早期受冻损伤混凝土强度预测模型研究及其配比优化_徐存东.pdf
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1、第 卷第期 年月水电能源科学 :早期受冻损伤混凝土强度预测模型研究及其配比优化徐存东,徐慧,陈家豪,李准,赵志宏,王海若,任子豪(华北水利水电大学水利学院,河南 郑州 ;浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点试验室,浙江 杭州 ;河南省水工结构安全工程技术研究中心,河南 郑州 )摘要:针对严寒地区水工混凝土建筑物在浇筑施工时易受早期冻害,并可能影响后期健康服役的问题,为研究早冻混凝土强度损伤规律并对其配比进行优化,利用 响应面法 ()优化试验设计,并建立以水胶比、粉煤灰掺量、引气剂掺量为变量的 响应面模型;同时,构建一种 强度预测模型,实现早冻混凝土强度的精确预测。结果表明,与 模型相比
2、,模型有更精确的预测性能,且能更高效地优化配比设计;强度预测模型的拟合优度和平均相对误差 分别为 、,最优配比强度预测值与试验值的相对误差约为,应用该模型可实现混凝土受冻强度推演及其配比的高效优化。关键词:响应面法;遗传优化;神经网络;配比优化;早冻混凝土中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:,修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目();河南省高校科技创新团队支持计划();中原科技创新领军人才支持计 划();河 南 省 科 技 攻 关 项 目();河 南 省 高 等 学 校 重 点 科 研 项 目 计 划();浙 江 省 重 点 研 发 计 划();平 原 河 网 多 尺 度 水
3、动 力 调 控 对 河 湖 水 生 态 影 响 研 究()作者简介:徐存东(),男,博士、教授、博导,研究方向为水工结构优化设计和耐久性,:1引言冻融循环损伤是严寒地区混凝土建筑遇到的常规问题之一,水胶比及外加混合材料等是影响混凝土损伤破坏的直观因素,针对早期受冻的混凝土,胡晓鹏等研究了起冻时刻、掺合料掺量对早期受冻混凝土的耐久性影响;杨艳娟等研究表明引气剂能提高早冻混凝土的抗冻性能;胡亚飞等利用 优化试验设计,研究了复合胶凝体系对尾砂混凝土力学特性的影响规律;韩斌等通过构建 人工智能模型,对湿喷混凝土强度进行精细化预测,并对其配合比进行精准优化;等利用人工神经网络()通过添加粉煤灰来预测混凝
4、土力学特性。研究表明,基于 响应面模型能有效优化早冻混凝土强度配比,但控制精度略微不足,模型可精确预测早冻混凝土强度。为此,本 文 采 用 响 应 面 法 ()优化试验设计,并构建以水胶比、粉煤灰及引气剂掺量为变量的 响应面模型;同时,构建一种 强度预测模型,优化早冻混凝土强度最佳配比。研究结果可为类似工程配比优化设计试验研究提供借鉴。2试验2.1试验材料试验水泥选用郑州天瑞 水泥,性能参数见表。粗骨料选用粒径 连续级配的石子;细骨料选用细度模数为 天然砂;添加料采用粉煤灰;减水剂选用 型;引气剂含气率为。表 水泥性能参数标准值 抗压强度 抗折强度 凝结时间 初凝终凝 第 卷第期徐存东等:早期
5、受冻损伤混凝土强度预测模型研究及其配比优化2.2RSMBBD 试验方案设计及结果选定早期受冻混凝土的试验养护环境,其早冻温度 ,养护龄期为,设计水胶比、粉煤灰掺量、引气剂掺量的三因素三水平正交试验,各材料掺量取值范围见表。试验细骨料用量为 ,拌合水用量为 ,部分试验混凝土配合比用量见表。试验选取水胶比、粉煤灰、引气剂掺量作为配合比试验的影响参数,分别以、表示;选取初始及经 次室内快速冻融循环试验后的抗压强度作为响应值,分别表示为、。表早期受冻混凝土正交试验因素与水平表 水平因素水胶比粉煤灰掺量引气剂掺量 表混凝土配合比 编号水胶比水泥高效减水剂粗骨料 细骨料水粉煤灰引气剂粉煤灰率 引气剂率 注
6、:水泥、高效减水剂、粗骨料、细骨料、水、粉煤灰单位均为;引气剂单位为。3预测模型3.1RSMBBD 试验结果参照表 试验的混凝土配合比,结合表正交试验因素与水平,设计 个试验点,试验抗压强度结果见表。表 试验方案及试验结果 组号试验方案抗压强度试验结果 组号试验方案抗压强度试验结果 3.2RSM 响应面模型3.2.1模型构建试验采用三因素三水平的正交试验法,应用 软件处理表试验数据,建立早期受冻损伤混凝土抗压强度与混凝土水胶比、粉煤灰、引气剂掺量关系的多元二次拟合非线性回归模型:()()()()()()式中,()为响应变量,即抗压强度;为影响因素;、()均为未知项,假定模型运行次,则取,;为因
7、素个数。3.2.2模型性能分析选取早冻混凝土经 次冻融循环后的抗压强度试验结果用作参数分析,结果见表。表 响应面法模型显著性评价 影响因素平方和 自由度均方显著性模型 极显著 .极显著.显著.不显著.不显著.不显著.极显著.显著.不显著 显著残差 失拟项 显著误差项 显著性概率若小于 ,则表示模型项显著;若小于 ,则表示模型项极显著;若大于 ,则表示模型项不显著。由表可看出:模型与项是极显著的模型项,响应面模型为 ,显著性概率 ,表明模型较为显著。响应面模型中的单因素水胶比()对抗压强度的影响极为显著。3.3GABPNN 模型3.3.1模型构建当 神经网络运行时,若分析处理得到的仿真预测数据传
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