閘墩混凝土結構溫控防裂措施智能優選研究

黃耀英，丁月梅，呂曉曼，徐佰林

（三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002）

1 前言

大量工程實踐表明，水閘閘墩、渡槽槽壁、泄洪洞襯砌混凝土等準大體積混凝土在施工期經常會出現裂縫。為此，工程單位采用改善混凝土抗裂性能、預冷骨料、表面保溫和養護、通水冷卻等措施進行溫控防裂。研究表明，對于閘墩混凝土，如果初期保溫效果過強，在拆模時，受環境氣溫影響的冷擊現象明顯；如果采取通水冷卻來減小內外溫差，雖然能降低混凝土內部的溫度，但降溫速率過快，同樣會引起嚴重裂縫。針對大體積混凝土，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并不適用。近年朱伯芳等[2]提出了一個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、強度等達到其最終值一半時的齡期，它代表絕熱溫升和強度增長的速度。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揮作用時，混凝土溫度已上升到最高，隨后將產生較大的降溫幅度和溫度應力。由于很多閘墩混凝土結構采用泵送混凝土，而泵送混凝土放熱量和放熱速率一般較常態混凝土大，即泵送混凝土的半熟齡期一般較小，這導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，閘墩混凝土溫控防裂取決于澆筑溫度、環境氣溫、表面保溫效果、水管間距、通水水溫、通水流量、通水時間等溫控措施，同時還取決于絕熱溫升、彈性模量、強度參數和徐變度等材料參數的增長速率，它是一個復雜的多因素系統優選問題。但目前閘墩混凝土溫控防裂文獻多是單個溫控因素的敏感性分析[3，4]，少有多個溫控因素的優選分析，為此，本文探討基于均勻設計原理的神經網絡模型優選溫控因素。

2 基本原理

2.1 溫度場和徐變應力場仿真分析原理

水管冷卻效果的模擬是含冷卻水管混凝土結構溫度場仿真分析的一個難點。目前，混凝土工程上對水管冷卻效果的分析主要有兩種計算模型：水管冷卻有限元法和水管冷卻等效熱傳導法。水管冷卻有限元法是在水管附近布置密集的有限元網格，以反映水管附近很大的溫度梯度，采用迭代法計算水管水溫與混凝土進行熱交換而導致沿程水溫逐漸增大，從而獲得溫度場；水管冷卻等效熱傳導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格，采用通常的網格即可獲得溫度場。水管冷卻有限元法的計算原理和水管冷卻等效熱傳導法計算原理在文獻[5，6]中有詳細的敘述，本文不再贅述。對于閘墩混凝土結構，采用水管冷卻有限元法仿真計算的溫度場更符合實際情況，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構的溫度場計算結果后，再進行徐變應力場仿真分析。混凝土結構徐變應力場仿真分析原理在文獻[5，6]中有詳細的敘述，本文不再贅述。本文采用Visual Fortran編制了混凝土結構徐變應力場仿真分析程序[7]。

2.2 基于均勻設計的神經網絡模型優選閘墩混凝土溫控措施

關于均勻設計的基本原理在文獻[8]有較詳細的闡述，本文不再贅述。

閘墩混凝土溫控防裂取決于澆筑溫度、環境氣溫、表面保溫效果、水管間距、通水水溫、通水流量、通水時間等溫控措施，同時還取決于絕熱溫升、彈性模量、強度參數和徐變度等材料參數，它是一個復雜的多因素系統優選問題。由于過多的因素進行聯合優選難度很大，本文嘗試已知混凝土熱力學材料參數情況下的溫控措施優選。考慮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構的主拉應力，本文主要分析閘墩混凝土結構的主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線的關系。以下介紹基于均勻設計的神經網絡模型優選溫控防裂措施的思路，其主要分為3個步驟。

