CN114547745A - 一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，与现有技术相比，本发明在现有钢管混凝土脱空缺陷实验数据的基础上，利用现有的建模方法，可快速获得新混凝土配比成分、膨胀剂掺用量、振捣条件对应的脱空缺陷尺寸数据，从而解决了钢管混凝土脱空缺陷的非破损检测手段仅能做定性分析而无法具体量化内部缺陷，加之规范上对脱空也无明确的量化要求的问题。同时，该方法还克服了非破损检测需要繁琐耗时耗材耗力人工实验检测的问题，在混凝土配比设计阶段，即可给设计人员提供钢管混凝土脱空缺陷尺寸的预测参考，大大降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法。
背景技术
钢管混凝土就是把混凝土灌入钢管中并振捣密实以加大钢管的强度和刚度的一种新型复合型材料构件。一般的，我们把混凝土强度等级在C50以下的钢管混凝土称为普通钢管混凝土；混凝土强度等级在C50以上的钢管混凝土称为钢管高强混凝土；混凝土强度等级在C100以上的钢管混凝土称为钢管超高强混凝土。
此外，钢管混凝土组合结构的关键技术是需要保证核心混凝土和钢管壁的紧密结合，这样才能保证复合材料性能的设计初衷。但是，钢管混凝土在施工过程中容易由于混凝土材料、配合比设计、施工不当等因素造成混凝土材料内部存在空洞、疏松、施工缝、组织不均匀等问题导致混凝土与钢管的不良胶结，加之在密闭养护条件下及混凝土材料自身硬化后存在收缩现象，往往混凝土的体积膨胀性和可控性都难以保证，造成脱空缺陷的产生。
针对上述现象，行业内形成了针对钢管混凝土结构脱空缺陷的检测标准和方法，但国内关于钢管混凝土缺陷检测技术的规范对钢管混凝土缺陷检测的测试方法和分析判断技术规定的很粗略，在实际应用中可操作性较差，检测人员不能有效地判定或区分缺陷属于钢管脱空或内部混凝土不密实。而目前国内外对钢管内混凝土的检测和综合分析判定，又大多仅能给出定性判定结果。例如，为确保钢管混凝土浇筑质量，前期现场已浇筑的钢管混凝土柱多采用串管施工工艺，并在柱内混凝土达到龄期后进行钢管柱混凝土脱空测试和CT测试，经测试钢管柱内混凝土密实，满足设计和规范要求，但混凝土与钢管柱之间仍有脱空现象。另一方面，不同地域，混凝土组成成分差异大，必须实地进行钢管柱混凝土脱空实验以获得数据样本。实际应用中，不同施工单位受于自身各种条件限制，获得的不同地域混凝土实验样本噪声差异大，且样本数量有多有少。因此，在实际钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测时，受不同实际工况的影响，以及鉴于各自方法的优缺点，其应用效果的鲁棒性往往难以保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于公开一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，通过对钢管试件进行实体剖切来量化脱空尺寸，收集不同的配合比、膨胀剂掺量和振捣工艺对钢管混凝土柱脱空缺陷的实验数据，利用现有的建模方法，快速获得新混凝土配比成分、膨胀剂掺用量、振捣条件对应的脱空缺陷尺寸数据，从而提高对不同实际工况的适应性，即鲁棒性，这对于钢管柱混凝土快速配合比设计和质量控制具有重要意义。
本发明通过下述技术方案实现：
一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，如图1-3所示，包括以下步骤：
S1：准备与项目施工现场所采用材料一致的实验材料，并记录混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数；
S2：根据不同的混凝土配合比、不同的膨胀剂重量比及振捣条件，分别制作混凝土配合比试件、膨胀剂重量比试件和振捣条件试件各至少3件，并采集振捣条件参数；
S3：对混凝土配合比试件、膨胀剂掺用量试件和振捣条件试件实体进行剖切，测量并采集脱空缺陷的实际尺寸，将混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数、振捣条件参数、脱空缺陷尺寸参数导入数据库；
S4：对数据库中各参数数据做标准化处理，得到新的参数数据；
S5：基于偏最小二乘法和标准化处理后的参数数据构建钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型；
S6：利用钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型对后续钢管柱混凝土浇筑脱空缺陷尺寸进行预测。
作为本发明的一种优选技术方案，所述混凝土配合比试件为在膨胀剂重量比保持在6％的条件下，配置包括以水泥、砂、石、水、高效减水剂、粉煤灰、矿粉、微硅粉为材料组分的混凝土试件。
作为本发明的一种优选技术方案，所述混凝土配合比试件中的砂、石为风干状态。
作为本发明的一种优选技术方案，所述混凝土配合比试件的制作过程需对混凝土进行振捣。
作为本发明的一种优选技术方案，所述膨胀剂重量比试件为在膨胀剂重量比分别为6％，8％和10％的条件下，配置包括以水泥、砂、石、水、高效减水剂、粉煤灰、矿粉、微硅粉为材料组分的混凝土试件。
作为本发明的一种优选技术方案，所述膨胀剂中的砂、石为风干状态。
作为本发明的一种优选技术方案，所述膨胀剂重量比试件的制作过程需对混凝土进行振捣。
作为本发明的一种优选技术方案，所述振捣条件试件采用与混凝土配合比试件相同的材料组分。
作为本发明的一种优选技术方案，所述振捣条件试件的制作过程无需对混凝土振捣。
