黃耀英，丁月梅，呂曉曼，徐佰林

（三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002）

1 前言

大量工程實(shí)踐表明，水閘閘墩、渡槽槽壁、泄洪洞襯砌混凝土等準(zhǔn)大體積混凝土在施工期經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂縫。為此，工程單位采用改善混凝土抗裂性能、預(yù)冷骨料、表面保溫和養(yǎng)護(hù)、通水冷卻等措施進(jìn)行溫控防裂。研究表明，對(duì)于閘墩混凝土，如果初期保溫效果過強(qiáng)，在拆模時(shí)，受環(huán)境氣溫影響的冷擊現(xiàn)象明顯；如果采取通水冷卻來減小內(nèi)外溫差，雖然能降低混凝土內(nèi)部的溫度，但降溫速率過快，同樣會(huì)引起嚴(yán)重裂縫。針對(duì)大體積混凝土，朱伯芳[1]提出了“小溫差、早冷卻、緩冷卻”的通水理念，但對(duì)閘墩混凝土來說，由于通水冷卻主要目的是控制最高溫度，因此小溫差、早冷卻、緩冷卻的通水理念有時(shí)并不適用。近年朱伯芳等[2]提出了一個(gè)改善混凝土抗裂能力的新理念——混凝土的半熟齡期，即混凝土絕熱溫升、強(qiáng)度等達(dá)到其最終值一半時(shí)的齡期，它代表絕熱溫升和強(qiáng)度增長的速度。分析表明[2]，如果混凝土絕熱溫升的半熟齡期太小，內(nèi)部溫度上升太快，以致天然散熱和人工冷卻還沒有來得及充分發(fā)揮作用時(shí)，混凝土溫度已上升到最高，隨后將產(chǎn)生較大的降溫幅度和溫度應(yīng)力。由于很多閘墩混凝土結(jié)構(gòu)采用泵送混凝土，而泵送混凝土放熱量和放熱速率一般較常態(tài)混凝土大，即泵送混凝土的半熟齡期一般較小，這導(dǎo)致試圖通過加大通水流量和降低通水溫度等措施來控制最高溫度的效果不甚明顯。其實(shí)，閘墩混凝土溫控防裂取決于澆筑溫度、環(huán)境氣溫、表面保溫效果、水管間距、通水水溫、通水流量、通水時(shí)間等溫控措施，同時(shí)還取決于絕熱溫升、彈性模量、強(qiáng)度參數(shù)和徐變度等材料參數(shù)的增長速率，它是一個(gè)復(fù)雜的多因素系統(tǒng)優(yōu)選問題。但目前閘墩混凝土溫控防裂文獻(xiàn)多是單個(gè)溫控因素的敏感性分析[3，4]，少有多個(gè)溫控因素的優(yōu)選分析，為此，本文探討基于均勻設(shè)計(jì)原理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)選溫控因素。

2 基本原理

2.1 溫度場(chǎng)和徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真分析原理

水管冷卻效果的模擬是含冷卻水管混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)仿真分析的一個(gè)難點(diǎn)。目前，混凝土工程上對(duì)水管冷卻效果的分析主要有兩種計(jì)算模型：水管冷卻有限元法和水管冷卻等效熱傳導(dǎo)法。水管冷卻有限元法是在水管附近布置密集的有限元網(wǎng)格，以反映水管附近很大的溫度梯度，采用迭代法計(jì)算水管水溫與混凝土進(jìn)行熱交換而導(dǎo)致沿程水溫逐漸增大，從而獲得溫度場(chǎng)；水管冷卻等效熱傳導(dǎo)法是把冷卻水管看成熱匯，在平均意義上考慮水管冷卻的效果，不需要在水管附近布置密集的有限元網(wǎng)格，采用通常的網(wǎng)格即可獲得溫度場(chǎng)。水管冷卻有限元法的計(jì)算原理和水管冷卻等效熱傳導(dǎo)法計(jì)算原理在文獻(xiàn)[5，6]中有詳細(xì)的敘述，本文不再贅述。對(duì)于閘墩混凝土結(jié)構(gòu)，采用水管冷卻有限元法仿真計(jì)算的溫度場(chǎng)更符合實(shí)際情況，為此，本文采用Visual Fortran編制了水管冷卻有限元法仿真分析程序[7]。

