混凝土结构温控设计优化研究.pdf

2 0 1 3年 第 4期 总 第 2 8 2 期 Nu mb e r 4 i n 2 0 1 3 T o t a l No ．2 8 2 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RES EARCH d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 4 混凝土结构温控设计优化研究 陈建军 ， 。杨文海 z 。郭利霞 z 1 ． 水利部水利水电规划设计总院，北京 1 0 0 0 1 1 ；2 ． 华北水利水电学院 ，河南 郑州 4 5 0 0 1 1 摘要 温控措施的实施对混凝土施工进度、 混凝土质量和成本都存在影响， 为保证混凝土质量和施工进度 ， 节约投资 ， 有必要 对混凝土温控措施进行优化设计研究。 采用数值仿真的方法， 得到温控措施成本与工期、 质量的非线性数学关系， 建立温控措施 优化设计数学模型。 工程实例应用表明 温控措施优化设计对节省工程成本效果明显， 提高了工程施工效率 ， 保证了工程质量。 关键词 温控 ；优化设计 ；成本 中图分类号 T U 5 2 8 ． 0 6 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 4 0 0 1 1 - 0 4 Op t i m i z a t i on s t u d y on d e s i g n o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l o f c on c r e t e c o n s t r u c t i o n C H E NJ i a n -j an ， Y A NGWe n - h a i 。 ， GU OL i - x i a 。 1 ． Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r P l a n n i n g and D e s i g n G e n e r a l I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 1 ， C h i n a ； 2 ． F a c u l t y o f Wa t e r C o n s e r v anc y E n g i n e e r i n g， No r t h Ch i n a Un i v e r s i ty o f Wa t e r Co n s e r v anc y and E l e c t r i c P o we r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ， Ch i n a Ab str a c t T e m p e r a t u r e c o n t r o l m e a s ure s h a s a s i gni fi c ant e f f e c t o n c o n c r e t e ， i n a d d i t i o n t o i n c r e ase p r o j e c t i n v e s t me n t ， i t i n fl u e n c e s c o n s t r u c ti o n p r o g r e s s and q u a l i ty．De s i gn o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l me asure s Was s tud i e d t o ma k e s ure s h o r t e r t i me ， l o we r c o s t and h i g h e r q u a l i ty． Wi t h the a p p l i c a t i o n o f s i mu l a t i o n ， the r e l a t i o n s h i p s b e t we e n t i me and c o s t ， q u a l i ty and c o s t we