岩锚梁混凝土施工期原型温度试验的反演分析.pdf

第 3 2卷第 2期 2 0 1 1年 4月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No r t h Chi na I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy dr o e l e c t r i c P o we r V0 1 ． 3 2 No ． 2 Ap r ．2 011 文章编 号： 1 0 0 2— 5 6 3 4 f 2 0 1 1 ) O 2— 0 0 6 0～ O 4 岩锚梁混凝土施工期原型温度试验的反演分析 吉顺 文 ， 孙冬海 ，陈守开 ( 1 ． 浙 江省 水 利 河 口研 究 院 ， 浙 江 杭 州 3 1 0 0 2 0； 2 ． 黑 龙 江农 垦勘 测 设 计研 究院 ， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 9 0 ； 3 ． 华北水利水 电学院， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘要 ： 依托某地下厂房岩锚梁工程 ， 对首先浇筑的岩锚 梁施 工段进行温度试验 ， 利 用实测数据 ， 采用改进遗 传算法和理论上准确的含冷却水管三维有 限元温度场计算 方法 ， 进行温度场 的反演 分析 ， 获取混凝土绝热温 升 曲线和不同材料 的表面热交换系数 ， 并验证了结果 的合理性 ， 为后续岩锚梁施工的仿真分析提供条件 ． 关键词 ： 岩锚梁 ； 原型试验 ； 反演分析 ； 温度 ； 热学参数 ； 混凝土 温度分 布及其 变化是 混凝 土结构施 工期开 裂 的 主要 原 因 ． 引起 混 凝 土 内 温度 变 化 的水 化 放 热 过程及 表面热 交换 过程 的参数 极 为 复 杂 ． 不 同的 混凝土 ， 其绝热温升过程往往差别较大 ， 且难以通过 简单 的方式合 理确 定或 拟 定 ； 表 面 热交 换 系数 则 影 响因素 众 多 ， 包 括结 构 型 式 、 温度 、 湿 度 、 风力 等． 由 此可 见 ， 仅 通过 经验公 式估 算 或者 类 似 工程 借 鉴 的 方法获取这些参数信息一般无法满足工程需求． 对 于混 凝 土绝 热温 升 过程 和 表 面热交 换 系数 ， 最为 经济可 靠 的获取方法 是利 用实测 温度值进 行数 值反演 分析 ． 笔者依 托某 地下 厂房岩锚 梁工程 ， 对首 先浇筑的岩锚梁进行 1 ： 1比尺的原型试验， 依据实 测温度数据 ， 反演出与工程现场相符的混凝土及保 温材料的热学特性参数 ， 为今后岩锚粱混凝土结构 的温控仿 真计 算提供 参考 ． 1 反演方法 遗传算法是模拟生物进化演变过程的一种全局 优化搜索算法 ． 为克服基本遗传算法寻优计算量 大 、 易 出现 早熟现 象 、 对搜 索 空间变化 的适应 能力差 等 问题 ， 混 凝土热 学 参数 反 演 主要 从 以下几 个 方 面 来 改进遗传 算法 ： a ． 在基 本遗传 算 法 的基 础 上 ， 充 分利 用 最 近两 代进化中的优秀个体 ， 压缩种群基因的限制范围， 从 而减小 算法 的计 算规模 ， 提高算法 运算效 率 ； b ． 根据每个 染色体 的适应度 进行计 算机智能 分 类 ， 按不 同 比例 ， 将 其 分 为最 优 、 普通 和 最劣 染 色体 3种( 根据进行代数分配 比例) ， 其中最优染色体保 留到下一代进化 ， 普通染色体参与交叉运算 ， 最劣染 色体参 与变异运算 ， 从而产 生拟子代 种群 ， 这 主要解 决存优问题及提高算法的局部搜索能力； c ． 引入小 生境 淘 汰操 作 ， 先 将 分类 操 作前 记 忆 的前 N R个 体 和拟 子代 种 群 合并 ， 再 对 新 种群 两 两 比较海明距离 ， 将适应度较小的个体处以较大 的罚 函数 ， 以增加该 个体在 进化过程 被淘 汰的概率 ， 从而 保持种 群 的多样性 ， 消 除早熟 收敛现象 ； d ． 改进种 群收 敛 的判别 条 件 ， 对 最近 两代 的种 族收敛条件进行控制 ， 提高运算精度． 该 改进方法 不仅适用 于对混凝 土表 面热交换 系 数 的反 演计算 ， 也可用 于 反演 混 凝 土 的其他 热 学参 数 ， 如绝 热温升及 其规律参 数等。 2 原型岩锚梁段温度场反演计算 2 ． 1工程简 介 某地下 厂房岩 壁 吊 车梁 ( 岩锚 梁 ) 长 2 2 6 ． 4 2 1 1 1 ( 含 安装 间) ， 岩锚梁 尺寸 为 3 ． 3 5 m2 ． 2 5 m， 边 墙 收 稿 日期 ： 2 0 1 1一O 2—2 3 基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 7 7 9 0 1 0 ) ． 