基于反演分析的大体积混凝土电梯井基础温控研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁二十局集团有限公司科技研发项目()作者简介:崔野()男内蒙古赤峰人高级工程师主要从事建筑工程管理方面的工作:.引文格式:崔野.基于反演分析的大体积混凝土电梯井基础温控研究.铁道建筑技术():.基于反演分析的大体积混凝土电梯井基础温控研究崔 野(中铁二十局集团第六工程有限公司 陕西西安)摘 要:超高层建筑基础大体积混凝土温缩裂缝是施工难点与质量控制重点 但工程种类、结构形式、施工环境等差异导致无法形成统一的施工工艺 通过数值模拟预测温度应力场结合现场监测与动态养护是解决这一问题的有效措施 然而数值模拟计算参数精度又限制了这一方法的工程应用推广 针对该问题本文基于某大体积混凝土电梯井基础施工提出采用现场模型试验结合参数反演分析的方法进行模拟参数标定从而实现大体积混凝土温度应力场的准确预测 模型试验与实际工程采用相同混凝土配比、类似结构形式与施工环境因而对其监测结果反演分析所得计算参数能够最大程度还原实际情况 将所述方法应用于实际工程在预测结果分析的基础上进行大体积混凝土基础浇筑方案设计高效实现了无裂缝施工 本研究结果可为大体积混凝土施工与裂缝控制提供新思路关键词:大体积混凝土 模型试验 反演分析 裂缝控制中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言大体积混凝土水化热开裂问题与温控技术最早出现在水坝碾压混凝土施工领域 随着超高层建筑发展大体积混凝土基础问题也逐渐得到广泛关注 世纪美国的胡佛水坝首次通过冷却水管进行温度控制冷却水管可以有效对大体积混凝土内部温升以及内外温差进行控制 我国在相近时间也有众多学者对大体积混凝土冷却水管降温过程中的应力计算与温度场计算进行了系统研究 但由于较高的造价以及繁琐的施工流程其在超高层建筑大体积混凝土基础中的应用具有一定的局限性 基于智能监测的动态温控措施调控以及基于数值模拟的温度应力场预测是大体积混凝土施工的前沿课题与发展方向 刘毅等铁道建筑技术 ()崔野:基于反演分析的大体积混凝土电梯井基础温控研究研发了混凝土开裂全过程仿真试验机实现了温控历程的优化设计和现场精准调控 刘德宝等基于 数值模拟平台对比分析了大体积河砂混凝土与大体积机制砂混凝土的温升特征 大体积混凝土温度应力场预测分析能够为检测方案的制定以及温控措施方案的选择提供依据 数值模拟的准确与否取决于计算参数的准确选择然而现阶段尚未有统一的参数计算规范限制了温度应力场预测技术的应用推广针对该问题本文提出采用现场模型试验结合参数反演分析的方法进行模拟参数标定从而实现基础大体积混凝土温度应力场的准确预测 通过实际应用实现了大体积混凝土基础的无缝浇筑施工验证了方法的有效性 现场模型试验与参数反演.现场模型试验设计()模型设计大体积混凝土现场模型试验模型尺寸依据基础形式进行设计同时参考选择变截面位置、结构薄弱位置、重点关注位置进行截面形式设计 模型试验应尽量保证为足尺试验若现场试验条件有限则可酌情进行缩尺试验 模型所用混凝土应与正式施工所用混凝土相同浇筑方式、抗裂措施与养护方式亦应与正式施工一致 同时模型试验的实施时间应与正式浇筑时间相近以保证施工环境相近 大体积混凝土现场浇筑模型中应埋设温度与应变传感器其监测结果用于参数反演分析 传感器布设采用“一点多向”布设方法每一测点布设 个应变传感器高度方向设置 个测点(见图)图 传感器布设()测点布置测点在测试区按平面分层布置位置应在变截面与潜在高温部位以及热通量较大部位和受环境温度影响大的部位依工程实际情况埋设传感器每处设置不少于 个点(见图)图 测点布置上下测点均位于距混凝土表面 处中间测点位于混凝土底板厚度的中心处.