r e o b t a i n e d ， the ma the ma t i c s mo d e l o f the i r s y n the s i s o p t i mi z a t i o n wa s b u i l t c o n s i d e r i n g t i me ， c o s t and q ual i ty． T h e r e s u l t o f e n g i n e e ri n g a p p l i c a t i o n s h o we d t h a t ， t h e d e s i gn o f t e mp e r a t u r e c o n tro l c o u l d s a v e c o s t ， i mp r o v e c o n s t r u c ti o n e ffic i enc y and e n s u r e e n g i n e e r i n g q u a l i ty． K e y wor d s t e mp e r a t u r e c o n t r o l ； o p t i mi z a t i o n s tud y； c o s t 0 引言 定在限定质量和工期的条件下工程所必须的最低费用。 混凝土结构开裂一直是工程界的一大难题 ， 为防止或 减少裂缝的产生 ， 对混凝土结构实施温控是必要的， 温控 设计已成为现行设计规程、 混凝土设计及施工规范要求的 重要环节。 混凝土温控措施选择的得 当与否直接关系到工 程成本 、 质量和进度 ， 温控措施的投资成本 、 温控措施对施 工进度的影响及工程质量之间存在着对立又统一 的关系。 理论上来说， 无论工期多么紧张， 实施温控措施的混凝土 质量标准都不应该改变或降低， 实际上为加快工程进度 高温季节施 工 、 低温季节施工 ， 工程质量 耐久性 不可 避免会有影响。 研究表明[ 1 - 4 ] 春秋季节浇筑混凝土， 简单的 温控措施 表面保温 就能保证工程耐久性； 高温季节浇筑 混凝土， 可能导致工程质量的降低， 而且还将增加实施温 控措施的费用； 薄层短间歇期浇筑混凝土， 混凝土散热面 大， 内外温差小， 温度变形小， 简单温控措施即可， 厚层短 间歇期浇筑， 温控难度增大 ， 温控实施费用增加。 为提高工程耐久性， 从温控措施实施角度出发 ， 探讨 温控措施成本 、 对工程进度质量的影响之间的辩证关系， 采用三维仿真计算的方法进行温控设计优化研究， 以便确 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 4 基金项 目国家 自然科学基金 5 1 1 0 9 0 8 1 1 施工过程仿真计算理论 施工过程仿真计算可以模拟混凝土浇筑时间、 人仓温 度 、 层间间歇时间、 模时间 、 模板种类 、 表面保温措施 、 风速 和气温以及 日照环境影响因素、 封拱次数、 蓄水过程、 寒潮 冷击 、 浇筑仓面度汛过水 、 混凝土热学 和力学特性 参数随 龄期 的变化等影响 因素作用下混凝土温度 、 应力 场发展 ， 以便确定混凝 土开裂 的时间及 空间分布 ， 判断裂缝 出现的 几率。 主要计算理论有 1 ． 1热传 导方程 [5 ] 在计算域R内任何一点处 ， 不稳定温度场 r x ， Y ， ， 须满足热传导连续方程 一O T f 1 v Y ∈ 1 l 十 十 』 ， ∈ 【 式中 口 导温系数 ， m ； 混凝土温度， ℃； 绝热温升 ， ℃； r 龄期 ， d ； 时间， d 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 对式 1 利用变分原理 ， 在空间上离散 ， 时 间上差分 ， 引入初始条件和边界条件后 ， 可得后差分 的温度场有限元 计算递推方程 ， 1 、 1 【 玄吲 { 卜 [R l { r J { I_ 。 2 式中 [ 刎 热传导矩阵； 卜一 热传导补充矩阵； { 、 { 。 } 点温度列阵 ； { 卜一 结点温度荷载列阵 ； △ t 时间步长 ； n 时段序数。 根据式 2 ， 若 已知混凝土上一 时刻 的每个 结点温度 { 可 以推出下一时刻的该结点温度 { 。 1 ． 