数据采集仪之间通过有线网络、局域无线网或者移动APP形式连接。
在本实施例中，更优选地，所述云计算服务器的处理过程为：
步骤S1、基于具体工程结构设计，建立实体结构整体有限元分析模块：
S11选取新建结构，建立三维有限元分析模型；
S12对模型中的钢筋采用嵌入式杆单元，定义钢材弹塑性本构模型，赋予屈服应力；对混凝土采用三维实体单元，选用塑性破坏本构模型，针对模拟的龄期T，基于所述混凝土材料早期力学参数数据库，分别赋予混凝土材料抗拉、抗压强度和断裂能；
S13根据施工平台顶升原理，确定施工平台在新建结构上的加载方式，把载荷作为边界条件施加在有限元模型上，开展运算；通过分析结构全域应力状态，得到当前龄期T的结构整体风险指数R，即结构中的任意一点的混凝土材料的最大主应力与当前混凝土的抗拉强度比值rt＝σmax/ft、或最小主应力绝对值与当前混凝土的抗压强度比值rc＝σmin/fc，两个比值中的最大值r＝max(rt,rc)为该点的风险指数；整个有限元模型中的所有点的风险指数中的最大值为该结构的整体风险指数R＝max(r1,r2,…,ri)，i表示有限元模型中的所有求值点；
步骤S2、针对不同龄期条件使用步骤S1所述模块开展有限元分析，寻找满足指定的风险指数阈值R’的龄期T’，采用迭代逼近算法来搜索极限状态确定相应龄期。
在本实施例中，更优选地，步骤S2包括：
S21首次有限元分析，初步选择一个龄期T1作为计算初始值；
S22如果计算结果显示T1龄期下的风险指数R1≥R’，则说明该龄期结构整体强度低于阈值，此时施工风险指数过高；开始第二次有限元分析，计算较大龄期下的结构风险系数，计算R2；反之，如果R1<R’，则说明结构安全；开始第二次有限元分析，计算较小龄期下的风险系数，计算R2；
S23在后续的迭代逼近算法中，遵循以下规则：请参考图2，如图2(a)，如果某次计算对应龄期Tn和上一次计算Tn-1的结论相同，即Rn和R n-1都大于或小于R’，而且Rn比Rn-1更接近R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝2Tn-Tn-1对龄期进行外延搜索；如图2(b)，如果Tn和Tn-1的结论相同，但是Rn比Rn-1更远离R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝2Tn-1-Tn对龄期进行转向搜索；如图2(c)，如果Tn和Tn-1的结论相异，即Rn和Rn-1两者一个大于另一个小于R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝(Tn+Tn-1)/2对龄期进行二等分内插值操作；
S24采用上述迭代逼近算法不断缩小搜索区间逼近指定安全状态，即R’和T’，当第m次运算结果满足一定的精确度准则，则近似认为当前Tm为所要确定的龄期。
在本实施例中，更优选地，精确度准则为|Rm-R’|/R’<tol，tol为预先设置的精确度1×10-4。
在本实施例中，更优选地，数据采集仪获取混凝土材料早期力学参数的方法包括：
准备数量充足的混凝土试块，根据获取数据需要，在不同条件下养护试块；
分别通过抗压试验、抗拉试验获取不同龄期下混凝土的轴心受压和受拉状态下的完整应力-应变曲线；
通过与现场数据校准，包括现场同条件养护试块测试数据，获得混凝土材料在实体结构中的各项力学参数。
上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受以上实施例的限制。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种混凝土实体结构施工周期控制系统，其特征在于，包括：
数据采集仪，所述数据采集仪用于获取混凝土材料早期力学参数；
云存储服务器，所述云存储服务器用于存储所述数据采集仪采集的混凝土材料早期力学参数，以建立混凝土材料早期力学参数数据库；
输入端，所述输入端用于建设单位输入风险指数阈值R’；
云计算服务器，所述云计算服务器用于接收所述风险指数阈值R’，提取云存储服务器中的混凝土早期力学参数数据，并据此判定结构安全施工龄期T’；
输出端，所述输出端用于输出所述安全施工龄期T’，并据此生成施工节奏控制指令；以及
施工装备，所述施工装备为超高层建筑自爬升式施工平台，所述施工装备根据所述施工节奏控制指令，启动液压顶升装置，将所述超高层建筑自爬升式施工平台提升至下一层，以继续进行混凝土结构浇筑施工。
