基于多目標優(yōu)化的大體積混凝土承臺冷卻水管布置研究

孫小猛,徐登云

(1.中鐵四局博士后工作站, 合肥 230023； 2.中鐵四局第二工程有限公司,江蘇蘇州 215131)

基于多目標優(yōu)化的大體積混凝土承臺冷卻水管布置研究

孫小猛1,徐登云2

(1.中鐵四局博士后工作站, 合肥 230023； 2.中鐵四局第二工程有限公司,江蘇蘇州 215131)

基于多目標優(yōu)化理論,根據有限元建模分析的結果,確定優(yōu)化指標,提出一種成本較小、冷卻效果好的大體積混凝土冷卻水管布置方法,并在甬江鐵路斜拉橋主塔承臺施工中應用。溫控監(jiān)測結果表明：有限元理論計算與現場實測的溫度變化規(guī)律基本保持一致,達到了預期目標。該方法為大體積混凝土溫控技術提供了一種冷卻水管優(yōu)化布置準則及相關判定依據。

斜拉橋；大體積混凝土；多目標優(yōu)化；冷卻水管

1 概述

隨著高層建筑的發(fā)展，大跨度、超高墩橋梁的應用，大體積混凝土廣泛應用于工程實踐之中，強度等級日趨增高。為保證混凝土強度，施工配合比中水泥的用量也隨之增大，導致混凝土水化熱引起的結構物內部溫度大幅升高。里表溫差過大，會導致混凝土表面出現溫度拉應力，當拉應力超過混凝土抗拉強度，結構物表面將產生大量的溫度裂縫，影響施工質量。

針對大體積混凝土溫控技術，相關學者進行了很多研究。黃志福[1]等以熱傳遞方程及混凝土絕熱溫升為基礎，結合施工實例中冷卻水管的布設方法，建立有限元模型。根據有限元計算結果，得出混凝土內部溫度及主應力變化規(guī)律，并提出了施工過程中混凝土水化熱的控制措施。賈兆豐[2]等在上述理論的基礎上增加管冷溫度場計算理論，分別建立設置冷卻水管及無冷卻水管兩種對比模型，通過計算結果證明了管冷對水化熱降溫的顯著作用。李彬彬[3]等以混凝土熱彈塑性理論為基礎，考慮了混凝土的彈性模量、徐變及干縮3種因素與溫度應力之間的耦合作用，提出需要采取溫控措施的部位主要在混凝土結構內的中部及施工階段的間隔面。劉耀東[4]等分析冷卻水溫、冷卻水流量、水管間距對承臺冷卻效果的影響，并得出了相關規(guī)律。王新剛[5]等則進一步討論了冷卻水管的平面及立面布置形式、冷卻水管直徑、水管間距、冷卻水溫、通水流量、冷卻水管長度及通水時間等各項因素對承臺內部水化熱的影響。

由文獻研究結果來看，在大體積混凝土中布設冷卻水管并通水循環(huán)是防止溫度裂縫的最主要措施。現階段對大體積混凝土施工溫控技術研究多以現場某一施工實例為基礎，根據施工經驗布設冷卻水管，并建立有限元模型進行水化熱分析，定性研究承臺內部溫度及應力的變化規(guī)律；對于冷卻水管布設是否合理并沒有判定依據或優(yōu)化準則。

在施工過程中，我們總是希望在冷卻水管用量最少的情況下，冷卻效果達到最佳，冷卻水管布置本身就是個優(yōu)化問題。如何優(yōu)化冷卻水管布置方式，使冷卻效果在施工、規(guī)范及經濟條件下達到最佳，是大體積混凝土溫控技術的核心問題。

2 多目標優(yōu)化方法

成本和冷卻效果，是冷卻水管優(yōu)化布置的兩種最直接表現特征。然而在實際情況下，二者之間存在矛盾：即成本投入最大，未必能夠達到最佳的冷卻效果。在混凝土配合比、冷卻水溫、通水流量及時間等條件相同的情況下，不同的冷卻水管間距及層數可以形成大量的布置方案，如何優(yōu)選一種方案使成本與冷卻效果達到“最優(yōu)”是一項復雜而有意義的研究內容。

混凝土冷卻效果與混凝土最大拉應力具有直接表征關系，當冷卻效果提升，表現為混凝土表面最大拉應力的下降；當冷卻效果變差，表現為混凝土最大拉應力上升。二者之間的關系如圖1所示。

假定冷卻水溫、通水流量、水管材質、管徑在同等條件下，冷卻水管的布置直接影響了工程成本。因此，可以把混凝土外表面最大拉應力(σ)和冷卻水管用量(Q)看作是混凝土冷卻水管優(yōu)化布置的兩種屬性量度；顯然這兩種屬性具有矛盾性，即冷卻效果最佳的情況下，成本投入可能急劇增大，反之亦然。為使兩種屬性變化方向相同，當1/σ取得最大值等同于其倒數σ取最小值，混凝土外表面最大拉應力的倒數 (1/σ)和冷卻水管用量(Q)之間的變化關系如圖2所示。

本文構造一種協(xié)調上述矛盾的目標函數

式中，f(1/σ)為混凝土最大拉應力倒數的解集；f(Q)為冷卻水管用量解集；ω為權重系數。當σ和Q同時取得最小值時，F才能獲得最優(yōu)解。為了避免σ和Q在量級上差別過大，保證二者的比較在同一尺度上，將混凝土最大拉應力倒數的解集f(1/σ)和冷卻水管用量解集f(Q)分別進行“歸一化”處理。同時，將混凝土拉應力(σ)和冷卻水管用量(Q)這兩種屬性視為同等重要，即二者的權重因子相同。因此，式(1)可變?yōu)?/p>