2 水管冷却混凝土温度场计算原理与方法 根椐傅 立叶热传导定律和热量平衡条件 ， 水管沿程水 温的增量表示为嘲 △ _ 二 L 3 C wPwqw O n 式中 c w 、 P 和 口 冷却水的流量、 质量热容和密度； A 导热系数 ； n 混凝土与水管之间混凝土面的外法线。 由于冷却水的人 口温度已知 ， 利用上述公式 ， 对每一根 冷却水管沿水流方向可以逐段推求沿程管内水体的温度。 1 ．3 应力计算方程 混凝土在 复杂应力状态下 的应变增量包括弹性应变 增量 、 徐变应 变增量 、 温度应变增量 、 干缩应变增量和 自生 体积应变增量， 因此有 { A e { △ { △ } { △ { △ { △ 4 式中 { △ 弹性应变增量 ； { △ 徐变应变增量 ； { a e q温度应变增量； { △ 干缩应变增量 ； { △ 0 自生体积应变增量。 其 中温度应变增量{ △ { △ ， △ ， a A ， O ， 0 ， 0 中a为线膨胀系数， 自生体积应变增量、 干缩应变增量等 则通过试验资料而得。 2 常用温控措施及其成本分析 常用的混凝土控制温度裂缝的措施主要有 降低水化 热温升、 控制浇筑温度、 通水冷却、 混凝土的养护和表面保 护等㈣ 。 在进行成本计算时， 部分费用已计人各相应费用 中或不易详算 如混凝土配合比、 养护等 ， 预冷混凝土 即 出机 口混凝土 费用和混凝土通水冷却费用及表面保温费 用相对其他温控措施较为关键， 需要进行单独计算。 上述三类温控措施费用的计算方法， 一般是参考同类 工程经验数据 ， 确定一个混凝土温度控制费用的单价 ， 然后 乘以需要实施温度控制部位的混凝土工程量而得； 当没有 可参考数据时， 则按照施工组织设计提供的资料和设计要 1 2 求以及工程实际情况 ， 根据水利部 水利建筑工程预算定 额 来进行详细的计算。 比如赵月霞[9 1 根据西大洋水库溢洪 道工程 7 月施工进行 月均气温 2 6 ． 6℃ 不同的混凝土 温 控方案设计， 分别计算出制冷水、 制片冰及风冷骨料单价 费用 ， 并得出保证出机 口温度不低于 l 7 ℃的温控单价费用 分别为 2 1 ． 6 4元和 2 5 ． 7 l 元 ； 宋力【 O l提 出一套温控单价和温 控费用的计算方法 ， 也给 出了保证不同出机 口温度混凝土 的单价费用 。 3 温控措施成本优化设计数学模型 温控措施优化设计数学模型 的 目标 函数是温控措施 的成本 ， 约束条件是质量与进度 ， 首先需要分析彼此两 两 之间的关系 。 3 ． 1 温控措施成本与工程施 工进度 的关 系 施工进度为施工进展的速度 ， 在工程 中认为是各项工 程的施工顺序和开工 、 竣工时间。 不同的混凝土施工进度计 划需要实施温控的措施也是不同的。 杨桥 培[ 1 1 】 通过 比较不 同浇筑厚度 的温控方 案进行对 比， 指出浇筑层较厚 层厚 6 ． 0 m 的混凝 土施工 ， 如果需要 快速施工 ， 就要严格 的温控措施 浇筑温度 1 5℃ ， 即温控 措施成本和施工持续时间成反相关性 。 同时大量学者研究 表 明， 高温季节进行混凝土浇筑 ， 为不保证施工质量 ， 需要 实施严格的温控方案， 即温控成本增加， 而春秋季节浇筑 混凝 土则可减少相应 的温控成本 。 由此可见 ， 温控 成本与 开始浇筑时间呈分段关系 ， 与浇筑时的外界环境温度呈正 相关 。 因此 ， 利用进度 的主要指标施工持续时间和浇筑开始 时间与温控成本来表示温控成本与进度的关 系 C 1 t 5 式中 C 温控措施费用 ； t l 混凝土施工持续时间 ； t 2 混凝土浇筑开始时间。 3 ．2 温控措施成本与工程质量的关系 裂缝 、 结构变形是工程 中出现的严重质量问题 ， 采取 混凝土温控措施防止结构裂缝产生 ， 提高结构耐久性 ， 提 高了质量。 因此温控措施的质量的衡量指标就是裂缝产生 的几率 ， 即混凝土结构内部应力与其抗拉强度 的对比关系， 这种非线性关 系可 以通过数值仿 真过程来实现 。 现采用工 程算例来探讨结构质量与温控措施成本之问的关系。 某混凝土采用混凝土重力坝结构 ， 主坝标准坝段长度 为 1 5 ． 0 m， 位于弱风化基岩上， 开挖底高程为一 2 ．0m， 最大 坝高 1 3 ． 5 m， 最大坝底宽度 l 9 ． 