大體積混凝土裂縫產生的原因主要包括混凝土自身熱學和力學性能及外部環境，下面是小編蒐集整理的一篇探究大體積混凝土熱力學參數反演的論文範文，供大家閱讀參考。
摘要：爲準確快速確定混凝土熱力學參數中難以確定的絕熱溫升、導熱係數、表面放熱係數及反應速度，以雲南普立大橋散索鞍支墩基礎大體積混凝土施工實測溫度爲基礎，採用遺傳算法進行混凝土熱力學參數的反演分析，並根據反演參數建立三維有限元模型預測後續混凝土施工中的溫度場，然後透過混凝土內部實測溫度及應力驗證預測結果。最後依據預測結果，在混凝土澆築早期採用表面降溫，內部佈設冷卻水管的措施有效減小了內外溫差並防止了裂縫產生。結果表明：混凝土內部溫度達到峯值時表面拉應力最大值爲1.5 MPa，出現表面裂縫的可能性較小;混凝土澆築3 d後，抗裂指數都在1.5以上，一般不會產生裂縫;基於反演參數的溫度場計算值與實測值吻合良好。
關鍵詞：橋樑工程;大體積混凝土;溫控防裂;熱力學參數;反演分析;遺傳算法
引 言
在橋樑工程施工中，大型承臺、錨碇等都屬於大體積混凝土。大體積混凝土在水泥水化升溫的初期容易出現內高外低的溫差，在內約束作用下形成表面裂縫;在超大體積混凝土降溫階段由於混凝土的收縮在外約束作用下容易導致貫穿裂縫，貫穿裂縫會嚴重影響結構的性能，破壞結構的整體性、耐久性等[1]。針對大體積混凝土溫控防裂這一課題，各國學者做了大量的研究工作。
透過數值模擬可以有效地預先判斷在施工過程中可能出現的溫度應力分佈不均勻所導致的薄弱環節，提前做好裂縫控制工作[2]，網格法能夠有效地模擬混凝土塊在溫度應力作用下的開裂發展過程[3]。運用數值模型分析混凝土早期水化反應時的熱力學狀態應當考慮連續澆築、材料、徐變和熱學邊界條件等非線性因素[4]，同時大體積混凝土應力場仿真計算中，混凝土的彈性模量、徐變變形均與溫度有關，溫度場和應力場存在耦合現象[5]。計算模型表面邊界條件的差異、溫度場的分佈存在着規律性的變化，邊界條件相同時，溫度分佈存在着對稱性，邊界條件不同時，溫度分佈存在着非對稱性，並且基礎沿厚度方向的中心截面具有對稱性[6]。
大體積混凝土裂縫產生的原因主要包括混凝土自身熱學和力學性能及外部環境[7]。澆築溫度極大地影響材料的熱學和力學性質以及結構的溫升、溫度應力和開裂，養護條件對溫度、應力和開裂有顯著影響[8]。大體積混凝土內部溫度場時變狀態與澆築溫度密切相關[9]。
水化熱是引起大體積混凝土早期裂縫產生的主要原因，大體積混凝土溫控抗裂應該遵循“抗放兼施”的原則[1]，混凝土在冷卻過程中重點關注最高溫度控制，溫度變化率協調控制與異常溫度控制[10]。澆築時合理分層，控制澆築溫度，埋設冷卻水管和表面絕熱[11]，澆築完成以後做好冷卻和保溫能有效防止溫度裂縫產生[12]。大體積混凝土施工全過程監測內部溫度的變化至關重要，並根據溫度變化調整施工工藝對預防裂縫產生具有顯著效果[13]。 以往研究主要從大體積混凝土水化熱有限元分析及裂縫預測、溫度裂縫產生的原因、溫控防裂措施3個方面展開。透過有限元分析預測水化熱溫度及混凝土開裂位置及可能性是提出溫控防裂措施的前提，而計算分析結果可靠性依賴於混凝土熱力學參數的準確性。目前大多數計算分析採用的混凝土熱力學參數來源於實驗室或規範值。由於實際施工過程中混凝土配合比的變化或某些隨機因素的擾動，規範值或試驗值與實際相差較大，同時在施工現場測定混凝土熱力學參數難度較大且成本高昂。透過混凝土立方體試件溫升試驗，測得試件各代表點不同時刻的溫度，透過反演分析求得混凝土1個或多個溫度特性參數[14]，但仍屬於試驗測定的方法。
