施工现场混凝土温控措施的敏感性分析.pdf

1概述 施工现场混凝土温控措施的敏感性分析 海 燕 朱岳 明 ( 1陕西水环境工程勘测设计研 究院 陕西 西安 7 1 ( )0 1 8 ： 2 河海 大学水利水 电学院 江苏 南京 2 1 0 0 9 8) 摘 要 为提高混凝土结构施工现场 温控措施 的准确性 与针 对性，采用有限单元 法仿 真模 拟某水 闸工 程， 基于正交思想设计多种温控措施的试验方案， 根据得到的结构应力时空变化过程， 借助极差 分析法与功效函数法分别判定温控措施的敏感性与评价方案的优劣。实例分析结果表明， 该方 法简单易行， 且可靠性较好， 适合指导现场施工。 关键词 混凝土结构； 温控措施； 正交设计； 多指标分析； 极差分析； 功效函数。 中图分类号 ： - I V 5 4 4 文献标识码 ： A 在混凝 土结构施 前 ，常常需要 对施 场 常见的施 f 力 法进 行多参数 、多 ： 况的 仿真汁算 ，做到合理控制水泥的水化放热过 程 ，提 I 1 有 效减小温度变 形和温度应 力的方 案 ， 进 而降低温度变 形造成的危害 ， 提 高结构 的使 H 1 寿命 。对 于庞久 的结构或型式 复杂的 结构 而言 ， 仿真计算 的 1 2 作量和衅 邮较大 ， 不仅浪费 了大量的资源 ，而 l 影响 _分析的 重点和结 果的精度 ，有 时甚至 可能会耽误 施 1 进度 目的 ， 该问题 已引起广泛关注 ， 学者 仃 J 纷纷从 不问角度进仃研究 并取得一定进 展 I - 2 笔 者借 助正交设计 思想的多因素 多指标 疗法 ， 对表 面保温 、 埋设 冷却水管和控 制浇筑 温度这三种 常见施工方法 中所涉及 的温控 参 数进仃敏感性分 析 ，确定 各参 数对不 同龄 期 不同部位混凝 土的影响程 度和特征 ，从 而有 助f较快提出 订较高准确性和针对性的温 榨疗法 ， 更好地指导现 场施T 。 2正交设计与多指标分析 ( 1 ) 正交 试验 设计 正 交试验 设计 ， 应用具 有 “ 均衡 分散 法 秆1 “ 整齐 可 比性 ” 特点 的正交 表 ， 只需 安排最 少 次数的试验就 能反映指标变化 的规律 。很 多 资料上 都 给出了常用的正交表 ， 至于其构 造方法这里就不再叙述。 一般用 L n f t m) 表示正 交表 ， 其中 n表示此 表行 的数 目即试验 次数 ， T T I表示此 表列的数 目即最多 可安排的因子数 ， t 表示因子 的水平 数。所谓指标 和因子( 或 因 素 ) 就 是前面提到 的研究 对象和影 响因素 ， 水 平指 的是网子变化的状 态和条件 。 ( 2 ) 檄差分析法 现用 ， J 安排 计算 方案 ， 设第 i 号计算 方案 的结果 为 l ， 2 , 3 ， ， 分 别计算 正交 表 的第 j 列的第 i 水平的计算结果 y i 之和 ， 记 为 K ， i = 1 ， 2 , 3 ， ，t ，j = l ， 2 ， 3 ， ， 所谓 的极差指 的就是 第 列 中 之 间最 大值 与最 小值 之 差， H R 表示。根据正交表的性质， K 所对应 的试验中除第 列所在因子外， 其余各因子出 现的次数是相同的。因此 ， 可以认为其余因子 对 的影响大体上是相同的， 各 之间的差 别 可以看作是 由于第 i 列所在 因子取 了不 同 的水平值所造成的。 于是， 的数值大体上可 以反映该 因子 的各水平 对指 标的影 响情 况 。 相应的极差 R ， 的大小代表了该因子对指标的 影 响程度 。极差越 大说 明该 因子 的水平变化 对试验结果影响也越大 。 极差最大的因子也就是 最主要的因子， 极差越小的因子虽然不能说是不 重要的因子 ， 但至少可以肯定当该因素在所选用 范同内变化时， 对该指标影响不大 。 ( 3 ) 功效系数法 多指标问题在实际： 1 二 程中经常遇到 ， 各指 标之间往往是矛盾的 ， 对各 试验 案的优劣评 价 比较 困难 。 针对这一问题 ， 根据不同的准则 ， 提 出了各种多指标分 析的方法 。下面仪介 绍 在 实践 中行之有效的功效系数法。 假定有 2个指标 ， 和 ， 对于每 次试 验的 指标值分 别给 出相应 的功效 系数 d ， 和 d ， d 0， 1 】 ( 1 ， 2 ) 。 