作为本发明的一种优选技术方案，所述构建钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型的过程中，是将标准化处理后的参数数据随机划分成75％的训练集和25％的测试集，并将混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数、振捣条件参数作为输入值，脱空缺陷尺寸参数数据作为输出值。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明在现有钢管混凝土脱空缺陷实验数据的基础上，利用现有的建模方法，可快速获得新混凝土配比成分、膨胀剂掺用量、振捣条件对应的脱空缺陷尺寸数据，从而解决了钢管混凝土脱空缺陷的非破损检测手段仅能做定性分析而无法具体量化内部缺陷，加之规范上对脱空也无明确的量化要求的问题。同时，该方法还克服了非破损检测需要繁琐耗时耗材耗力人工实验检测的问题，在混凝土配比设计阶段，即可给设计人员提供钢管混凝土脱空缺陷尺寸的预测参考，大大降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1展示了利用本发明实施例提供的钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法流程图；
图2为本发明实施例提供的试件及基础平面图；
图3为本发明实施例提供的试件及基础立面图；
附图中标记及对应名称：
1-混凝土配合比试件，2-膨胀剂掺用量试件，3-振捣条件试件，4-基座。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
实施例
如图1-3所示，本发明实施例提供的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备与项目施工现场所采用材料一致的实验材料，并记录混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数；
S2：根据不同的混凝土配合比、不同的膨胀剂重量比及振捣条件，分别制作混凝土配合比试件、膨胀剂重量比试件和振捣条件试件各至少3件，并采集振捣条件参数；
S3：对混凝土配合比试件、膨胀剂掺用量试件和振捣条件试件实体进行剖切，测量并采集脱空缺陷的实际尺寸，将混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数、振捣条件参数、脱空缺陷尺寸参数导入数据库；
S4：对数据库中各参数数据做标准化处理，得到新的参数数据；
S5：基于偏最小二乘法和标准化处理后的参数数据构建钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型；
S6：利用钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型对后续钢管柱混凝土浇筑脱空缺陷尺寸进行预测。
其中，所述混凝土配合比试件为在膨胀剂重量比保持在6％的条件下，配置包括以水泥、砂、石、水、高效减水剂、粉煤灰、矿粉、微硅粉为材料组分的混凝土试件。通过调整水和粗细骨料等用量设计成不同的配合比，通过试验选择最佳的配合比，选用三个不同配合比进行对比试验，具体配合比如下：
单位：每m3用料(kg)
| 编号 | 水泥 | 砂 | 石 | 水 | 高效减水剂 | 膨胀剂(6％) | 粉煤灰 | 矿粉 | 微硅粉 |
| P1 | 395 | 824 | 893 | 180 | 12.5 | 30 | 50 | 25 | 30 |
| P2 | 395 | 827 | 896 | 175 | 12.5 | 30 | 50 | 25 | 30 |
| P3 | 395 | 829 | 898 | 170 | 12.5 | 30 | 50 | 25 | 30 |
编号为P1配合比为基本配合比，前期浇筑的钢管柱均采用该配合比；混凝土配合比试件所用砂、石为风干状态，用水量可随现场砂石实际含水率做调整；混凝土配合比试件的混凝土浇筑过程均需对混凝土振捣。
其中，所述膨胀剂重量比试件为在膨胀剂重量比分别为6％，8％和10％的条件下，配置包括以水泥、砂、石、水、高效减水剂、粉煤灰、矿粉、微硅粉为材料组分的混凝土试件。通过调整膨胀剂重量比以验证混凝土的收缩性能，以确定最佳的膨胀剂重量比，选用三个不同膨胀剂掺量进行对比试验，具体配合比如下：
单位：每m3用料(kg)
| 编号 | 水泥 | 砂 | 石 | 水 | 高效减水剂 | 膨胀剂 | 粉煤灰 | 矿粉 | 微硅粉 | 备注 |
| W1 | 395 | 824 | 893 | 180 | 12.5 | 30 | 50 | 25 | 30 | 6％膨胀剂 |
| W2 | 395 | 820 | 888 | 180 | 12.5 | 40 | 50 | 25 | 30 | 8％膨胀剂 |
| W3 | 395 | 815 | 883 | 180 | 12.5 | 50 | 50 | 25 | 30 | 10％膨胀剂 |
调整膨胀剂重量比试件所用砂、石为风干状态，用水量可随现场砂石实际含水率做调整；膨胀剂重量比试件的混凝土浇筑过程均需对混凝土振捣。
其中，振捣条件试件用于验证施工振捣对混凝土施工质量的影响，配合比先用膨胀剂掺量对比方案中配合比，共计三根，编号为Z1、Z2和Z3，此三根试件在施工过程中无需对混凝土振捣，通过与膨胀剂重量比试件进行对比。
其中，所述构建钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型的过程中，是将标准化处理后的参数数据随机划分成75％的训练集和25％的测试集，并将混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数、振捣条件参数作为输入值，脱空缺陷尺寸参数数据作为输出值。
