孫小猛,徐登云

(1.中鐵四局博士后工作站, 合肥 230023； 2.中鐵四局第二工程有限公司,江蘇蘇州 215131)

基于多目標(biāo)優(yōu)化的大體積混凝土承臺(tái)冷卻水管布置研究

孫小猛1,徐登云2

(1.中鐵四局博士后工作站, 合肥 230023； 2.中鐵四局第二工程有限公司,江蘇蘇州 215131)

基于多目標(biāo)優(yōu)化理論,根據(jù)有限元建模分析的結(jié)果,確定優(yōu)化指標(biāo),提出一種成本較小、冷卻效果好的大體積混凝土冷卻水管布置方法,并在甬江鐵路斜拉橋主塔承臺(tái)施工中應(yīng)用。溫控監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：有限元理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的溫度變化規(guī)律基本保持一致,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該方法為大體積混凝土溫控技術(shù)提供了一種冷卻水管優(yōu)化布置準(zhǔn)則及相關(guān)判定依據(jù)。

斜拉橋；大體積混凝土；多目標(biāo)優(yōu)化；冷卻水管

1 概述

隨著高層建筑的發(fā)展，大跨度、超高墩橋梁的應(yīng)用，大體積混凝土廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐之中，強(qiáng)度等級(jí)日趨增高。為保證混凝土強(qiáng)度，施工配合比中水泥的用量也隨之增大，導(dǎo)致混凝土水化熱引起的結(jié)構(gòu)物內(nèi)部溫度大幅升高。里表溫差過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)溫度拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)物表面將產(chǎn)生大量的溫度裂縫，影響施工質(zhì)量。

針對(duì)大體積混凝土溫控技術(shù)，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了很多研究。黃志福[1]等以熱傳遞方程及混凝土絕熱溫升為基礎(chǔ)，結(jié)合施工實(shí)例中冷卻水管的布設(shè)方法，建立有限元模型。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，得出混凝土內(nèi)部溫度及主應(yīng)力變化規(guī)律，并提出了施工過(guò)程中混凝土水化熱的控制措施。賈兆豐[2]等在上述理論的基礎(chǔ)上增加管冷溫度場(chǎng)計(jì)算理論，分別建立設(shè)置冷卻水管及無(wú)冷卻水管兩種對(duì)比模型，通過(guò)計(jì)算結(jié)果證明了管冷對(duì)水化熱降溫的顯著作用。李彬彬[3]等以混凝土熱彈塑性理論為基礎(chǔ)，考慮了混凝土的彈性模量、徐變及干縮3種因素與溫度應(yīng)力之間的耦合作用，提出需要采取溫控措施的部位主要在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的中部及施工階段的間隔面。劉耀東[4]等分析冷卻水溫、冷卻水流量、水管間距對(duì)承臺(tái)冷卻效果的影響，并得出了相關(guān)規(guī)律。王新剛[5]等則進(jìn)一步討論了冷卻水管的平面及立面布置形式、冷卻水管直徑、水管間距、冷卻水溫、通水流量、冷卻水管長(zhǎng)度及通水時(shí)間等各項(xiàng)因素對(duì)承臺(tái)內(nèi)部水化熱的影響。

由文獻(xiàn)研究結(jié)果來(lái)看，在大體積混凝土中布設(shè)冷卻水管并通水循環(huán)是防止溫度裂縫的最主要措施?，F(xiàn)階段對(duì)大體積混凝土施工溫控技術(shù)研究多以現(xiàn)場(chǎng)某一施工實(shí)例為基礎(chǔ)，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)布設(shè)冷卻水管，并建立有限元模型進(jìn)行水化熱分析，定性研究承臺(tái)內(nèi)部溫度及應(yīng)力的變化規(guī)律；對(duì)于冷卻水管布設(shè)是否合理并沒(méi)有判定依據(jù)或優(yōu)化準(zhǔn)則。

