岩锚梁混凝土施工期原型温度试验的反演分析.pdf
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1、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
2、 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
3、 ; 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
4、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
5、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
6、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
7、 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 22 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
8、, 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
9、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
10、 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
11、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
12、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 ,
13、 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
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