一种UHPC原位抗压强度预测方法及系统与流程

本发明属于混凝土结构检测，具体涉及一种uhpc原位抗压强度预测方法及系统。

背景技术：

1、超高性能混凝土（ultrahigh performance concrete，简称uhpc）因其具有优异的力学性能和耐久性，在桥梁工程、海洋工程、防护结构等领域得到日益广泛应用；原位快速推定抗压强度对于uhpc结构质量评估具有重要意义；然而，现在关于uhpc的原位抗压强度测试方法尚无较为成熟技术。

2、目前，普通强度等级的混凝土结构强度测试通常采用传统拔出法进行，基于单根螺栓（带头螺栓或无头螺栓）的极限拔出力与抗压强度建立经验公式进行强度推定；然而，该传统拔出法存在以下不足之处：

3、1）通常择一使用带头螺栓或无头螺栓，但未区分两种螺栓拔出破坏模式差异，带头螺栓的拔出使混凝土结构呈锥体拉断破坏模式，无头螺栓的拔出使混凝土结构呈粘结滑移破坏模式；

4、2）未有效综合拉拔因素建立耦合模型；传统拔出法通常开展不同直径和锚固深度的拔出试验，但进行模型建立时，按不同锚固深度、不同直径的工况建立一元回归模型，且公式一般为线性方程，模型适应性差；

5、3）未与其他检测手段有效融合；比如回弹法与抗压强度密切相关，但传统拔出法通常未将回弹值与拔出力进行协同建模。

6、另外，通过梳理现有研究成果、行业规范及公开专利技术可知，当前uhpc原位测强技术仍存在诸多研究空白与技术短板，说明如下：

7、1）专利cn110553901b提供了一种强度高、注胶饱满、结构简单、操作方便的用于后装拔出法检测活性粉末混凝土强度的锚固件成套装置，构造简单，锚固件的锚固端采用尖头形式代替以往的平头式；但此方法主要停留在后装法装置和操作层面；

8、2）《拔出法检测混凝土强度技术规程》（cecs 69：2011），给出了后装拔出法、预埋拔出法及配套的统一测强曲线，应用范围扩大到抗压强度不大于80mpa；此方法在进行强度换算时，通过最小二乘法进行回归分析，分别对后装拔出法和预埋拔出法建立了拔出力和混凝土抗压强度的线性关系模型，并规定测强曲线仅限于回归数据的强度范围内，不得外推；所以，一方面并不代表该线性模型适用于uhpc，另一方面预测方法较为简单；

9、3）专利cn103398899a公开了一种山砂混凝土抗压强度后装拔出法检测方法，其给出试验方法并得到线性形式的测强曲线，但明确范围只适用于c7.5～c65；虽然给出了山砂混凝土的专用测强曲线，但本质与现行规范的方法相同；

10、4）湖南大学硕士论文《拔出法检测超高性能混凝土抗压强度试验研究》，给出了先装拔出法（即预埋拔出法）和后装拔出法下uhpc的测强曲线，研究覆盖不同拔出方法以及不同强度等级、不同锚固深度；但此方法所提出的测强曲线，仍采用最小二乘法进行回归分析，建立拔出力与混凝土抗压强度的线性模型，本质与现行规范的方法相同。

技术实现思路

1、针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供一种uhpc原位抗压强度预测方法及系统，旨在利用无头螺栓和带头螺栓的双模式拔出破坏模式差异且结合回弹值来对uhpc构件抗压强度进行预测，提高uhpc原位抗压强度的预测精度。

2、本发明提供一种uhpc原位抗压强度预测方法，包括以下步骤：

3、s1、获取标定样本数据集，包括：对不同强度等级的多个uhpc试样分别进行回弹测试及抗压试验，获得每个测区的回弹代表值及抗压强度代表值；对每一uhpc试样，分别采用不同直径的无头螺栓和带头螺栓进行不同锚固深度的拔出试验，获得无头螺栓极限拔出力代表值和带头螺栓极限拔出力代表值；

4、s2、构造应力特征值，包括：根据式(4)构造无头螺栓名义粘结应力，根据式(5)构造带头螺栓名义锥体拉应力；其中，为螺栓直径，为螺栓锚固深度，为表征锥体破坏面侧向扩展程度的形状参数；

5、     (4)；

6、     (5)；

7、s3、建立响应面模型并标定，包括：

8、以为响应变量、以、、为自变量，建立式(6)所示的乘幂型响应面模型，对其取自然对数后，获得式(7)所示的对数线性响应面模型；其中，、、、为待标定参数；

9、      (6)；

10、      (7)；

11、采用双层嵌套优化策略，基于标定样本数据集，通过外层循环搜索形状参数、内层使用最小二乘法拟合对数线性响应面模型，并以留一交叉验证决定系数最大为准则，确定最优形状参数及对应的待标定参数、、、，从而完成响应面模型的标定；

12、s4、现场原位抗压强度预测，包括：对待测uhpc构件分别进行回弹测试、无头螺栓及带头螺栓的拔出试验，获得回弹代表值、无头螺栓极限拔出力代表值和带头螺栓极限拔出力代表值，将其代入标定后的响应面模型中，获得待测uhpc构件抗压强度预测值。