1）利用數值方法產生神經網絡的學習樣本。a.設置待優選澆筑溫度、表面保溫效果、通水水溫、通水流量、通水時間等溫控措施的取值水平，利用均勻設計方法在待優選參數x={x1，x2，…，}xn的可能取值空間中構造參數取值組合，形成待優選參數若干個取值集合。b.分別建立閘墩混凝土溫度場和徐變應力場仿真分析有限元模型，把每一個待優選參數的取值集合輸入閘墩混凝土溫度場仿真計算模型，進行溫度場仿真計算，然后進行徐變應力場仿真計算，并獲得閘墩混凝土結構內部和表面關鍵點的第一主應力過程線，由此獲得內部和表面主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線關系的最小值，其中，[σ1]τ為隨齡期τ增長的抗拉強度；(σ1τ)in為內部主拉應力歷時曲線；(σ1τ)sur為表面主拉應力歷時曲線。c.將閘墩混凝土關鍵點的Rin、Rsur作為輸入，待優選參數x={x1，x2，…，xn}可能的取值作為輸出，組成學習樣本。2）利用該樣本集對神經網絡進行訓練，獲得較為合理的神經網絡模型。基于均勻設計原理的神經網絡模型如圖1所示。

圖1 基于均勻設計原理的神經網絡模型Fig.1 Neuralnetwork modelbased on uniform design princip le

3）根據設計要求和工程經驗確定合適的內部和表面主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線關系的最小值，然后，將確定的合適值和輸入訓練好的神經網絡模型，即能優選出合理的澆筑溫度、表面保溫效果、通水水溫、通水流量、通水時間等溫控措施。最后，根據工程實際情況以及工程經驗等，對優選出的溫控措施略作調整，然后指導實際溫控防裂。

3 實例分析

淮河干流某進（退）洪閘工程共有5孔，單孔凈寬8m，閘墩高8.5m，閘室順水流方向長15.5m，中墩厚1.2m，底板厚1.4m，采用泵送混凝土。閘體混凝土澆筑時間集中在2—4月。

3.1 優選因素的確定

假設閘墩立模時間為7 d，在閘墩混凝土拆模后，間歇1 d覆蓋表面保溫材料，在閘墩正中間布設冷卻水管（鋼管）進行通水冷卻，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閘墩混凝土的溫度和應力相對不敏感，根據工程經驗，通水流量取為24m3/d。經綜合分析，擬對閘墩立模7 d內的表面保溫效果、澆筑溫度、通水水溫、通水時間共4個溫控因素進行優選。

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格，采用空間六面體8結點等參單元，對典型中閘墩、冷卻水管、閘底板及計算域進行網格剖分，共剖分單元11 860個，結點14 321個，有限元模型見圖2。

3.3 計算荷載及參數

對閘底板和閘墩進行施工期溫度場仿真分析時，混凝土絕熱溫升為θ(τ)=51．6τ/(1．5+τ)，其余熱學參數則參考室內和該工程周邊同類水閘工程給定；環境氣溫采用該水閘工程所在地區的多年月平均氣溫；對閘底板和閘墩進行施工期應力場仿真分析時，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α=1×10-5/℃，抗拉強度為σ0(τ)=3．8τ/(4．7+τ)MPa，混凝土8參數徐變度為C(t,τ)=(0．001 6+/MPa，其中t為時間。

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

3.4 溫控參數取值范圍

根據水閘施工的工程經驗及該工程實際條件，選定通水水溫為12～18℃，通水時間為3～6 d，閘墩立模7 d內的表面放熱系數為5～60.5 kJ/（m·h·℃），澆筑溫度為15～21℃；采用均勻設計方法對這4個溫控因素進行組合，溫控參數水平數均取4，即通水水溫取12℃、14℃、16℃、18℃，通水時間取3 d、4 d、5 d、6 d，表面放熱系數取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℃；依據均勻設計原理，給出了16組不同組合。