然 后 用 总 的 功 效 系 数 D= 2 、 _r f l 评价各个方案 ， D越大就认为 方案越 好 。至于功效系数 吐与 的关系 ， 可根据实际 问题 由人为给定的功效函数来确定。 3实例分析 3 1 计算模型 以某施工期的水闸模型为例阐述上述敏 感性分析 的研究思路 ， 并期望获得一些指导现 场 施工的有益结论 。假设某一水 闸建 曲 在软 基 上 ， 闸室顺 水流方 向长 1 0 m， 闸墩 高 6 m， 厚 1 m， 底板 厚 2 m， 宽 5 m， 计算 网格如 图 1所示 。 结 构分两 层施 r ， 底 板 为第 一层 ， 间歇 1 0天 基金项 目： 国家 自然科 学基金重点项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) ； 国家 自然科学基金( 5 0 7 7 9 0 1 0 ) 。 表 1 混凝土主要热力学参数 导温系数 导热系数 热膨胀系数 容重 m 2 h k J (m h o C ) 1 0 1 k N m 绝热温升 弹性模量 G P a 0 0 0 4 7 l 9 0 7 l 0 2 4 4 5 口 = 4 9 6 ( 1 ) E ( r ) = 5 5 6 2 ( 1 - e ) 后 一次性浇筑 闸墩至顶 。底板混 凝土 自7 月 1日开始浇 筑 ， 气温 L= 1 6 5 + 1 3 1 c 0 8 J ( t 一 7 2 ) J ， 浇筑温 度 L u j 为气温加 3 。温度场计算时， 地基除建基 面外均绝 热 ，混凝土外表面 除底板横缝 面 外均散 热 ；应 力场计算时 ，地 基底部全约 束， 四周连杆约束。 不计其他体积变形及徐 变变形， 只计算温度应力。 混凝土的主要热 力学参数见表 l 。 3 2敏感性分析 ( 1 ) 确定因子和指标 敏感性分析 的因子涉及表 面保温模板 的种类 、 保温 时间 、 冷却水 管的种 类 、 布置 方式、 通水情况以及浇筑温度等多个方面。 如将所有因子都安排到正交表中，试验次 数较多， 将加大计算和分析工作量。其实， 有 些因子是可 以针对具 体工程情况不 予考 虑的。如本例水闸模型拟定保温模板选用 保温板，冷却水管布置方式为沿闸墩中心 断 面 由下 向上 的单 根 内径 4 e m 的塑 料水 管 ， 因此， 参与敏感性分析的因子有保温板 厚度( e m) 、 保温时间( d ) 、 水管层距( m ) 、 冷 却水温( ) 、 通水流速( m s ) 、 通水时间( d ) 以及 浇筑 温度( ) 。假定各 因子是彼此独 立 、 互不干扰 的， 即不需 要考虑相互之 问的 交互作用。 实际工程 中，最关心 的指标是混凝 土 结构 内部和表 面经历 的最 大拉应 力值 ， 但 若仅以拉应力极值作为指标具有一定的片 面性 ， 笔者提 出采用 “ 安全 系数 ” 的概念 表 达拉应力值和龄期的综合作用，达到全面 反映问题的 目的 ，安全 系数可定义为混凝 土 的抗拉 强度 与混凝 土的拉 应力 的 比值 。 因此， 敏感性研究的指标为内外混凝土的 最小 安全系数 ，其 中混凝 土抗 拉强度 的拟 合公式为 ( ) = 3 8 9 ( 1 一 e ) G P a 。 为表述方便 ，上述 7个因子和 2个指 标依次可称为A、 B 、 c 、 D、 E、 F 、 G和 、 。 ( 2 ) 安排试验和仿真计算 由正交 设计 的 思想 ， 选取 L ( 3 正交 表 ， 因素水平 、 试验方案 及计算 结果如表 2 所列 。 ( 3 ) 极差 分析 a 因子的主次关 系 ：根据极 差 RJ 的大 d , N 断 ， 极差愈大 ， 对应 的因子愈 重要 。各 指标对应的因子的主次关系如下： ： G E一 曰 _ - + c A： C G F A B E 对指标 来说 ，浇筑 温度 G是最主要 的， 其次是冷却水温 D、 通水流速 E、 保温时 间 B，这些 因子在一定程度 上都能够 缩小 混凝 土内外 温度的差异 ，进而减 小表面产 生 的拉应力值 ，应该 说和我们 的工程 经验 还是基本一致的。注意到 ， 保温材料的厚度 对指标 的影响相对较小，这一点与经 验略有差别。 