作者简介 ： 吉顺文( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 江苏南通人 ， 工程师 ， 博士 ， 主要从事水工结构工程混凝土温控防裂方 面的研究 第 3 2卷第 2期 吉顺文 ， 等 ： 岩锚 粱混凝 土施工期原型温度试验的反演分析 6 1 在高程 1 2 2 5 ． 4 5 m处呈 3 5 。 折角 ， 外边墙在高程 1 2 2 4 ． 7 5 m处 呈 5 6 ． 3 。 折 角 ， 交 汇 于 岩壁 梁 岩 台 高程 1 2 2 3 ． 9 5 m 处 ． 岩 锚 梁 混 凝 土 现 场 浇 筑 ， 每 段 8— 1 2 n l ， 上 、 下 游厂 房岩 壁均 有 2 2个浇 筑段 ． 施 工缝 有 梯形 键槽 ， 键槽 底 部 尺寸 为 1 ． 1 m 1 ． 1 m， 外 部 尺 寸为 0 ． 7 m X 0 ． 7 m， 高为 0 ． 2 m． 岩锚梁每隔 1 ． 5～ 2 ． 5 m 设 一 1 5 2钢 管作 为 排风 兼 排水 管 ． 岩 锚 梁 一 期 混凝 土 采 用 C 2 5二 级 配 泵 送 混 凝 土 ， 配 合 比 见 表 1 ． 岩锚 梁施 工 时侧 面 采 用 Wi s a 模 板 ， 由粗 木 条 固定 ， 顶 面 采 用 麻 布 覆 盖 ， 梁 内 用 塑 料 质 水 管 冷 却 ． 表 1 岩锚 梁混凝土配合 比 煤灰／ ％ 外加 剂 N O F 一 2 B ／ ％ 引气剂 N O F - A E ／ ％ 图 1反 演 计 算 网格 2 ． 3 反演 计算 2 ． 3 ． 1 数 据采 集 与整理 现场 观测 的数 据难 免存 在 人为 记 录或仪 器输 出 的误差 ， 因此 在用 于 反 演 计 算 之 前 ， 必 须 分 析 、 剔 除 不 合理 的数 据 ， 比如 突变 的数 据 、 龄 期变 化 明显不 合 图 3实测 气 温 2 ． 2 反 演计算 网格 模型 及测 点位 置 岩锚 梁原 型 试 验 段 长 1 2 ． 4 7 m， 反 演 时 考 虑 锚 杆 的影 响 ， 锚 杆 间 距 0 ． 7 0 m， 两 侧 锚杆 距 梁 的边 界 约 0 ． 3 5 m． 所 采用 的整体 网格 模 型如 图 1 所示 ． 为 与 实 际情况 充分 接 近 ， 反 演计 算 时 网格 内的 水 管依 照现 场实 际施 工 布 置 情 况 进行 剖 分 ， 水 管 布 置的截 面形 式如 图 2 ( a ) 所 示． 地 基计 算域 取 横 向深 度 2 0 m， 纵 向深 度 2 4 m． 模 型节 点 总 数 3 5 7 8 4个 ， 空间 8节点 六面 体等 参单 元 总数 3 2 4 1 1个 ． 坐 标原 点位 于岩锚 梁三 角 区域一 侧底 端点 ． 反演计 算 时 ， 含 水管冷 却混 凝 土 温 度 场计 算 采 用 隐式 解 法 ， 计 算步 长与 测量频 次 相 对 应 ， 气 温 和 进 口水 温 采 用 实 测值 ， 通 水流量 和 流速 与现场 相符 ． 现 场温度 观测 测 点 布置 图如 2 ( b ) 所示 ， 共 布 置 5个 测 点 ， 内部 3个 测点 ( N 1 ， N 2 ， N 3 ) ， 表 面 2个 测 点 ， 分 别 位 于 顶 面 ( D 4 ) 和侧 面 ( C 5 ) ． ( a )水 管 布 置 ( b )测 点 布置 图 2 岩锚梁原型 段水 管和测点布置 ( 单位 ： c m) 理 的数 据等 ． 2 ． 3 ． 2反演 结果 与实 测分析 实 测气 温变 化 过程 如 图 3所示 ； 实测 进 出 口水 温变化 过程 如 图 4所 示 ； 不 同测 点 温度 变 化 过 程 的 实测 与反演 计算 结果 如 图 5 —9所示 ． 图 4实测 进 出 口水 温 赠 6 2 华北水利水电学院学报 2 0 1 1年 4月 图 5测点 N 1温度实测与反演 图 7测 点 N3温 度实 测 与 反 演 龄期白 图 9测 点 C5温 度 实 测 与 反 演 a ． 在 反演程 序 中 ， 将 原 型结 构 的实 测 温度 值作 为 已知条 件输 入 ， 经 过程序 的寻优计 算 ， 最 后得到一 组 最优解 ， 见表 2 ． 表 2反 演 最 优 解 反演参数 最优解 因 Wi s a 模板外侧有分布较密的木条固定 ， 使得 表面 保 温 力 度 加 强 ， 所 以 Wi s a模 板 热 交 换 系 数 较 小 ． 而麻 布具 有透 气性且 因水浸 潮湿 ， 因此其热 交换 系数较 大 ． b ． 由图 3可 知 ， 3 0 d龄 期 内 实 测 最 高 气 温 为 2 3 ． 6 9℃ ， 最低 气温 为 1 9 ． 0 6℃ ， 且 实测 1 d内最大 气温温差 仅 为 2 ． 5 O℃． 因此 ， 表 层测 点 的 实测 值 与 反 演值均 没 有 较 大 波 动 ． 另外 ， 与 洞 外 环 境 温度 相 比 ， 洞 内气 温 的 日变 幅不大 ． 龄期妇 图 6 测 点 N 2温度实测与反演 图 8 测 点 D4温 度 实 测与 反 演 C ．由于岩锚梁 1 ： 1 试验 段水管 开始通水 时间较 晚 ， 即浇筑结束 后 1 4 ． 5 h才开 始通水 ． 