其中，直径为1m的试件按照3x3的矩阵均匀排列在6000mm*6000mm*500mm的基座上，横向间距1800mm，纵向间距1800mm，试件高3600mm。
目前行业内对于钢管内混凝土浇筑主要有三种方式(多点开孔倒喂灌入+振捣密实法、高位抛落法和泵送顶升法)，本实施例工程受到建筑结构形式的限制，设计采用高位抛落法为主，其它浇筑方式为辅的思路开展。当钢管柱分成多段，则和传统的墙柱浇筑施工类似，采用高抛混凝土，从顶部浇筑，加之振捣密实。此方法在高度不大的钢管混凝土结构中应用较多，但该方法同样施工周期长，管内混凝土不连续，整体性差，不易排气，特别是当钢管内有隔板时易形成脱孔等隐患，且高抛下落高度不能过大(不宜超过5m)。而且本案例工程中，钢管混凝土柱有竖直柱和倾斜柱两种形式，倾斜柱均为变截面锥形柱，由于管柱内部存在大量安装管道和钢管柱加劲环板等，致使混凝土浇筑过程中难以振捣，设计采用自密实混凝土浇筑，但混凝土一次性浇筑最大高度仍超过15m，施工难度大，容易出现脱空缺陷。
为了在混凝土配比设计阶段，即可给设计人员提供钢管混凝土脱空缺陷尺寸的预测参考，本实施例进行了场外钢管混凝土柱对比实验，通过对钢管试件进行实体剖切来量化脱空尺寸，收集不同的配合比、膨胀剂掺量和振捣工艺对钢管混凝土柱脱空缺陷的实验数据，并利用偏最小二乘法构建了钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型，为后续钢管柱混凝土浇筑和今后类似工程提供数据支撑和依据。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者所述的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等等。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备与项目施工现场所采用材料一致的实验材料，并记录混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数；
S2：根据不同的混凝土配合比、不同的膨胀剂重量比及振捣条件，分别制作混凝土配合比试件、膨胀剂重量比试件和振捣条件试件各至少3件，并采集振捣条件参数；
S3：对混凝土配合比试件、膨胀剂掺用量试件和振捣条件试件实体进行剖切，测量并采集脱空缺陷的实际尺寸，将混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数、振捣条件参数、脱空缺陷尺寸参数导入数据库；
S4：对数据库中各参数数据做标准化处理，得到新的参数数据；
S5：基于偏最小二乘法和标准化处理后的参数数据构建钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型；
S6：利用钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型对后续钢管柱混凝土浇筑脱空缺陷尺寸进行预测。
2.根据权利要求1所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述混凝土配合比试件为在膨胀剂重量比保持在6％的条件下，配置包括以水泥、砂、石、水、高效减水剂、粉煤灰、矿粉、微硅粉为材料组分的混凝土试件。
3.根据权利要求2所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述混凝土配合比试件中的砂、石为风干状态。
4.根据权利要求1所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述混凝土配合比试件的制作过程需对混凝土进行振捣。
5.根据权利要求2所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述膨胀剂重量比试件为在膨胀剂重量比分别为6％，8％和10％的条件下，配置包括以水泥、砂、石、水、高效减水剂、粉煤灰、矿粉、微硅粉为材料组分的混凝土试件。
6.根据权利要求5所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述膨胀剂重量比试件中的砂、石为风干状态。
7.根据权利要求1所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述膨胀剂重量比试件的制作过程需对混凝土进行振捣。
8.根据权利要求1所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述振捣条件试件采用与混凝土配合比试件相同的材料组分。
9.根据权利要求1所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述振捣条件试件的制作过程无需对混凝土振捣。
10.根据权利要求1所述的一种钢管柱混凝土脱空缺陷定量预测方法，其特征在于，所述构建钢管混凝土脱空缺陷定量预测模型的过程中，是将标准化处理后的参数数据随机划分成75％的训练集和25％的测试集，并将混凝土配合比参数、膨胀剂参用量参数、振捣条件参数作为输入值，脱空缺陷尺寸参数数据作为输出值。
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| CN115477511B (zh) * | 2022-08-19 | 2024-03-08 | 中建西部建设西南有限公司 | 一种顶升混凝土配合比设计方法 |
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