在施工過(guò)程中，我們總是希望在冷卻水管用量最少的情況下，冷卻效果達(dá)到最佳，冷卻水管布置本身就是個(gè)優(yōu)化問(wèn)題。如何優(yōu)化冷卻水管布置方式，使冷卻效果在施工、規(guī)范及經(jīng)濟(jì)條件下達(dá)到最佳，是大體積混凝土溫控技術(shù)的核心問(wèn)題。

2 多目標(biāo)優(yōu)化方法

成本和冷卻效果，是冷卻水管優(yōu)化布置的兩種最直接表現(xiàn)特征。然而在實(shí)際情況下，二者之間存在矛盾：即成本投入最大，未必能夠達(dá)到最佳的冷卻效果。在混凝土配合比、冷卻水溫、通水流量及時(shí)間等條件相同的情況下，不同的冷卻水管間距及層數(shù)可以形成大量的布置方案，如何優(yōu)選一種方案使成本與冷卻效果達(dá)到“最優(yōu)”是一項(xiàng)復(fù)雜而有意義的研究?jī)?nèi)容。

混凝土冷卻效果與混凝土最大拉應(yīng)力具有直接表征關(guān)系，當(dāng)冷卻效果提升，表現(xiàn)為混凝土表面最大拉應(yīng)力的下降；當(dāng)冷卻效果變差，表現(xiàn)為混凝土最大拉應(yīng)力上升。二者之間的關(guān)系如圖1所示。

假定冷卻水溫、通水流量、水管材質(zhì)、管徑在同等條件下，冷卻水管的布置直接影響了工程成本。因此，可以把混凝土外表面最大拉應(yīng)力(σ)和冷卻水管用量(Q)看作是混凝土冷卻水管優(yōu)化布置的兩種屬性量度；顯然這兩種屬性具有矛盾性，即冷卻效果最佳的情況下，成本投入可能急劇增大，反之亦然。為使兩種屬性變化方向相同，當(dāng)1/σ取得最大值等同于其倒數(shù)σ取最小值，混凝土外表面最大拉應(yīng)力的倒數(shù) (1/σ)和冷卻水管用量(Q)之間的變化關(guān)系如圖2所示。

本文構(gòu)造一種協(xié)調(diào)上述矛盾的目標(biāo)函數(shù)

式中，f(1/σ)為混凝土最大拉應(yīng)力倒數(shù)的解集；f(Q)為冷卻水管用量解集；ω為權(quán)重系數(shù)。當(dāng)σ和Q同時(shí)取得最小值時(shí)，F(xiàn)才能獲得最優(yōu)解。為了避免σ和Q在量級(jí)上差別過(guò)大，保證二者的比較在同一尺度上，將混凝土最大拉應(yīng)力倒數(shù)的解集f(1/σ)和冷卻水管用量解集f(Q)分別進(jìn)行“歸一化”處理。同時(shí)，將混凝土拉應(yīng)力(σ)和冷卻水管用量(Q)這兩種屬性視為同等重要，即二者的權(quán)重因子相同。因此，式(1)可變?yōu)?/p>

式中，σi<[σ]，i=1，…，m,m≤n，F(xiàn)∈(0,1]

3 工程實(shí)例

甬江鐵路斜拉橋承臺(tái)尺寸為38.9 m×27 m，高6 m，設(shè)計(jì)混凝土方量為6 301.8 m3，強(qiáng)度等級(jí)C40。承臺(tái)分兩次澆筑完成，單次澆筑高度3 m，澆筑施工間隔為18 d。

3.1 有限元模型

考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，為提高有限元模型的運(yùn)行速度，同時(shí)方便查看混凝土內(nèi)部應(yīng)力及溫度分布，故只建立1/4結(jié)構(gòu)模型，對(duì)稱軸采用對(duì)稱邊界條件模擬。兩階段結(jié)構(gòu)模型分別如圖3、圖4所示。