由图 4可知 ， 通水前期 的最 大进 出 口水 温 差达 1 2 ． 8 0℃ ， 最 大进 口水温 达 2 3 ． 8 1℃ ， 这一 事 实说 明 了早 期通 水 流速 较 小 ， 通水 水温较 高 ， 反 映在测点上 为早期 内部测点 温升速度 较快 ( 水 管冷却 力度 不 够 ) ， 在这 一点 上反 演结果也 基 本 反 映 出梁 内测 点 温 度 的这 一 变 化 规 律 ， 是可靠 的． d ． 由图 5 —9可知 ， 利用 反演所 得 的参数计 算得 到的温度值( 即反演值 ) 与现场实测温度相 比， 其温 升规律基本一致 ， 除了个别点外 ， 大部分测点温度值 都很 接近 ， 吻合较好 ， 这说 明了反演所 得 的参数具 有 较好 的可靠 性 ， 可 以应 用 于后 续施 工 的岩 锚 梁混凝 土 的温控仿 真预报工作 中． e ． 在缺乏混凝 土 热 学参 数 的试 验 值 时 ， 根 据 实 测值进 行反演计 算 ， 能够 得 到一 些 符合 工 程条 件并 反映材 料特性 的参数 ， 总之 ， 混凝 土热学参 数反演具 有其不可替代的优越性和必要性． 3 结 语 与非 绝热温 升试 验相 比 ， 对 实际施 工 结构 进 行 温度试验 ( 原型试 验 ) ， 其 试 验条 件 与施 工实 际更 为相符 ， 根 据实测 值进 行 反演 分 析获 得 的混 凝土 热 学 特性参数 也更具 说服力． 只要 有 足够测 点 的有 效温 度 值 ， 且 计算 所采用 的影 响混凝 土温度 场 的外 界条 件 ( 气 温 、 通水 水 温、 水管布置形式等) 与施工实际情况尽可能相似 ， 采 第 3 2卷第 2期 吉顺文 ， 等 ： 岩锚梁混凝 土施工期原型温度试验的反演分析 6 3 用改进 加速 遗传 算法 和有 限元 三维 温度 场仿 真计 算 方法 ， 反演 获得 的混 凝 土 热 学 特性 参数 及 边 界 条 件 参数具 有较 高 的精度 ， 能 够满 足工 程要 求 ， 可 以应 用 于后续 施 工 的岩 锚 梁 混 凝 土 的 温 控 仿 真 预 报 工 作 中 ， 也 可为 类似 工程 的仿 真分 析提 供参 考 ． [ 2] [ 3 ] 参 考 文 献 AL TOUBAT S A ， LANGE D A． Cr e e p， s h r i nk a g e a n d c r a c ki n g o f r e s t r a i n e d c o n c r e t e a t e a r l y a g e [ J ] ． A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 4) ： 3 2 3—3 3 2 ． DE S CHUTTER G． F i n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n o f t h e r ma l c r a c k i n g i n ma s s i ve ha r d e n i n g c o n c r e t e e l e m e nt s us i ng de — g r e e o f h y d r a t i o n b a s e d m a t e r i a l l a w s [ J ] ． C o mp u t e r s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ( 8 O) ： 2 0 3 5—2 0 4 2 ． 许朴 ， 朱岳 明， 贲 能慧． 倒 T型混 凝土 薄壁 结 构施 工期 温度裂缝控制研究 [ J ] ． 水 利学 报 ， 2 0 0 9 ， 4 O ( 8 ) ： 9 6 9— 9 7 5． [ 4 ]马跃峰 ， 朱 岳明 ， 曹为 民 ， 等． 闸墩 内部水 管冷却和 表面 保温措施 的抗裂作用研 究 [ J ] ． 水利学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 8 ) ： 9 6 3 — 9 68． [ 5] Ko o k — Ha n Ki m， S a n g — E u n J e o n， J i n — Ke u n Ki m， e t a 1 ．A n e x p e ri me n t a l s t u d y o n t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e [ J ] ． Ce me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 3 ( 3 3 )： 3 6 3—3 7 1 ． [ 6] 周 明 ， 陈振 建 ． 遗 传 算 法 原 理 及 应 用 [ M] ． 北 京 ： 国 踌 工 业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 7 ]朱伯 芳． 大 体积 混凝 土 温 度应 力 与温 度控 制 [ M] ． 