8 n l 。 坝底板为厚度 2 ． 0 m的 C 3 5 W4 F 1 0 0粉煤灰混凝土， 底板尺寸及相应特征点布置 见图 1 。 设置以下工况考察混凝土开裂的几率 图 1 底板及特征点布置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ‘ 工况 x1 假定浇筑 日 期为 7 月 1日， 采用标准钢模板 施工 ， 仓面裸露 ， 拆模时间不少于 3 d o 在浇筑完后 5 d内考 虑昼夜温差 8℃。 假定混凝土的浇筑温度为 日 平均气温加 3 ． 0℃， 约 3 0℃左右。 底板一次浇筑完毕 。 50 4 5 4 O 】挞 3 5 赠 3 0 2 5 2 O 0 图 2 2 5 2 ． 0 1 ． 5 善1 ．0 倒 O 5 0 0 ． 5 5 0 l O 0 1 5 0 龄期 ， d 工况 1特征点温度历时曲线 0 图 3 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 龄期 ， d 工况 1 特征点应力历时曲线 工况 X 2 底板覆盖 2层草袋 约 5 c m厚 ， 并 通水冷 却。 采用 内径 4 ． 0 c m的塑料水管 ， 水管 间距约 1 ． 2 5 m， 通水 水温 1 0 ． 0℃， 通水持续 6 d ， 流速 1 ． 2 0 m ／ s ， 流量 5 ． 4 2 m3 ／ h 。 通水过程 中 1 d 换向一次 ， 其他情况 同工况 X1 。 0 2 O 4 0 6 0 8 O 1 0 0 龄期 ， d 4 工况 X 2特征点温度历时曲线 0 2 O 4 0 6 0 8 0 1 0 0 龄期 ， d 图 5 工况 X 2特征点应力历时曲线 工况X3 控制混凝土浇筑温度不超过 2 7 ℃， 覆盖 1 层 草袋 2 ． 5 c m厚的草袋 ， 并进行通水冷却 ， 采用内径 4 ．0 c m 的塑料水管， 水管间距约 1 ． 2 5 r n 。 通水水温 l 5 ． 0 ℃， 通水持 续 6 d ， 流速 1 ． 2 0 m ／ s ， 流量 5 ． 4 2 m3 ／ h 。通水过程 中 l d 换 向 一 次， 其他情况同工况 X1 。 从图 1 6 可以看 出， 三种工况混凝土特征点 的温升规 律、 应力发展规律基本一致。 X 2 与 x1 相比， 温度峰值较低， 内外温差减小 ， 温度变形相应也减小 ， 底板大部分区域在 4 5 40 芝3 5 嚣 o 2 5 2 0 O 5 O l 0 0 U ， U l UU 1 U 龄期／ d 图 7 工况 X 3特征点应力历时曲线 后期是 比较安全的 下游底板在后期仍有开裂 的危险 ， 远 小于允许抗拉强度 ， 开裂安全系数较高； 但温控措施有 2 项 ， 费用增加不少。 X 3 与 X 2 相比， 温度峰值进一步降低 ， 温度 变形更小 ， 混凝土应力进一步减小 ， 整个底板大部分区域在 后期都是比较安全的， 小于允许抗拉强度。 温控措施有 3 项， 施工成本中增加降低浇筑温度的费用， 但水管冷却水的温 度有所降低 ， 总的来说 ， 温控措施成本增加 。 经过 E 述分析， 温控成本与质量的数学关系可以表述为 c A g 6 式中 浇筑混凝土施工过程 中的应力 ； 实施温控措施 的费用。 从以上对比发现， 与 c 2 之间存在非线性关系，且随 着 的减小， 成本费用 c 越高。 3 ． 3温控措 施优 化设计模型 建立一个合理 的模 型需要将所研究问题 的主要特征 和影 响因素考虑清楚 ， 合理的舍弃一些与研 究主题无关或 者次要 的因素 。 对于本研究 的温控措施优 化模 型来说 ， 选 择温控措施成本最小为 目标 函数较为适宜 F -- m i n t 1 ， t 2 , ] 7 其约束条件应是施工工期应小于或等于施工进度计划 工期 ， 混凝土内应力应小于或等于允许抗拉强度 ， 即 t t 2 ≤ 8 式中 ； 混凝土允许抗拉强度 ； 工程计划完工的工期。 4 工程实例分析 以 3 ． 2中工程为研究对象 ， 假定受当地条件影响， 混 凝土坝底板施工计划最早于夏季 7 月 1日开始， 最晚于冬 季 1 2 月 1日结束 ， 在本优化设计中， 参考类似工程根据成 本、 质量和进度关系， 制定出几个温控实施方案， 再进行优 选分析。 