基于粒子群算法的非绝热温升试块试验及反演分析

2012-12-08石爱军广东水电二局股份有限公司

河南水利与南水北调 2012年8期

□石爱军（广东水电二局股份有限公司）

□胡勇（浙江省水利水电勘测设计院）

1.粒子群算法

粒子群算法与其它进化算法类似，也采用“群体”与进化的概念，同样也是依据个体（微粒）的适应值大小进行操作。所不同的是，粒子群算法不采用进化算子对种群进行更新，而是将每个个体看作是在多维搜索空间中飞行的微粒。微粒的飞行速度根据个体的飞行经验和群体的飞行经验进行动态调整。

设 Xi=(xi1，xi2，xi3，……xip)为微粒 i的当前位置；Vi=(νi1，νi2，νi3，……νip)为微粒当前的飞行速度；Bi=(bi1，bi2，bi3，……bip)为微粒i所经历过的最好位置，也就是微粒i所经历的具有最好适应值的位置，成为个体最好位置。其中p为搜索空间的维度，也就是自变量或者反演参数的个数。

热力学参数的反演计算，可以转化成为一个求目标函数最小值的问题。为了讨论方便，设f（x）为最小化的目标函数，则微粒i的当前最好位置由下式确定：

设群体中微粒的个数为N，称群体中所有微粒所经历过的最好位置为Bg（t）为全局最好位置，则有：

有了上述的那些定义，进化粒子群算法的进化方程就可以描述为：

其中：下标“j”表示微粒的第 j维，即第 j个反演参数；“i’表示微粒i;t代表第t代；c1、c2为加速常数，通常在0-2间取值，r1、r2为两个独立在[0，1]间取值的随机函数，ω为惯性权重。早期的PSO算法是没有引入惯性权重的，称为基本粒子群算法，Y.Shi与R.C.Eberhart在1998年提出了在速度进化方程中一如上述的惯性权重，为了表示区别，将引入惯性权重后的PSO算法称为标准PSO算法。

2.非绝热温升试块试验及反演

2.1 工程简介

某大型水闸枢纽，工程设计泄洪流量11030m3/s，主要建筑物为一级建筑物。挡潮泄洪闸共设28孔，闸孔净宽20.0m。堵坝布置在导流堤与右岸堤防之间，长574m，高约20m。长约500m、450m的鱼道分别布置在大闸左侧堤防和右侧导流堤上。工程建筑物及管理区占地70.93hm2，无淹没损失及移民。采用分期导流施工，总工期3.5年，工程总投资12.8亿元人民币。

2.2 非绝热温升试验

试验在非封闭的室内进行，气温和湿度随大气变化，不考虑风速影响。试块大小为0.8m×0.8m×0.8m，上表面裸露，前后两面（y方向）和底面用1.5cm厚的竹胶模板固定，左右两面（x方向）用钢模板固定，见图1和图2所示。混凝土块底部架空，离地面60cm。内部布置了8个高灵敏度数字式温度探头，用以测量该点的温度，测点布置如图1。试块采用二级配混凝土，具体级配见表1。

图1 立方体试块的测点布置图（单位：cm）

图2 立方体试块俯视图

表1 闸墩混凝土温控试验配合比表（kg/m3）

2.3 实测数据分析

所有测点温度由专人专门负责，浇筑完成后前3d每2h测一次，第4-6d每4h测一次，第7-10d每6h测一次，第11-15d，每12h测一次，第16-30d每24h测一次。测温的同时测量气温，气温为3个水银温度计读数的均值。浇筑完成第12d上午7点进行了拆模，模板拆除时仅拆去立方体块四周的模板，底部模板由于不易拆除，仍然保留。实测数据如图3所示。

图3 测点实测温度历时曲线图

2.3.1 由于混凝土试块8月22日浇筑，环境温度较高，因此各测点初始温度均较高，混凝土入仓温度均为25.8℃左右。总体而言，各测点的温度分布规律较好。测点离表面越近，最大温升值越小；测点离表面越远，最大温升越大。在图1所示的3个断面中，A断面和C断面都比较靠近钢模板，所以这两个断面的测点最大温升相对较低，受环境温度影响也较大。B断面位于试件中间位置，受环境温度相对小些，最大的水化热温升也出现在该断面。

2.3.2 混凝土浇筑完后，除测点A1外，其余测点体现出较为一致的温升规律，最高温度均出现在浇筑完后的1d左右，此后温度在外界环境温度的作用下下降较快，到第3d时各测点温差已在1℃范围以内，并随着龄期的增加温度逐渐趋于一致。

2.3.3 由各测点的历时曲线还可得，大约从第5d开始，各测点温度大小及温度变化规律就基本一致，且与外界气温的变化规律相似。气温升高，测点温度随之上升；气温降低，测点温度也随之降低。不过由于混凝土传热性能差，其内部测点温度变化幅度不如气温变化明显，且与气温变化相比，还稍有滞后。

2.4 反演成果

根据实验得出的温度测量结果，采用前面介绍的改进后的微粒群算法对混凝土温度计算所需参数进行反演分析，反演时，由于测点A2的温变历时曲线出现异常，为提高反演计算的准确性和可靠性，反演计算时将这个测点的误差乘以一小数以降低其权重。得出各参数值及利用反演参数计算得出的测点温度值。反演参数包括：竹胶模板表面散热系数β1，混凝土祼露表面散热系数β2（含风速影响），钢模板表面散热系数β3和绝热温升指数式的3个参数、a和b。

反演所得参数值如下：

混凝土绝热温升模型：（τ为龄期，d）

θ=48.32×（1-exp(-0.40×τ1.31)

竹胶模板表面散热系数：247.68kJ/m2·d·℃

混凝土祼露表面散热系数：603.22kJ/m2·d·℃

钢模板表面散热系数：598.78kJ/m2·d·℃

2.5 反演计算结果对比分析

部分反演计算值与实测值对比如图4所示，由此可知：

2.5.1 A2测点前3d水化温升温度异常，其原因已在前文中说明。其余测点的水化温升曲线显示，该试块混凝土的水化放热应分为早、中和后期3个阶段。在龄期0.83d内的早期混凝土放热较慢，此后到4.5d左右是一个快速放热的阶段，4.5d以后水化放热基本完成。混凝土水化放热过程非均匀性的特点是掺入大量粉煤灰导致的结果，因为掺入粉煤灰除了起到降低混凝土水化温升的同时，还具有延缓水泥水化放热的特性。

2.5.2 由于钢模板导热能较好，混凝土采用钢模板或祼露时其表面散热系数差异很小，说明采用钢模板并不能起到保温的效果。而竹胶模板与前两者相比，表面散热系数较小，可以起到较好的保温效果。

2.5.3 除测点A2外，各测点无论是拆模前还是拆模后，计算值和测量值的温升曲线吻合很好，最大温差均在1.5℃以内，说明实验得出的参数具有较好的可信度，反演计算中采用的优化方法精度高，适用性好。

2.5.4 采用反演参数算出的测点A2的计算值与测量值相比，早期温升明显较高，其温升规律与其余测点计算值的温升规律均较为一致，这进一步说明，A2实测值的温变曲线并不合乎常理，反演时将其除以一个较大的罚函数是正确的。