北 京 ： 中 国电 力 出 版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 8 ]朱岳 明 ， 徐之青 ， 贺 金仁 ， 等． 混 凝土水管 冷却 温度场 的 计算 方法 [ J ] ． 长江科 学院院报 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 9— 2 2 ． [ 9 ]郭磊 ， 周 日农 ， 黄恩中 ， 等 ． 岩锚 梁非绝 热温升 试验反分 析研 究及应用[ J ] ． 混 凝土 ， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 5 5— 6 1 ． Ba c k Ana l y s i s o f Pr o t o t yp e Te m p e r a t ur e Te s t i n Co ns t r uc t i o n Pe r i o d o f Ro c k An c h or Be a m Co nc r e t e J I S h un — we n ，S UN Do n g ． ha i ，CHEN S h o u— k a i ( 1 ． Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f Hy d r a u l i c s＆ E s t u a r y，Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 0，C h i n a； 2． He i l o n g j i a n g Ag ri c u l t u r e!R e c l a ma t i o n Re c o n n a i s s a n c e a n d De s i g n I n s t i t u t e ，Ha r b i n 1 5 0 0 9 0，Ch i n a ； 3 ． No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e a n c h o r b e a m p r o j e c t o f a n u n d e r g r o u n d w o r k s h o p，t h e t e mp e r a t u r e t e s t wa s c a r r i e d o u t f o r t h e c o n s t r u c t i o n s e c — t i o n o f r o c k a nc ho r b e a ms p o u r e d fir s tl y． Us i n g t h e me a s u r e d d a t a，t he ba c k a na l y s i s o f t e m p e r a t ur e fie l d s wa s ． c o nd u c t e d t o o bt a i n a d i — a ba t i c t e mp e r a t u r e c u r v e s o f t h e c o nc r e t e a nd he a t — e x c h a ng e c o e f f i c i e n t s o f di f f e r e nt ma t e r i a l s u s i n g t h e i mp r o v e d g e n e t i c a l g o r i t hm a n d t h e o r e t i c a l l y a c c u r a t e c a l c u l a t i o n me t ho d o f t h r e e— d i me n s i o n a l fin i t e e l e me n t t e mp e r a t ur e fie l d c o n t a i n i n g c o o l i n g wa t e r pi p es ，a n d t he r a t i o n a l i t y o f t h e r e s ul t s wa s v e r i fie d wh i c h p r o v i d e d t h e c o n di t i o ns f o r t he s i mul a t i o n a n a l y s i s o f t h e s ub s e qu e n t c o ns t r uc t i o n o f r o c k a n- c h o r b e a ms ． K e y wor ds：r o c k a n c h o r be a m ； p r o t o t y pe t e s t ； b a c k an a l y s i s；t e m p e r a t ur e；t he r ma l pa r a m e t e r s；c o n c r e t e ( 责任编 辑 ： 陈海涛 )