分析原因， 可能与本算例保温 材料 选用保 温板有关 ，下 限水平值 0 5 e m 厚的保温板已能满足本工程算例的保温需 求， 当保温材料继续加厚时， 对内外温差的 减小改变很小 ，故导致该 因子的波动对 指 标 的改变造成的影响相对有限。 对指标 来说 ，水管 的布置方式 C是 最主要 的 ，其次是浇筑 温度 G、冷却水 温 D、 通 水时 间 ， ， 这些 因子在一 定程 度上都 能够降低混凝 土的温度峰值 ，直接减小 了 温降幅度，进而减轻了内部后期的防裂压 力 ， 也是 比较符合工程经验 的。 表 2 试验方案及计算结果 方案 I ( A ) 2 ( B ) 3 r 4 ( D ) 5 6 、 7 ( c ) l O 5 2 0 5 1 0 O5 2 1 0 44 0 3 9 5 2 0 5 4 l 1 5 1 4 l 5 24 8 4 5 2 3 O 5 6 1 5 2 0 1 5 6 2 0 1 7 8 6 9 5 4 1 2 O 5 1 5 l 6 2 0 1 7 6 1 1 8 5 l 4 l 2 0 1 5 2 1 0 39 6 403 6 1 6 1 5 1 0 05 4 l 5 3 6l 6 6 O l 7 1 5 2 1 1 O 1 5 4 2 0 1 7 9 5 7 8 8 1 5 4 1 5 1 5 O 5 6 1 0 4 9 6 4 0 9 9 1 5 6 0 5 2 0 l 2 1 5 2 5 2 1 5 0 1 0 O 5 2 1 5 2 0 1 4 1 0 1 8 4 3 05 1 1 O 5 4 0 5 1 0 1 5 6 1 5 1 6 8 l - l 8 l 2 0 5 6 1 l 5 0 5 2 2 0 2 2 3 60 9 1 3 l 2 1 2 0 O 5 6 1 5 1 8 3 48 2 1 4 l 4 1 5 1 0 l 2 2 0 3_2 8 l 1 6 7 l 5 1 6 O 5 1 5 1 5 4 1 0 2 44 1 4 5 1 6 1 5 2 1 5 1 5 1 5 2 l 5 1 52 59 9 1 7 1 5 4 O5 2 0 O 5 4 2 0 209 1 31 1 8 1 5 6 1 1 0 l 6 l O 6 oo 4 1 8 注： 各 因子单位 见正文 中相关表述 。 o ( J 1 、 ( J 1 o 。 o 1概述 浅析高寒地区水利枢纽工程 截流设计与施工中的几个关键问题 白芳梅 ( 中国水电建设集团十五工程局有限公司第二工程分公司 陕西 西安7 1 0 0 1 6 ) 摘要本文介绍 了喀腊塑克水利枢纽工程截流设计与截流施工 ，浅析 了高寒地 区截流设 计与施工 中 需要注意截流设计 、 戗堤 防渗 、 截流前后 围堰施工项 目的合理安排 、 龙 口护底等几个关键 问题 ， 值得 类似工程借鉴。 关键词 截流设计 ； 施工；戗堤 防渗 中图分类号 T V 5 5 1 文献标识码 ： B 1 1 I 程概况 喀腊 塑克水利枢纽 1 程位于新疆 阿勒泰 地 区额尔 齐斯河 流域 ，是一座 具有 灌溉 、 生 态 、 供水 、 发 电 、 防洪 等综合 效益 的大 型水利 楸纽 r 程 ， 由碾压 混凝 土重力 坝 、 溢流表 孔 、 洪 q -f L 、 放水 底 L、 发 电引水系 统 、 电站 厂 房和副坝组成。大坝为 目前 国内严寒 、 干旱地 区在建 的最 高 的碾压 混凝 土 重 力坝 ，坝高 1 2 1 5 m，大坝施 工导流建筑 物包括导 流洞及 上 、 下游 围堰 一 程 。 大坝_ f 程计 划 2 0 0 5年 3月开T ， 2 0 0 6年 9月下旬截流 。根据 碾压混 凝土重 力坝全年 施 工的特 点 、 下游 围堰设 计为 全年 围堰 ， 最 大堰 高分别 为 3 1 m、 1 3 m， 堰体 防渗 采用浇 筑式 沥青心墙 ，基础 防渗 采用槽孑 L 混凝 土防 渗墙 。 十五局第二 】 ： 程公 嗣在该枢纽 建 设中承 担 了截流和 上下 游围堰T程施： 【。 