13、在其中一些实施例中，步骤s1中带头螺栓及无头螺栓于uhpc试样上的安装方式，与步骤s4中带头螺栓及无头螺栓于待测uhpc构件上的安装方式一致；安装方式为螺栓预埋法或螺栓后装法中的一种。

14、在其中一些实施例中，在步骤s1中，在进行拔出试验时，采用至少两种不同直径的无头螺栓及带头螺栓，且锚固深度至少为三种。

15、在其中一些实施例中，在步骤s1中，在对uhpc试样进行抗压试验时，每个测区的抗压强度重复值不少于4个；对每个测区的抗压强度重复值进行格拉布斯双侧检验一次，剔除异常值后取剩余抗压强度值的算术平均值，作为每个测区的抗压强度代表值。

16、在其中一些实施例中，在步骤s1及步骤s4中，在进行拔出试验时，无头螺栓的极限拔出力重复值和带头螺栓的极限拔出力重复值均不少于4个；对每个测区的无头螺栓极限拔出力重复值、带头螺栓极限拔出力重复值分别进行格拉布斯双侧检验一次，取剔除异常值后剩余数据的算术平均值，作为每个测区的无头螺栓极限拔出力代表值和带头螺栓极限拔出力代表值。

17、在其中一些实施例中，在步骤s1及步骤s4中，在进行回弹测试时，每个测区至少测量16个回弹值，剔除其中的3个最大回弹值及3个最小回弹值后取剩余回弹值的算术平均值，作为每个测区的回弹代表值。

18、在其中一些实施例中，在步骤s3中，通过外层循环搜索形状参数时，设形状参数位于候选区间内，及分别为锥体破坏面半顶角的最小值及最大值，以预设步长遍历，生成多个形状参数候选值，；内层使用最小二乘法拟合对数线性响应面模型时，对每个执行以下操作：

19、根据式(5)计算所有个标定样本的带头螺栓名义锥体拉应力；

20、基于式(7)，构建设计矩阵和响应向量，包括自变量、、及截距项，使用最小二乘法求解回归系数，其中，；

21、根据式(10)计算留一交叉验证决定系数，其中，为第个标定样本抗压强度代表值的对数值，为剔除第个标定样本后响应面模型对的预测值，为所有标定样本抗压强度代表值的均值；

22、      (10)；

23、然后，选取最大的作为最优形状参数，并同时获得对应的回归系数，从而确定最优形状参数及待标定参数、、、。

24、在其中一些实施例中，还包括响应面分析与诊断步骤，该步骤在完成步骤s3后、执行步骤s4前进行，具体为，基于标定后的响应面模型，进行决定系数的计算以及抗压强度预测值与实测值的对比分析，以验证标定后的响应面模型是否满足预设的预测精度要求。

25、本发明还提供一种uhpc原位抗压强度预测系统，用于执行前述的uhpc原位抗压强度预测方法；uhpc原位抗压强度预测系统包括：

26、试验模块，其用于对所有uhpc试样进行抗压试验，以获得每个测区的抗压强度代表值；还用于对所有uhpc试样及待测uhpc构件进行回弹测试、无头螺栓及带头螺栓的拔出试验，以获得每个测区的回弹代表值、无头螺栓极限拔出力代表值和带头螺栓极限拔出力代表值；

27、模型构建模块，其用于构造无头螺栓名义粘结应力和带头螺栓名义锥体拉应力的应力特征值，并以无头螺栓名义粘结应力、带头螺栓名义锥体拉应力及回弹代表值为自变量，以抗压强度代表值为响应变量，建立响应面模型；

28、模型标定模块，其用于基于标定样本数据集，通过外层循环搜索形状参数、内层使用最小二乘法拟合对数线性响应面模型，并以留一交叉验证决定系数最大为准则对响应面模型进行标定；

29、预测模块，其用于将现场待测uhpc构件的回弹代表值、无头螺栓极限拔出力代表值和带头螺栓极限拔出力代表值代入到标定后的响应面模型中，以获得待测uhpc构件抗压强度预测值。

30、基于上述技术方案，本发明实施例中的uhpc原位抗压强度预测方法及系统，利用无头螺栓和带头螺栓的双模式拔出破坏模式差异且结合回弹值来对uhpc构件抗压强度进行预测，构建响应面模型并进行标定，由此确定uhpc原位抗压强度的预测公式，现场检测时仅需对待测uhpc构件进行回弹测试、无头螺栓及带头螺栓的拔出试验，将获得的回弹代表值、无头螺栓极限拔出力代表值及带头螺栓极限拔出力代表值代入标定后的响应面模型内，即可计算出待测uhpc构件抗压强度预测值，且提高uhpc原位抗压强度的预测精度，从而解决了现有uhpc原位抗压强度检测技术不成熟、传统混凝土拔出检测方法适用性差、预测精度低、模型泛化能力弱、检测维度单一等技术缺陷。