式中，σi<[σ]，i=1，…，m,m≤n，F∈(0,1]

3 工程實例

甬江鐵路斜拉橋承臺尺寸為38.9 m×27 m，高6 m，設計混凝土方量為6 301.8 m3，強度等級C40。承臺分兩次澆筑完成，單次澆筑高度3 m，澆筑施工間隔為18 d。

3.1 有限元模型

考慮到結構的對稱性，為提高有限元模型的運行速度，同時方便查看混凝土內部應力及溫度分布，故只建立1/4結構模型，對稱軸采用對稱邊界條件模擬。兩階段結構模型分別如圖3、圖4所示。

3.2 方案比選

承臺冷卻水管布置方案見表1。

根據冷卻水管的布置方案，分別建立承臺施工階段有限元模型，計算結果見表2。

3.3 現場溫度監(jiān)控

澆筑前在承臺內部指定位置埋設測溫元件，測溫元件分兩層布設，單層沿承臺對稱軸線布設在新澆筑混凝土的中心截面。每層布設14個測點，共計28個測點。混凝土澆筑完成后，分時段測量承臺內部溫度。溫控測點布置如圖5所示。冷卻水管布置如圖6、圖7所示。

理論計算與現場實測結果對比如圖8、圖9所示。由圖8和圖9可以看出，承臺內部溫度實測值與計算值變化規(guī)律基本相同，實測數值比計算值略大。

4 結語

在混凝土中埋設冷卻水管，并在澆筑完成后通水循環(huán)是大體積混凝土溫控防裂的主要措施。現階段針對冷卻水管布設方法比選及優(yōu)化準則的研究并不多見。本文提出了一種基于多目標優(yōu)化的承臺冷卻水管布設方法，明確了冷卻水管布設方案優(yōu)選指標，解決了冷卻水管布設方案比選時無量化指標的難題，為同類工程施工提供了理論參考和科學依據。

[1] 黃志福，葉雨霞.大體積承臺混凝土水化熱分析及溫控措施[J].工程與建設，2008(1):14-16．

[2] 賈兆豐，王亞齊.橋梁大體積混凝土水化熱及管冷仿真技術[J].公路，2011(10):176-179．

[3] 李彬彬，王社良，蘇三慶.多種因素耦合作用下的大體積混凝土溫度應力仿真分析[J].安徽建筑，2009(4):136-138．

[4] 劉耀東，白應華，余天慶.基于MIDAS的大體積混凝土承臺管冷技術優(yōu)化研究[J].混凝土，2009(9):110-112.

[5] 王新剛，張偉，樊士廣.基于MIDAS的大體積混凝土冷卻水管布置方案研究[J]. 港工技術，2010(6):42-45．

[6] 陳明憲.斜拉橋建造技術[M].北京：人民交通出版社，2003．

[7] 徐偉.橋梁施工[M].北京：人民交通出版社，2008．

[8] 陳開橋，毛偉琦，王吉連.武漢大道金橋橋塔施工關鍵技術[J].世界橋梁，2012 (1)：19-23.

[9] 蔣本俊.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋斜拉橋主塔施工技術[J].橋梁建設，2008(4):10-14.

[10]王友才.大體積混凝土水泥水化熱施工冷卻技術[J].鐵道標準設計，2003(10)：53-54．

[11]康省幀.承臺大體積混凝土水化熱分析與施工控制[J].世界橋梁，2008(2)：42-44．

[12]萬惠文，謝春磊，徐文兵.大體積高強混凝土承臺的溫度控制與檢測分析[J].混凝土，2010(9):104-107．

[13]文永奎，陳政清，楊孟剛.鐵路混凝土箱梁的水化熱溫升及裂縫控制[J]. 鐵道標準設計，2001(7)：22-24.

StudyonLayoutMethodofCoolingWaterPipesforMass-concreteBearingPlatformBasedonMulti-objectiveOptimization

SUN Xiao-meng1, XU Deng-yun2

(1.Post-doctoral Research Center, China Tiesiju Engineering Group Co., Ltd., Hefei 230023, China;2.The Second Engineering Co., Ltd., China Tiesiju Engineering Group, Suzhou 215131, Jiangsu Province, China)

Based on multi-objective optimization theory, according to analysis result of finite element modeling, after determining the optimization objectives, this study proposed a layout method with good cooling effect for the cooling water pipes of mass concrete. This method was adopted in the construction of bearing platform of main pylon of the Yongjiang River cable-stayed railway bridge; and the temperature monitoring results showed that the temperature variation pattern calculated by finite element software was basically consistent with that from field measurement, the expected goal being achieved. This method can serve as an optimization criterion and judging basis for cooling water pipe layout in mass-concrete temperature control technology.

cable-stayed bridge; mass concrete; multi-objective optimization; cooling water pipes

2013-08-06；

：2013-09-30

中國鐵路總公司科技研發(fā)重點項目(2013G001-D)

孫小猛(1980—)，男，高級工程師，博士后，畢業(yè)于大連理工大學，E-mail：sxm_98@163.com。

1004-2954(2014)05-0074-04

U445.55+9

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.05.017