反演分析.单纯形搜索法单纯形搜索法无需建立数学模型对相应数据输入、输出即可进行优化求解所以对于黑箱问题适用性较好 单纯形指在 维空间 中存在 个顶点的凸多面体 进行混凝土水化热分析的 维空间变量为混凝土温度场分析的对应计算参数单纯形搜索法就是在 为顶点的多面体上对函数值比较寻找目标函数最优梯度变化方向沿着此方向通过函数变化订单位置形成新的单纯形进行寻优搜索使指标收敛于目标函数值附近则这一状态对应的最佳点坐标即为优化问题的最优解(见图)图 单纯形搜索法优化过程.混凝土水化热基本参数反演基本过程()输入构件材料基本参数值:重度、弹性模量、热铁道建筑技术 ()崔野:基于反演分析的大体积混凝土电梯井基础温控研究传导率等()输入材料时变函数方程:徐变和收缩并考虑弹性模量变化()建立所求结构模型:根据工程实际建立模型单元和边界条件()水化热反应参数分析:定义水化热积分常数、根据环境监测确定初始温度()根据环境监测结果定义环境温度函数根据材料性质对流系数函数及单元对流边界()固定温度输入:结合工程特点对温度不随时间变化的土体部分输入固定温度()输入热源函数并分配热源 后续根据计算结果调整热源函数形成更准确的计算结果()进行热传导分析查看各时间段温度分布()实测温度记录比对:输出相应测温点模拟结果与实测温度进行比对然后调整热源函数参数直至模拟与实测记录趋势一致记录此时的参数作为正式计算参数使用选择测温点数据进行参数反演通过单纯形搜索法以模拟结果与实测结果的差值为优化函数进行最小值优化 记录优化所得参数作为正式模拟的计算参数 工程应用.工程概况本文基于的超高层建筑工程施工时间处于 月份上旬晴天时日平均温度达到 以上 施工前采取适量粉煤灰与矿粉替代水泥的掺量用以降低单位体积水泥的发热总量 单位体积中 水泥、粉煤灰与矿粉重量分别为、电梯井基坑由于最深处要浇筑到.与成型基础表层最高达到.的高度落差同时两处毗邻电梯井基坑形成的总体结构长趋近于 宽趋近于 形成总体积超过 的大体积立方体混凝土结构(见图)图 筏板浇筑工程.模型试验反演分析依据前文所述模型试验原则本研究基于背景工程大体积混凝土结构特点设计实施了现场模型试验(见图)并采集浇筑过程中的温度应力数据用于反演分析 大体积混凝土温度应力场反演分析计算采用商业有限元软件 完成 首先按照现场模型试验实际尺寸建立对应的有限元模型(见图)包含地基模型与混凝土模型两部分图 模型试验及监测图 有限元模型反演分析过程计算参数包括环境参数、材料参数两部分其中环境参数包括环境温度与对流系数两部分(见表)依据.节所述方法进行反演分析得到基础混凝土与地基的热传导率、结构顶面与周边的对流系数以及混凝土的热源函数参数如表 所示表 模型材料参数材料名称比热容/()导热速率/()密度/(/)降水黄土土层.素填土土层.含水黄土土层.含水粉质黏土土层.钢筋混凝土结构.铁道建筑技术 ()崔野:基于反演分析的大体积混凝土电梯井基础温控研究表 反演分析结果参数基础地基热传导率/().顶面对流系数/().周边对流系数/().放热函数系数.正式施工过程数值模拟一号电梯井尺寸为长 宽 高 .型空洞尺寸为.总体积.二号电梯井长 宽 高.分别有.、.两处 型构架空洞总体积.中间连接结构长 宽 高 .体积.模型见图 号四个测点见图 图 数值计算模型图 采样点标记示意.数值模拟结果分析由于混凝土从郊区运送到市区的路途较远因此当混凝土入模时温度高于平均气温 本研究将混凝土的初始温度设置为 混凝土终凝的养护周期为 温度变化趋势如图 所示图 自然条件下温度变化趋势 号测点处于几乎绝热环境下由于混凝土产生的水化热无任何热损因此在长时间的水化热过程中其温度变化趋势与绝热升温情况基本一致 初始温度为 的筏板基础最高温度会达到.