獲得含冷卻水管的閘墩混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果后，再進(jìn)行徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真分析?；炷两Y(jié)構(gòu)徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真分析原理在文獻(xiàn)[5，6]中有詳細(xì)的敘述，本文不再贅述。本文采用Visual Fortran編制了混凝土結(jié)構(gòu)徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真分析程序[7]。

2.2 基于均勻設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)選閘墩混凝土溫控措施

關(guān)于均勻設(shè)計(jì)的基本原理在文獻(xiàn)[8]有較詳細(xì)的闡述，本文不再贅述。

閘墩混凝土溫控防裂取決于澆筑溫度、環(huán)境氣溫、表面保溫效果、水管間距、通水水溫、通水流量、通水時(shí)間等溫控措施，同時(shí)還取決于絕熱溫升、彈性模量、強(qiáng)度參數(shù)和徐變度等材料參數(shù)，它是一個(gè)復(fù)雜的多因素系統(tǒng)優(yōu)選問題。由于過多的因素進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)選難度很大，本文嘗試已知混凝土熱力學(xué)材料參數(shù)情況下的溫控措施優(yōu)選?？紤]到混凝土開裂與否間接取決于最高溫度和降溫速率等，而直接取決于混凝土結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力，本文主要分析閘墩混凝土結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線的關(guān)系。以下介紹基于均勻設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)選溫控防裂措施的思路，其主要分為3個(gè)步驟。

1）利用數(shù)值方法產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本。a.設(shè)置待優(yōu)選澆筑溫度、表面保溫效果、通水水溫、通水流量、通水時(shí)間等溫控措施的取值水平，利用均勻設(shè)計(jì)方法在待優(yōu)選參數(shù)x={x1，x2，…，}xn的可能取值空間中構(gòu)造參數(shù)取值組合，形成待優(yōu)選參數(shù)若干個(gè)取值集合。b.分別建立閘墩混凝土溫度場(chǎng)和徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真分析有限元模型，把每一個(gè)待優(yōu)選參數(shù)的取值集合輸入閘墩混凝土溫度場(chǎng)仿真計(jì)算模型，進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，然后進(jìn)行徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算，并獲得閘墩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面關(guān)鍵點(diǎn)的第一主應(yīng)力過程線，由此獲得內(nèi)部和表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線關(guān)系的最小值，其中，[σ1]τ為隨齡期τ增長的抗拉強(qiáng)度；(σ1τ)in為內(nèi)部主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線；(σ1τ)sur為表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線。c.將閘墩混凝土關(guān)鍵點(diǎn)的Rin、Rsur作為輸入，待優(yōu)選參數(shù)x={x1，x2，…，xn}可能的取值作為輸出，組成學(xué)習(xí)樣本。2）利用該樣本集對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，獲得較為合理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。基于均勻設(shè)計(jì)原理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 基于均勻設(shè)計(jì)原理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 Neuralnetwork modelbased on uniform design princip le

3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求和工程經(jīng)驗(yàn)確定合適的內(nèi)部和表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線關(guān)系的最小值，然后，將確定的合適值和輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，即能優(yōu)選出合理的澆筑溫度、表面保溫效果、通水水溫、通水流量、通水時(shí)間等溫控措施。最后，根據(jù)工程實(shí)際情況以及工程經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)優(yōu)選出的溫控措施略作調(diào)整，然后指導(dǎo)實(shí)際溫控防裂。