3.2 方案比選

承臺(tái)冷卻水管布置方案見(jiàn)表1。

根據(jù)冷卻水管的布置方案，分別建立承臺(tái)施工階段有限元模型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控

澆筑前在承臺(tái)內(nèi)部指定位置埋設(shè)測(cè)溫元件，測(cè)溫元件分兩層布設(shè)，單層沿承臺(tái)對(duì)稱軸線布設(shè)在新澆筑混凝土的中心截面。每層布設(shè)14個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)28個(gè)測(cè)點(diǎn)。混凝土澆筑完成后，分時(shí)段測(cè)量承臺(tái)內(nèi)部溫度。溫控測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。冷卻水管布置如圖6、圖7所示。

理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖8、圖9所示。由圖8和圖9可以看出，承臺(tái)內(nèi)部溫度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變化規(guī)律基本相同，實(shí)測(cè)數(shù)值比計(jì)算值略大。

4 結(jié)語(yǔ)

在混凝土中埋設(shè)冷卻水管，并在澆筑完成后通水循環(huán)是大體積混凝土溫控防裂的主要措施?，F(xiàn)階段針對(duì)冷卻水管布設(shè)方法比選及優(yōu)化準(zhǔn)則的研究并不多見(jiàn)。本文提出了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的承臺(tái)冷卻水管布設(shè)方法，明確了冷卻水管布設(shè)方案優(yōu)選指標(biāo)，解決了冷卻水管布設(shè)方案比選時(shí)無(wú)量化指標(biāo)的難題，為同類工程施工提供了理論參考和科學(xué)依據(jù)。

[1] 黃志福，葉雨霞.大體積承臺(tái)混凝土水化熱分析及溫控措施[J].工程與建設(shè)，2008(1):14-16．

[2] 賈兆豐，王亞齊.橋梁大體積混凝土水化熱及管冷仿真技術(shù)[J].公路，2011(10):176-179．

[3] 李彬彬，王社良，蘇三慶.多種因素耦合作用下的大體積混凝土溫度應(yīng)力仿真分析[J].安徽建筑，2009(4):136-138．

[4] 劉耀東，白應(yīng)華，余天慶.基于MIDAS的大體積混凝土承臺(tái)管冷技術(shù)優(yōu)化研究[J].混凝土，2009(9):110-112.

[5] 王新剛，張偉，樊士廣.基于MIDAS的大體積混凝土冷卻水管布置方案研究[J]. 港工技術(shù)，2010(6):42-45．

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[13]文永奎，陳政清，楊孟剛.鐵路混凝土箱梁的水化熱溫升及裂縫控制[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2001(7)：22-24.

StudyonLayoutMethodofCoolingWaterPipesforMass-concreteBearingPlatformBasedonMulti-objectiveOptimization

SUN Xiao-meng1, XU Deng-yun2

(1.Post-doctoral Research Center, China Tiesiju Engineering Group Co., Ltd., Hefei 230023, China;2.The Second Engineering Co., Ltd., China Tiesiju Engineering Group, Suzhou 215131, Jiangsu Province, China)

Based on multi-objective optimization theory, according to analysis result of finite element modeling, after determining the optimization objectives, this study proposed a layout method with good cooling effect for the cooling water pipes of mass concrete. This method was adopted in the construction of bearing platform of main pylon of the Yongjiang River cable-stayed railway bridge; and the temperature monitoring results showed that the temperature variation pattern calculated by finite element software was basically consistent with that from field measurement, the expected goal being achieved. This method can serve as an optimization criterion and judging basis for cooling water pipe layout in mass-concrete temperature control technology.

cable-stayed bridge; mass concrete; multi-objective optimization; cooling water pipes

2013-08-06；

：2013-09-30

中國(guó)鐵路總公司科技研發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2013G001-D)

孫小猛(1980—)，男，高級(jí)工程師，博士后，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，E-mail：sxm_98@163.com。

1004-2954(2014)05-0074-04

U445.55+9

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.017