与初始预估的绝热温升.十分接近但是在大气的表层降温和土层吸热作用下依然有.的降幅而最接近土层的 号测点由于直接接触温度更低的黄土土层最低温度达到.而此时一号测点的温度为.两者温差达到.我国规范要求内外温差不得超过 如果产生温差裂缝导致电梯井结构失稳在地震或长期机械振动冲击下变形的电梯井结构会造成严重的安全事故.温控方案优化因为电梯井周围的密集钢筋网结构对冷却管铺设造成妨碍同时浇筑施工后基础平台也无足够的空间条件运行冷却系统所以对于内部 号测点附近区域降温方案不可行只能通过采取加设保温层的方案提升 号与 号测点附近区域温度即降低土层对混凝土水化热的吸收作用 在下部混凝土与土层中间的垫层中铺设强度足够的隔热结构由图 可知添加了保温结构的混凝土电梯井基础混凝土结构中心温度测点 峰值温度得到明显提高达到.观察混凝土结构养护过程整体曲线可知与未添加保温层的结构相比在保温层添加后四条曲线的间距更小随时间的变化相应部分温差有所增大但温差峰值最大仅为.图 保温条件下温度变化趋势从图 可以看出由于采用了现场模型试验 反演分析方法进行计算参数标定模拟结果与实际结果吻合度较高 同时采用优化后的温控方案实现了大体积混凝土基础的无裂缝施工验证了本文方法的合理性与可靠性图 测点温度与预测结果对比 结论本文提出采用现场模型试验与参数反演分析相结铁道建筑技术 ()崔野:基于反演分析的大体积混凝土电梯井基础温控研究合的方式进行数值模拟计算参数优化 在此基础上对不同环境条件下的大体积电梯井基础混凝土结构水化热控制数值开展模拟试验结合实际施工计划流程进行相应的施工技术手段控制 通过现场监测结果进行反演分析所得出的数值模拟计算参数能够全面反映混凝土温升特性、施工环境、保温措施等因素影响能够更加准确地实现温度应力场的模拟 采用反演分析结果进行施工过程模拟增加了温度应力场模拟的准确性使得保温养护措施方案更具针对性 在电梯井基础部位设置保温层结构表面散热速度趋缓导致热能累积这在一定程度上造成混凝土中心峰值温度增大但小于规定值 保温层的设置使得结构中心层至表层温差大幅降低致使温度裂缝得以消失参考文献 .()():.():.张文博赵双权毛明杰等.大体积粉煤灰混凝土水化热分析研究.混凝土():.史巍张雄.相变储能大体积混凝土的控温性能.同济大学学报(自然科学版)():.刘毅辛建达张国新等.大体积混凝土温控防裂智能监控技术.硅酸盐学报():.刘德宝黄鑫毛意军等.大体积机制砂混凝土水化升温数值分析.低温建筑技术():.耿鸣山林尔姬吕建兵等.大体积混凝土承台的水化热分析及温控研究.混凝土():.():.韩伟华.桥台基础大体积混凝土温缩裂缝控制探究.中国公路():.徐超.成都地区复合地层盾构上跨既有隧道的掘进参数优化研究.西安:西安建筑科技大学.赵云波.无缝连续浇筑大体积混凝土温度控制及应变分析.西安:西安建筑科技大学.吕志军.长大 段混凝土水化热分析与控制.铁道建筑技术():.范思婷刘干斌黄力等.轨道交通运行引起的隧道结构振动测试研究.土木工程学报():.迟培云钱强高昆等.大体积混凝土开裂的起因及防裂措施.混凝土():.(上接第 页)纵向钢筋 同时在底座板两侧两层网片各增加 根直径 的 纵向钢筋()对于厚度偏差不超过 的底座板不需增加配筋()当自密实混凝土层厚度不超过 时无需要增加配筋当厚度在 时下层钢筋直径由 变更为 (级钢筋)间距不变 或者钢筋直径不变由单层钢筋变更为双层钢筋进行增强且在门型钢筋内侧增加 根直径 的 钢筋并与下层钢筋绑扎()当自密实混凝土层厚度在 之间时建议设置双层钢筋网片进行加强上层钢筋为 的 级钢筋下层钢筋为 的 级钢筋 纵横向钢筋布置间距与原设计一致参考文献 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