3 實(shí)例分析

淮河干流某進(jìn)（退）洪閘工程共有5孔，單孔凈寬8m，閘墩高8.5m，閘室順?biāo)鞣较蜷L15.5m，中墩厚1.2m，底板厚1.4m，采用泵送混凝土。閘體混凝土澆筑時(shí)間集中在2—4月。

3.1 優(yōu)選因素的確定

假設(shè)閘墩立模時(shí)間為7 d，在閘墩混凝土拆模后，間歇1 d覆蓋表面保溫材料，在閘墩正中間布設(shè)冷卻水管（鋼管）進(jìn)行通水冷卻，水管垂直間距為1m。由于泵送混凝土絕熱溫升半熟齡期較小，其半熟齡期僅為1.5 d，以致水管通水流量對(duì)閘墩混凝土的溫度和應(yīng)力相對(duì)不敏感，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通水流量取為24m3/d。經(jīng)綜合分析，擬對(duì)閘墩立模7 d內(nèi)的表面保溫效果、澆筑溫度、通水水溫、通水時(shí)間共4個(gè)溫控因素進(jìn)行優(yōu)選。

3.2 有限元模型

采用水管冷卻有限元法模擬水管冷卻效果，即在冷卻水管周圍布置密集的網(wǎng)格，采用空間六面體8結(jié)點(diǎn)等參單元，對(duì)典型中閘墩、冷卻水管、閘底板及計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分單元11 860個(gè)，結(jié)點(diǎn)14 321個(gè)，有限元模型見圖2。

3.3 計(jì)算荷載及參數(shù)

對(duì)閘底板和閘墩進(jìn)行施工期溫度場(chǎng)仿真分析時(shí)，混凝土絕熱溫升為θ(τ)=51．6τ/(1．5+τ)，其余熱學(xué)參數(shù)則參考室內(nèi)和該工程周邊同類水閘工程給定；環(huán)境氣溫采用該水閘工程所在地區(qū)的多年月平均氣溫；對(duì)閘底板和閘墩進(jìn)行施工期應(yīng)力場(chǎng)仿真分析時(shí)，考慮自重、溫度荷載以及徐變度等，混凝土彈性模量為E(τ)=40 400τ/(3．5+τ)MPa，熱膨脹系數(shù)α=1×10-5/℃，抗拉強(qiáng)度為σ0(τ)=3．8τ/(4．7+τ)MPa，混凝土8參數(shù)徐變度為C(t,τ)=(0．001 6+/MPa，其中t為時(shí)間。

圖2 閘墩有限元模型Fig.2 Sluice pier finite elementmethod（FEM）model

3.4 溫控參數(shù)取值范圍

根據(jù)水閘施工的工程經(jīng)驗(yàn)及該工程實(shí)際條件，選定通水水溫為12～18℃，通水時(shí)間為3～6 d，閘墩立模7 d內(nèi)的表面放熱系數(shù)為5～60.5 kJ/（m·h·℃），澆筑溫度為15～21℃；采用均勻設(shè)計(jì)方法對(duì)這4個(gè)溫控因素進(jìn)行組合，溫控參數(shù)水平數(shù)均取4，即通水水溫取12℃、14℃、16℃、18℃，通水時(shí)間取3 d、4 d、5 d、6 d，表面放熱系數(shù)取5 kJ/（m·h·℃）、23.5 kJ/（m·h·℃）、42kJ/（m·h·℃）、60.5kJ/（m·h·℃），澆筑溫度取15℃、18℃、21℃、24℃；依據(jù)均勻設(shè)計(jì)原理，給出了16組不同組合。

3.5 學(xué)習(xí)樣本準(zhǔn)備

結(jié)合均勻設(shè)計(jì)方法組合的溫控參數(shù)，先采用水管冷卻有限元法進(jìn)行閘底板和閘墩施工期溫度場(chǎng)仿真分析，然后進(jìn)行徐變應(yīng)力場(chǎng)仿真分析，其中，底板澆筑后間歇20 d開始閘墩混凝土澆筑，閘墩混凝土澆筑后，仿真分析30 d，初期計(jì)算時(shí)間步長為0.25 d，后期計(jì)算時(shí)間步長為0.5 d。由此獲得閘墩內(nèi)部和表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線關(guān)系的最小值Rin、Rsur，共獲得16個(gè)學(xué)習(xí)樣本（見表1）。由分析可見，表面保溫效果強(qiáng)，拆模時(shí)將在表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力甚至大于同齡期下的抗拉強(qiáng)度。