針對這一問題，本文提出根據施工現場測得的溫度數據，透過遺傳算法反演分析得到能夠反映混凝土實際熱學性能的參數，並以此建立三維有限元模型，透過反饋分析驗證反演參數及計算模型的準確性，根據模型計算模擬施工過程中混凝土內部溫度場的變化，爲提出合理應對措施指導後續施工提供依據。
1 分析方法
1.1 不穩定溫度場理論
在計算域R內任何一點處，不穩定溫度場θ(x，y，z，t)須滿足熱傳導方程，即
1.2 水管冷卻溫度場計算原理
1.3 混凝土應力場理論
混凝土在複雜應力狀態下的應變增量包含彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應變增量、幹縮應變增量和自生體積應變增量，因此有
1.4 遺傳算法
遺傳算法產生於羣體遺傳學和生物進化論，由Holland等創立，遺傳算法是模擬自然界生物進化過程與求解極值問題的一類自組織、自適應人工智能技術，因其解決不同非線性問題的魯棒性、全局最優性、不依賴於問題模型的特性、可並行性及高效率，正引起越來越多的'研究及應用熱潮。
遺傳算法的基本原理是模仿自然界“物競天擇，適者生存”的演化法則，先將問題參數編碼爲染色體，然後用迭代的方法進行選擇、交叉以及變異等運算完成種羣中染色體的資訊交換，最終得到滿足優化目標的染色體。在該算法中，染色體代表的值數組或數據往往是由一維的串結構數據來表達，串上每個位置對應基因的取值。基因串組成了染色體，稱爲基因型個體，種羣是由一定數量的個體組成，種羣中個體數目的大小稱爲種羣大小，而個體對自然環境的適應程度稱爲適應度[15]。
2 參數反演分析
2.1 模型的建立
本文以雲南普立大橋爲依託工程，普立大橋主橋爲雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，主纜分跨爲166 m+628 m+166 m。散索鞍支墩基礎長24 m，寬21 m，高6 m，澆築的混凝土爲6 048 m3。錨錠各部位的分層澆築厚度如圖1所示。
透過MIDAS/FEA建立散索鞍支墩基礎的1/4有限元模型，整體座標系沿基礎長度方向爲x軸，沿寬度方向爲y軸，沿高度方向爲z軸。溫度場分析中的邊界條件爲：基岩外表面爲絕熱，絕熱溫度爲20 ℃，屬於第2類邊界條件;混凝土外表面與大氣接觸，爲第3類邊界條件。應力場分析中的邊界條件爲：基岩的底面按照固定支座處理，模型在長度方向上爲Oxz面對稱，模型在寬度方向上爲Oyz面對稱。網格劃分利用映射網格法，六面體單元。圖2爲鞍部基礎1/4有限元模型，圖3爲模型散熱面。
鞍部基礎混凝土溫度測點在高度方向佈置在每層混凝土中間，3層共佈置27個測點，本文中使用的測點平面佈置如圖4所示。利用遺傳算法對影響混凝土溫度場的最終絕熱溫升θ0、反應速度v、導熱係數λ以及表面放熱係數β四個參數進行反演，在混凝土內部λ和β對溫度場的影響較小，所以在反演過程中可以先利用測點3，4，5反演出最終絕熱溫升θ0、反應速度v，然後利用測點1，2，3反演出導熱
2.2 反演分析
散索鞍部基礎採用C30混凝土，其配合比和基岩的物理力學參數如表1，2所示。施工採用混凝土適度表面保溫和內部水管降溫的溫控防裂措施，即鋼模板外面貼塑料保溫板，基礎內部佈置冷卻水管。圖5爲冷卻水管佈置，表3爲冷卻水相關參數。
冷卻水管直徑爲0.038 m，對流係數爲371.67 W・(m2・℃)-1，每層混凝土中分別佈置2層。溫控方案中冷卻水管設計流量爲4.5 m3・h-1。現場施工嚴格按照設計圖紙佈設冷卻水管，並安排專人控制冷卻水管流速，依據現場實測結果，計算時冷卻水管的流量取平均流量4 m3・h-1。