3.5 學習樣本準備

結合均勻設計方法組合的溫控參數，先采用水管冷卻有限元法進行閘底板和閘墩施工期溫度場仿真分析，然后進行徐變應力場仿真分析，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，初期計算時間步長為0.25 d，后期計算時間步長為0.5 d。由此獲得閘墩內部和表面主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線關系的最小值Rin、Rsur，共獲得16個學習樣本（見表1）。由分析可見，表面保溫效果強，拆模時將在表面產生較大的拉應力，該拉應力甚至大于同齡期下的抗拉強度。

表1 學習樣本Table 1 The learning sam ples

3.6 神經網絡模型訓練

將表1中Rin、Rsur作為輸入，通水水溫、通水時間、表面放熱系數和澆筑溫度作為輸出，建立神經網絡模型。為較好地防止計算過程出現“過擬合”等問題，在進行網絡訓練前，對數據進行了“歸一化”處理。采用三層back propagation（BP）神經網絡進行訓練，其中隱含層神經元數目采用10個，經過2 000次學習訓練后，自動結束并獲得網絡模型。

3.7 溫控措施智能優選

根據水閘工程經驗，確定合適的內部和表面主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線關系的最小值分別為=0.3、=0.5；將其代入訓練好的網絡模型，優選出的溫控參數“反歸一化”處理后，通水水溫、通水時間、表面放熱系數、澆筑溫度分別為15.12℃、3.71 d、17.93 kJ（/m·h·℃）、14.99℃，再根據工程實際情況以及工程經驗等，對優選出的溫控措施略作調整，如為便于施工人員具體操作，將通水水溫、通水時間、表面放熱系數、澆筑溫度四舍五入取整數等，由此確定的溫控措施為通水水溫為15℃左右，連續通水時間為4 d左右，表面保溫后放熱系數為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，而通水時間也并非越長越好；表面保溫宜適中，過強的表面保溫將在拆模時引起很大的拉應力，而較弱的表面保溫將在初期的表面主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線的關系值較小，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，適當降低澆筑溫度對控制混凝土拉應力有利。

4 結語

1）閘墩混凝土溫控防裂是一個復雜的多因素系統優選問題，考慮到過多的因素進行聯合優選難度很大，本文嘗試已知混凝土熱力學材料參數情況下的溫控措施優選，即將閘墩混凝土結構內部和表面主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線關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、通水時間作為輸出，建立了溫控措施優選的神經網絡模型，給出了基于均勻設計原理的神經網絡模型優選溫控措施的步驟。

2）結合某水閘工程，展示了本文建立的溫控措施優選神經網絡模型，將合適的內部和表面主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線關系的最小值輸入訓練好的網絡，可自動優選出合理的溫控防裂措施。分析表明，對于閘墩混凝土，通水水溫并非越低越好，而通水時間也并非越長越好；表面保溫宜適中，過強的表面保溫將在拆模時引起很大的拉應力，而較弱的表面保溫將在初期的表面主拉應力歷時曲線和抗拉強度增長曲線的關系值較小，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，適當降低澆筑溫度對控制混凝土拉應力有利。

[1] 朱伯芳.小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向[J].水利水電技術，2009，40（1）：44-50．

[2] 朱伯芳，楊 萍.混凝土的半熟齡期——改善混凝土抗裂能力的新途徑[J].水利水電技術，2008，39（5）：30-35．

[3] 楊接平.倒丁字形混凝土結構溫控防裂技術研究[D].南京：河海大學，2005.

[4] 吳新立.泵送混凝土水閘寒冬季節施工期裂縫機理與抗裂措施研究[D].南京：河海大學，2006.

[5] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[6] 朱伯芳.混凝土壩理論與技術新進展[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[7] 黃耀英，周宜紅，周建兵.水管冷卻熱傳導計算模型能量分析[J].水利水運工程學報，2012（1）：78-81．

[8] 方開泰，馬長興.正交與均勻試驗設計[M].北京：科學出版社，2001.