表1 學(xué)習(xí)樣本Table 1 The learning sam ples

3.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練

將表1中Rin、Rsur作為輸入，通水水溫、通水時(shí)間、表面放熱系數(shù)和澆筑溫度作為輸出，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。為較好地防止計(jì)算過程出現(xiàn)“過擬合”等問題，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了“歸一化”處理。采用三層back propagation（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，其中隱含層神經(jīng)元數(shù)目采用10個(gè)，經(jīng)過2 000次學(xué)習(xí)訓(xùn)練后，自動(dòng)結(jié)束并獲得網(wǎng)絡(luò)模型。

3.7 溫控措施智能優(yōu)選

根據(jù)水閘工程經(jīng)驗(yàn)，確定合適的內(nèi)部和表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線關(guān)系的最小值分別為=0.3、=0.5；將其代入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型，優(yōu)選出的溫控參數(shù)“反歸一化”處理后，通水水溫、通水時(shí)間、表面放熱系數(shù)、澆筑溫度分別為15.12℃、3.71 d、17.93 kJ（/m·h·℃）、14.99℃，再根據(jù)工程實(shí)際情況以及工程經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)優(yōu)選出的溫控措施略作調(diào)整，如為便于施工人員具體操作，將通水水溫、通水時(shí)間、表面放熱系數(shù)、澆筑溫度四舍五入取整數(shù)等，由此確定的溫控措施為通水水溫為15℃左右，連續(xù)通水時(shí)間為4 d左右，表面保溫后放熱系數(shù)為20 kJ（/m·h·℃）左右，澆筑溫度控制在15℃左右。由此可見，通水水溫并非越低越好，而通水時(shí)間也并非越長越好；表面保溫宜適中，過強(qiáng)的表面保溫將在拆模時(shí)引起很大的拉應(yīng)力，而較弱的表面保溫將在初期的表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線的關(guān)系值較小，易引起早齡期開裂；由于泵送混凝土絕熱溫升半熟齡期較小，適當(dāng)降低澆筑溫度對(duì)控制混凝土拉應(yīng)力有利。

4 結(jié)語

1）閘墩混凝土溫控防裂是一個(gè)復(fù)雜的多因素系統(tǒng)優(yōu)選問題，考慮到過多的因素進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)選難度很大，本文嘗試已知混凝土熱力學(xué)材料參數(shù)情況下的溫控措施優(yōu)選，即將閘墩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線關(guān)系的最小值作為輸入，閘墩表面保溫效果、澆筑溫度、通水水溫、通水時(shí)間作為輸出，建立了溫控措施優(yōu)選的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，給出了基于均勻設(shè)計(jì)原理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)選溫控措施的步驟。

2）結(jié)合某水閘工程，展示了本文建立的溫控措施優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將合適的內(nèi)部和表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線關(guān)系的最小值輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，可自動(dòng)優(yōu)選出合理的溫控防裂措施。分析表明，對(duì)于閘墩混凝土，通水水溫并非越低越好，而通水時(shí)間也并非越長越好；表面保溫宜適中，過強(qiáng)的表面保溫將在拆模時(shí)引起很大的拉應(yīng)力，而較弱的表面保溫將在初期的表面主拉應(yīng)力歷時(shí)曲線和抗拉強(qiáng)度增長曲線的關(guān)系值較小，易引起早齡期開裂；由于泵送混凝土絕熱溫升半熟齡期較小，適當(dāng)降低澆筑溫度對(duì)控制混凝土拉應(yīng)力有利。

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