圖6爲散索鞍支墩基礎第2層澆築後環境溫度變化曲線。由圖6可知，散索鞍支墩附近環境晝夜溫差接近20 ℃。由於採取有效的表面保溫措施，混凝土表面溫度波動幅度不超過3 ℃，遠小於內外溫差值，故反演分析時認爲環境溫度基本穩定，不考慮環境溫度對反演結果的影響。
2.2.1 反演參數及目標函數
在溫度場分析中，主要物理力學參數包括混凝土的比熱容c、密度ρ、導熱係數λ、表面放熱係數β以及混凝土的絕熱溫升Δθ。這些參數中比熱容c、密度ρ可以由室內試驗得到且滿足計算精度要求，一般不予反演分析。絕熱溫升Δθ受到水泥種類和用量以及實驗室環境與施工環境差異的影響，難以確定;導熱係數λ受混凝土密實性、材料成分的隨機性以及骨料巖性的影響，難以確定;表面放熱係數β受表面保溫層的厚度、太陽輻射等因素的影響，需要反演分析。因此，本文基於遺傳算法反演參數Δθ，λ以及β，其中絕熱溫升模型θ(τ)採用指數模型，即
2.2.2 反演分析結果
根據現場27個典型測點的實測溫度，利用MATLAB語言編寫遺傳算法程序，由工程經驗及實踐得反演參數的範圍爲：20 kJ・(m・h・℃)-1≤λ≤80 kJ・(m・h・℃)-1，40 ℃≤θ0≤65 ℃，0.3 d≤v≤1.1 d。反演過程中的相關參數定義如下：最大遺傳迭代次數爲50，種羣數量爲50，交叉概率爲0.9，變異概率爲0.01。每進行1次迭代，根據適應度的大小對種羣中的每個個體進行排序，並記錄適應度最大的個體。最大絕熱溫升與反應速度、導熱係數與表面放熱係數的進化過程如圖7，8所示。 最大絕熱溫升和反應速度在經過17次迭代後趨於穩定，另外，導熱係數和表面放熱係數也在經歷16次迭代後達到收斂，從而得出最終反演分析結果爲：最終絕熱溫升θ0=58.6 ℃，反應速度v=0.54 d，導熱係數λ=10.07 kJ・(m・h・℃)-1，表面放熱係數β=70 kJ・(m2・h・℃)-1。
爲了驗證本文遺傳算法得到的反演參數值的正確性和算法的可靠性，將其代入溫度場分析模型中進行驗證，得到的溫度計算值與實測值見圖9，10。
由圖9，10可知，混凝土反演參數計算的溫度值與實測值相差很小，擬合效果良好，而且反演的收斂速度很快。因此，驗證了計算模型及反演參數的可靠性。
3 反饋分析
根據反演分析所得到的混凝土熱力學參數，對後續混凝土層施工期混凝土溫度場及應力場進行仿真計算分析。爲防止晝夜溫差對混凝土表面的影響，對其表面採取適當的保溫措施，仿真計算考慮其受晝夜溫差的影響。
3.1 溫度計算結果分析
圖11，12分別爲第1層和第2層測點1與測點5的溫度歷時曲線。由圖11，12可知，在表面保溫和內部降溫措施下，鞍部基礎混凝土表面散熱能力減弱，內部溫升幅度減小，內外溫差顯著降低。混凝土在澆築完成50 h左右內部溫度達到峯值53.8 ℃，經水管冷卻作用後，溫度緩慢降至31.7 ℃。在澆築第2層混凝土時，第1層混凝土測點5溫度先逐漸上升至35.8 ℃，然後緩慢降低並達到穩定溫度31.5 ℃。從測點1，5溫度歷時曲線可以看出，內部最高溫度57.3 ℃，表面最高溫度44.6 ℃，內外溫差約爲12 ℃，冷卻水管消峯減差效果明顯。
經過15 d的間隙澆築，第2層混凝土在澆築64 h後，測點1的溫度爲37.6 ℃，測點5的溫度爲60.4 ℃，此時內外溫差達到最大值23 ℃，需要及時調整冷卻水管流量的大小;澆築第2層混凝土時內部溫度降溫速率比第1層的小，且第2層的穩定溫度整體比第1層要高一些。因此，在澆築後續混凝土層時應該加強表面保溫和內部冷卻水管降溫的措施，以減小內外溫差，防止開裂。由於表面混凝土層受晝夜溫差的影響，測點1的溫度隨氣溫波動，但波動幅度不超過3 ℃。