鉴于文章篇幅限制 ， 这里仅对能满足防裂 、 施工进 度计划条件的方案进行分析。 冬季浇筑方案 开工日期 1 1 月 1 5日， 表面覆盖 1 层草 1 3 ∞ 加 图 嗫 5 0 5 0 5 0 5 2 2 l 1 O O B d苫、R 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 袋 2 ． 5 c m 厚 的草袋 ， 并进行通水冷却 ， 采用 内径 4 ． 0 c m 的塑料水管 ， 水管 间距约 1 ． 2 5 m。 通水水温 6 ． 0℃ ， 通水 持 续 6 d ， 流速 1 ．2 0 m ／ s ， 流量 5 ． 4 2 m3 ／ h 。 夏季浇筑方案同 3 ． 2中工况 X 3 。 3 5 3 O 2 5 赠 2 O l 5 l O 龄期 ， d 图 8 冬季浇筑混凝土特征点温度历时曲线 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l O 0 龄期 ／ d 图 9 冬季浇筑混凝土特征点应力历时曲线 对 比两种 方案可 知 ， 它们都满 足进度计划要求 ， 且 能 够保证混凝土底板不开裂 安全系数 1 ． 6 5 ， 满足约束条件， 根据优化数学模型， 仅需要对比其投资成本即可。 鉴于工程计算 的复杂性 ， 成本计 算凭工 程经验 或参 考类 似工程 。 参考文献 [ 9 1 0 】 ， 控制浇筑温 度单 价费用取 2 2 元 ／ m ， 冷却水温度可采用 当地井水或河水 ， 自然满足 ， 同时埋设冷却水管长度相同； 表面保温单价费用也相同。 故夏季 浇筑 方案较 冬季 浇筑 方案仅 多 出一项 控制 浇筑 温度的费用 ， 因标准坝段底板 浇筑混 凝土约 8 9 1 m ， 则底 板控制浇筑温度 费用 约 1 ． 9 6万元 。 因此 ， 上述温控优选方案为冬季浇筑方案 ， 表面覆盖 1 层草袋， 通 6℃的冷却水。 5结论 实际工程 中， 温控措施 费用可达到结 构费用 的 5 ． 3 ％， 上接第 7页 [ 4 ]4 棚顶超， 袁勇．P V A纤维混凝土弯折试验研究叨． 混凝土， 2 0 0 4 1 ． 【 5 ]5 高淑玲 ， 徐世 ． 利用水平外力总共研究 P V A纤维增强水泥基 复合材料韧性[ J J _东南大学学报 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 7 3 ． [ 6 ]6 李贺东， 徐世煨． 超高韧性水泥基复合材料弯曲性能及韧性评 价方法[ J 】 _土木工程学报， 2 0 1 0 3 ． 【 7 】R I C E J R ， R O S E N G R E N G F ．P l a n e s t r a i n d e f o r m a t i o n n e a r a c r a c k t i D i n a p o w e d a w h a r d e n i n g m a t e r i a l [ J 1 ．J o u rnal o f t h e M e c h a n i c s 上接第 1 0页 参考文献 [ 1 ]1 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范【 s ] ． 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 1 G B ／ T 5 0 4 7 6 - - - 2 0 0 8 ， 混凝土结构耐久性设计规湎 s 】 ． 中国建筑工 业出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 赵铁军， 李淑进． 混凝土的强度与渗透性[ J 】 ． 建筑技术， 2 0 0 2 1 2 0 ． 1 4 在编制投资及实施过程 中应优化控制好此部分费用。 本研 究从减少温控投资成本的角度 出发 ， 根据温控措施与工程 进度、 质量间的关系， 提出了温控设计优化模型。 从算例结 果看来 ， 经优化 的温控方案 ， 可达到节约投资的 目的。 