1 于工 程 工期紧 ， 且位 于高纬度 地 区 ， l O月份后 ， 气 温 降幅大， 因此截流设计与施_T必须结合高寒地 区的特点通盘考虑 ， 确保截流设计满足指导截 流施工的要求 ， 顺 利截流 ， 为围堰和大坝施 工 表 3 结果分析 方案 1 似) 2 f 占 n 3 f o 4 f ) 1 5 f 西 6 f 7 ( ) Kl， 2 4 02 2 1 9 0 2 48 2 3 4 6 0 3 1 8 7 2 98 5 3 93 3 K 2 8 1 3 3 0 7 5 3 0 48 2 5 6 5 2 9 8 0 2 3 7 5 2 2 73 K 3 1 47 3 0 97 2 8 3 2 2 3 3 7 2 1 95 3 0 02 2 1 5 5 R 0 7 45 0 9 0 7 0 5 6 6 1 1 2 3 0 9 9 2 0 6 2 7 1 7 7 8 K1 4 2 90 4 1 2 8 1 7 6 2 5 5 6 0 4 4 7 7 5 5 3 8 3 4 5 8 K 4 9 5 8 4 4 6 7 4 9 0 3 3 8 8 7 4 3 5 0 3 7 8 5 4 1 0 2 K 3 8 0 8 4 4 6 2 6 、 3 9 2 3 6 1 O 4 2 3 0 3 7 3 3 5 4 9 7 R 1 1 5 0 0 3 3 9 4 6 3 0 1 9 5 0 0 2 4 7 1 8 0 5 2 0 3 9 “ I 2 3 4 5 6 8 9 1 0 图 2 安全型功效函数 综合来看， 不论对哪个指标， 当冷却水温 D和浇筑温 度 G在 l 0 2 0 范同 内变化时 郜是重要 的因子 I 试验方案的优劣评判 ： 采用 功效 系数法 评价 各个 方案 ，功效系数 D越 大就认为方 案 越好 结合本次研 究的具 体问题 ， 指标 和 则 L可采用相 同的功效 函数 。假 定可 以接 受 的最小 I 程安 全系数为 2 0 ， 但 从结构安 全 忡 的角度看 ，过高 的安全系数 又是没有必要 的 ，故 当 2 0时 ， d 增加 的速度逐渐减慢 ， 且 当 1 0 0时 ， 基 本接近 1 0 ； 为淘 汰劣质 方案 ， 当 2 0时 ， d 迅 速减 小。这种仅 考虑 结构安 全性的功效 函数 可看作是安全 型功效 函数 ， 如图 2所示。 按总功效系数评价 ，方案 1和方案 l 4是 比较令人满意的 ， D= O 9 。 4结 语 上 述温控参 数敏 感性分析 的基 础理论 和 研 究思路表 明，研究 具有一定 的可靠 性和较 高的可行性 ， 适合指导现场施工。但仍有 以下 几个问题值得注意 ： ( 1 ) 温 控参 数 的敏 感性 与 因子水平 的选 取 有一定 的关 系，有时受到 因子 波动范 围的 局 限可 能会 得 出与 以往 工程 经 验 不符 的 结 论 ， 如本次分析 中的保温材料厚度属于敏感性 较弱的因子 ，建议可在 首次敏感性分析之后 ， 调整 因子水平进行二次正交设计。因此 ， 敏 感性分析之前 ， 最好能掌握施工方或业主方可 提供 的各温控措施的实际情况 ， 以准确确定因 子水平 的变化范 闱。 ( 2) 功效 函数是随指标 以及具体的 r ： 程需 求不断变化 的 ， 建立的功效 函数是否合适 ， 直 接影响了温控方 案的优 劣评判 。例如 ， 本次研 究问题 的指标 越大 ，所需要 的温 控措施 越严 格 ， 相应地 T程成本也就越 高 ， 为避免 支付不 必要的温控 费用 ， 假定指标值达到一定临界值 后 ， 功效 系数将随着指标 的增 大开始减 小 ， 这 种考虑结 构安全性和投 入成本的功效 函数可 看作是经济型功效函数 。陕西 水 利 参考文献 【 1 j王振红， 张国新， 于书萍， 刘有 志 水工薄壁混 凝土结构温控参数的敏感性分析 武汉理工 大 学 学 报 ： 交 通 科 学 与 工 程 版 ， 2 ( ) 1 l 1 ( 2 ) ： 2 8 0 -2 8 4 l 2 1 俞玲，黄 海燕， 沈超明 大体积混凝土温度应 力 敏感 性参数分析o 中国 建材科技，2 0 0 9 ( 1 ) ：7 5 7 9 3 】 金 良超 正 交设计 与 多指 标分 析【 M】 北京： 中国铁 道 出版社 1 9 8 8 4 I 张键， 孙巧根， 长铮 基 于正 交试验 的方 法分 析边坡稳定性影响 因素的显著性 中外公路， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 8 1 1 ( 责任 编辑： 黄灵芝)