3.2 應力計算結果分析
在鞍部基礎混凝土溫度徐變應力分析中，將計算溫度作爲溫度荷載施加至結構上，並考慮混凝土自重的影響，透過分析具有代表性特徵點的應力歷程曲線來研究基礎內部的應力場分佈，以便採取恰當的溫控防裂措施。
透過溫度抗裂指數i來預測混凝土內部發生裂縫的機率。溫度抗裂指數i是指混凝土的容許應力與實際產生應力間的比值，一般應滿足如下規定：防止裂縫產生時i>1.5，限制裂縫發生時1.2 特徵點平面和立面佈置如圖13所示，其中，特徵點1在距混凝土側面0.5 m處，特徵點2在混凝土中心部位，而特徵點3在混凝土的表面位置。
透過應力場的仿真分析，各特徵點的最大主拉應力歷程曲線及抗裂指數見圖14，15。由圖14，15可以看出，由於早期內外溫差的原因，特徵點1初期拉應力接近爲0，特徵點3表現爲最大拉應力。在內部溫度達峯值時早期表面拉應力達到最大值1.5 MPa，沒有超過當時容許抗拉強度，早期由表及裏型裂縫發生的可能性較小。隨着溫度的降低，混凝土結構整體收縮逐漸變爲主導，特徵點拉應力增大到9 d左右時達到最大值1.6 MPa。第1層混凝土澆築完15 d時(第2層混凝土澆築)，混凝土應力陡然變大、波動，產生的主要原因是受上層新澆築混凝土的重力、膨脹以及晝夜溫差影響。此時，特徵點1的抗裂指數i=2，混凝土表面產生裂縫的概率最大。
由圖15還可以看出：當抗裂指數i=20時，混凝土內部應力爲壓應力;在基礎第1層混凝土澆築後1 310 h內， 儘管特徵點1的抗裂指數較小， 但其最大主拉應力沒有超過容許應力，因此混凝土產生裂縫的可能性較小，可以說在此期間混凝土不會開裂，而且在澆築後期特徵點1～3的抗裂指數都較大且相對穩定，所以在整個運營期間第1層都不太可能產生裂縫。表4中給出了基礎混凝土在澆築後各齡期混凝土內部的最大主拉應力。
在混凝土澆築10 h時，基礎第2層內部最大主拉應力爲1.83 MPa，超出了容許拉應力，抗裂指數爲i=0.76，大於限制有害裂縫產生的最小值0.7，此時混凝土內部可能產生限制裂縫。由表4可知，每層混凝土澆築3 d後，抗裂指數都在1.5以上，大於防止裂縫發生的最小值1.5，所以混凝土內部在3 d以後一般不會產生裂縫。4 結 語
(1)根據現場實測混凝土內部水化熱反應的溫度，應用遺傳算法反演分析混凝土熱力學參數，得出最終絕熱溫升θ0=58.6 ℃，反應速度v=0.54 h，導熱係數λ=10.07 kJ・(m・h・℃)-1，表面放熱係數β=70 kJ・(m2・h・℃)-1。基於反演參數預測後 澆混凝土溫度場與實測值吻合良好，說明遺傳算法反演分析混凝土熱力學參數具有足夠的可靠性。
(2)混凝土在澆築50 h時，內部溫度達到峯值53.8 ℃，經水管冷卻作用後溫度降至31.7 ℃，冷卻水管消峯減差效果明顯。基於反演參數的有限元模型可準確地預測溫度場分佈情況和峯值，依據預測結果在混凝土澆築早期採用表面降溫和內部佈設冷卻水管的措施可有效地減小內外溫差，以防止裂縫的產生。
(3)由於早期內外溫差的影響，在混凝土內部溫度達峯值時表面拉應力達到最大值1.5 MPa，未超過容許抗拉強度。每層混凝土澆築3 d後，抗裂指數都在1.5以上，大於防止裂縫發生的最小值1.5，故混凝土內部在3 d後一般不會產生裂縫。
(4)在工程施工中，採用基於遺傳算法反演分析大體積混凝土熱力學參數簡單易行且計算效率高，可以大幅降低實驗室和現場測量的難度和費用，因此具有較高的實用性和經濟性。
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