对于水利工程而言 ， 由于工程类别繁多 ， 规模大 ， 结 构 形式复杂多变 ， 在编制工程概预算或投资费用时， 应按照 工程整体施工组织进行优化设计， 统筹规划， 做到整个工 程系统的优化设计 ， 这也是今后研究工作的重点。 参考文献 ⋯ 1罗国杰， 曹永潇， 李亚敏．大坝混凝土快速施工与温控防裂研究[ J ] ． 混凝土 ， 2 0 1 2 ， 1 0 3 1 0 9 1 1 3 ． [ 2 】 戴会超， 张超然． 三峡工程大坝混凝土快速施工新技术[ J ] ． 水利 学报， 2 0 0 2 1 0 9 1 9 5 ． [ 3 ]3强晟．朱岳明， 钟谷良， 等． 混凝土坝厚层短歇的快速浇筑方法及 应用[ J ] ． 三峡大学学报 自然科学版， 2 0 1 0 ， 3 2 4 3 8 4 1 ． 【 4 】郭磊， 汪伦焰， 许庆伟．倒虹吸管身冬季施工温控仿真分析及应 用实例[ J 】 _农业工程学报 ， 2 0 1 0 ， 2 6 7 1 7 5 1 7 7 ． 【 5 ]朱伯芳． 大体积混凝土温度应力与温度控S U [ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 6 】6 朱岳明 ， 徐之青 ， 贺金仁 ， 等． 混凝土水管冷却温度场的计算方 法[ J 】 ．长江科学院院报， 2 0 0 3 ， 2 0 2 1 9 2 2 ． 【 7 ]Q I A N C h u n - x i ang ， G A O G u i b o ．R e d u c t i o n o f i n t e ri o r t e m p e r a t u r e of ma s s c o n c r e t e u s i n g s u s p e ns i o n of p ha s e c h an g e ma t e r i a l s a s c o o l i n g fl u i d [ J ] ． C o n s t r u c t i o n and b u i l d i n g m a t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 2 6 1 5 2 7 53 1 ． 【 8 ]谢祥明 ， 郭磊． 高温地区碾压混凝土重力坝的施工期温度裂缝 控制[ J 】 ． 天津大学学报， 2 0 1 1 6 5 04 5 1 0 ． 【 9 】 赵月霞． 西大洋水库溢洪道工程施工混凝土温度控制及费用计 算[ J ] ． 海河水利 ， 2 0 0 7 4 6 5 6 6 ． [ 1 O 】 宋力． 高混凝土双曲拱坝温控费用研究[ J 】 _水电站设计， 2 0 0 4 ， 2 O 2 1 5 2 0 ． 【 1 1 】 杨桥培， 刘敏芝． 大型常态混凝土闸墩快速浇筑的温控防裂方 法研究[ J 】 _三峡大学学报 自然科学版， 2 0 1 2 ， 3 4 1 1 - 4 ． 作者简介 联系地址 联系电话 陈建军 1 9 6 5 一 ， 男， 高级工程师， 从事工程管理及结 构设计研究。 河南郑州北环路3 6 号 4 5 0 0 1 1 1 5 3 0 3 81 1 5 61 a n d P h y s i c s of S o l i d s ， 1 9 6 8 ， 1 6 1 1 - 1 2 ． 【 8 】胡倍雷， 赵国藩．钢纤维混凝土断裂能的试验研究【 c 全国第五 届纤维水泥与纤维混凝土学术会议， 1 9 9 4 1 1 ． 作者简介 王海超 1 9 6 0 一 ， 男， 博士， 教授。 联系地址 山东省青岛市黄岛区前湾港路 5 7 9 号 2 6 6 5 9 0 联 系电话 1 5 2 5 3 2 8 8 0 1 7 [ 4 ]李淑进 ， 赵铁军 ， 吴科如 混凝土与水泥制品， 2 0 0 4 2 6 - 8 ． 【 5 】吴中伟， 廉惠珍． 高性能混凝土[ M 】 ． 北京， 中国铁道出版社， 1 9 9 9 作者简介 陆晗 1 9 7 0 一 ， 男， 高级工程师。 联系地址 广东深圳I市深圳大学土木工程学院 5 1 8 0 6 0 联系电话 0 7 5 5 2 6 5 3 5 1 2 3 O 5 O 5 O 5 2 l l O O 日 苫、R 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m