2.根据权利要求1所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，
所述数据采集仪包括抗压强度测试仪、抗拉强度测试仪、抗弯强度测试仪、应变计以及位移计。
3.根据权利要求1所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，
所述云存储服务器与数据采集仪之间通过有线网络、局域无线网或者移动APP形式连接。
4.根据权利要求1所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，所述云计算服务器的处理过程为：
步骤S1、基于具体工程结构设计，建立实体结构整体有限元分析模块：
S11选取新建结构，建立三维有限元分析模型；
S12对模型中的钢筋采用嵌入式杆单元，定义钢材弹塑性本构模型，赋予屈服应力；对混凝土采用三维实体单元，选用塑性破坏本构模型，针对模拟的龄期T，基于所述混凝土材料早期力学参数数据库，分别赋予混凝土材料抗拉、抗压强度和断裂能；
S13根据施工平台顶升原理，确定施工平台在新建结构上的加载方式，把载荷作为边界条件施加在有限元模型上，开展运算；通过分析结构全域应力状态，得到当前龄期T的结构整体风险指数R，即结构中的任意一点的混凝土材料的最大主应力与当前混凝土的抗拉强度比值rt＝σmax/ft、或最小主应力绝对值与当前混凝土的抗压强度比值rc＝σmin/fc，两个比值中的最大值r＝max(rt,rc)为该点的风险指数；整个有限元模型中的所有点的风险指数中的最大值为该结构的整体风险指数R＝max(r1,r2,…,ri)，i表示有限元模型中的所有求值点；
步骤S2、针对不同龄期条件使用步骤S1所述模块开展有限元分析，寻找满足指定的风险指数阈值R’的龄期T’，采用迭代逼近算法来搜索极限状态确定相应龄期。
5.根据权利要求4所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21首次有限元分析，初步选择一个龄期T1作为计算初始值；
S22如果计算结果显示T1龄期下的风险指数R1≥R’，则说明该龄期结构整体强度低于阈值，此时施工风险指数过高；开始第二次有限元分析，计算较大龄期下的结构风险系数，计算R2；反之，如果R1<R’，则说明结构安全；开始第二次有限元分析，计算较小龄期下的风险系数，计算R2；
S23在后续的迭代逼近算法中，遵循以下规则：如果某次计算对应龄期Tn和上一次计算Tn-1的结论相同，即Rn和Rn-1都大于或小于R’，而且Rn比Rn-1更接近R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝2Tn-Tn-1对龄期进行外延搜索；如果Tn和Tn-1的结论相同，但是Rn比Rn-1更远离R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝2Tn-1-Tn对龄期进行转向搜索；如果Tn和Tn-1的结论相异，即Rn和Rn-1两者一个大于另一个小于R’，则下一次计算需要通过公式Tn+1＝(Tn+Tn-1)/2对龄期进行二等分内插值操作；
S24采用上述迭代逼近算法不断缩小搜索区间逼近指定安全状态，即R’和T’，当第m次运算结果满足一定的精确度准则，则近似认为当前Tm为所要确定的龄期。
6.根据权利要求5所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，所述精确度准则为|Rm-R’|/R’<tol，tol为预先设置的精确度1×10-4。
7.根据权利要求1所述的预测施工现场混凝土强度的系统，其特征在于，所述数据采集仪获取混凝土材料早期力学参数的方法包括：
准备数量充足的混凝土试块，根据获取数据需要，在不同条件下养护试块；
分别通过抗压试验、抗拉试验获取不同龄期下混凝土的轴心受压和受拉状态下的完整应力-应变曲线；
通过与现场数据校准，包括现场同条件养护试块测试数据，获得混凝土材料在实体结构中的各项力学参数。
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张杨 等: "超高层建筑核心筒结构"四机械一筒体"施工技术研究", 《建筑施工》 *

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CN111610092B (zh) 2023-04-07

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