基于多目标优化的大体积混凝土承台冷却水管布置研究

孙小猛,徐登云

(1.中铁四局博士后工作站, 合肥 230023； 2.中铁四局第二工程有限公司,江苏苏州 215131)

基于多目标优化的大体积混凝土承台冷却水管布置研究

孙小猛1,徐登云2

(1.中铁四局博士后工作站, 合肥 230023； 2.中铁四局第二工程有限公司,江苏苏州 215131)

基于多目标优化理论,根据有限元建模分析的结果,确定优化指标,提出一种成本较小、冷却效果好的大体积混凝土冷却水管布置方法,并在甬江铁路斜拉桥主塔承台施工中应用。温控监测结果表明：有限元理论计算与现场实测的温度变化规律基本保持一致,达到了预期目标。该方法为大体积混凝土温控技术提供了一种冷却水管优化布置准则及相关判定依据。

斜拉桥；大体积混凝土；多目标优化；冷却水管

1 概述

随着高层建筑的发展，大跨度、超高墩桥梁的应用，大体积混凝土广泛应用于工程实践之中，强度等级日趋增高。为保证混凝土强度，施工配合比中水泥的用量也随之增大，导致混凝土水化热引起的结构物内部温度大幅升高。里表温差过大，会导致混凝土表面出现温度拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度，结构物表面将产生大量的温度裂缝，影响施工质量。

针对大体积混凝土温控技术，相关学者进行了很多研究。黄志福[1]等以热传递方程及混凝土绝热温升为基础，结合施工实例中冷却水管的布设方法，建立有限元模型。根据有限元计算结果，得出混凝土内部温度及主应力变化规律，并提出了施工过程中混凝土水化热的控制措施。贾兆丰[2]等在上述理论的基础上增加管冷温度场计算理论，分别建立设置冷却水管及无冷却水管两种对比模型，通过计算结果证明了管冷对水化热降温的显著作用。李彬彬[3]等以混凝土热弹塑性理论为基础，考虑了混凝土的弹性模量、徐变及干缩3种因素与温度应力之间的耦合作用，提出需要采取温控措施的部位主要在混凝土结构内的中部及施工阶段的间隔面。刘耀东[4]等分析冷却水温、冷却水流量、水管间距对承台冷却效果的影响，并得出了相关规律。王新刚[5]等则进一步讨论了冷却水管的平面及立面布置形式、冷却水管直径、水管间距、冷却水温、通水流量、冷却水管长度及通水时间等各项因素对承台内部水化热的影响。

由文献研究结果来看，在大体积混凝土中布设冷却水管并通水循环是防止温度裂缝的最主要措施。现阶段对大体积混凝土施工温控技术研究多以现场某一施工实例为基础，根据施工经验布设冷却水管，并建立有限元模型进行水化热分析，定性研究承台内部温度及应力的变化规律；对于冷却水管布设是否合理并没有判定依据或优化准则。

在施工过程中，我们总是希望在冷却水管用量最少的情况下，冷却效果达到最佳，冷却水管布置本身就是个优化问题。如何优化冷却水管布置方式，使冷却效果在施工、规范及经济条件下达到最佳，是大体积混凝土温控技术的核心问题。

2 多目标优化方法

成本和冷却效果，是冷却水管优化布置的两种最直接表现特征。然而在实际情况下，二者之间存在矛盾：即成本投入最大，未必能够达到最佳的冷却效果。在混凝土配合比、冷却水温、通水流量及时间等条件相同的情况下，不同的冷却水管间距及层数可以形成大量的布置方案，如何优选一种方案使成本与冷却效果达到“最优”是一项复杂而有意义的研究内容。

混凝土冷却效果与混凝土最大拉应力具有直接表征关系，当冷却效果提升，表现为混凝土表面最大拉应力的下降；当冷却效果变差，表现为混凝土最大拉应力上升。二者之间的关系如图1所示。

假定冷却水温、通水流量、水管材质、管径在同等条件下，冷却水管的布置直接影响了工程成本。因此，可以把混凝土外表面最大拉应力(σ)和冷却水管用量(Q)看作是混凝土冷却水管优化布置的两种属性量度；显然这两种属性具有矛盾性，即冷却效果最佳的情况下，成本投入可能急剧增大，反之亦然。为使两种属性变化方向相同，当1/σ取得最大值等同于其倒数σ取最小值，混凝土外表面最大拉应力的倒数 (1/σ)和冷却水管用量(Q)之间的变化关系如图2所示。

本文构造一种协调上述矛盾的目标函数

式中，f(1/σ)为混凝土最大拉应力倒数的解集；f(Q)为冷却水管用量解集；ω为权重系数。当σ和Q同时取得最小值时，F才能获得最优解。为了避免σ和Q在量级上差别过大，保证二者的比较在同一尺度上，将混凝土最大拉应力倒数的解集f(1/σ)和冷却水管用量解集f(Q)分别进行“归一化”处理。同时，将混凝土拉应力(σ)和冷却水管用量(Q)这两种属性视为同等重要，即二者的权重因子相同。因此，式(1)可变为

式中，σi<[σ]，i=1，…，m,m≤n，F∈(0,1]

3 工程实例

甬江铁路斜拉桥承台尺寸为38.9 m×27 m，高6 m，设计混凝土方量为6 301.8 m3，强度等级C40。承台分两次浇筑完成，单次浇筑高度3 m，浇筑施工间隔为18 d。

3.1 有限元模型

考虑到结构的对称性，为提高有限元模型的运行速度，同时方便查看混凝土内部应力及温度分布，故只建立1/4结构模型，对称轴采用对称边界条件模拟。两阶段结构模型分别如图3、图4所示。

3.2 方案比选

承台冷却水管布置方案见表1。

根据冷却水管的布置方案，分别建立承台施工阶段有限元模型，计算结果见表2。

3.3 现场温度监控

浇筑前在承台内部指定位置埋设测温元件，测温元件分两层布设，单层沿承台对称轴线布设在新浇筑混凝土的中心截面。每层布设14个测点，共计28个测点。混凝土浇筑完成后，分时段测量承台内部温度。温控测点布置如图5所示。冷却水管布置如图6、图7所示。

理论计算与现场实测结果对比如图8、图9所示。由图8和图9可以看出，承台内部温度实测值与计算值变化规律基本相同，实测数值比计算值略大。

4 结语

在混凝土中埋设冷却水管，并在浇筑完成后通水循环是大体积混凝土温控防裂的主要措施。现阶段针对冷却水管布设方法比选及优化准则的研究并不多见。本文提出了一种基于多目标优化的承台冷却水管布设方法，明确了冷却水管布设方案优选指标，解决了冷却水管布设方案比选时无量化指标的难题，为同类工程施工提供了理论参考和科学依据。

[1] 黄志福，叶雨霞.大体积承台混凝土水化热分析及温控措施[J].工程与建设，2008(1):14-16．

[2] 贾兆丰，王亚齐.桥梁大体积混凝土水化热及管冷仿真技术[J].公路，2011(10):176-179．

[3] 李彬彬，王社良，苏三庆.多种因素耦合作用下的大体积混凝土温度应力仿真分析[J].安徽建筑，2009(4):136-138．

[4] 刘耀东，白应华，余天庆.基于MIDAS的大体积混凝土承台管冷技术优化研究[J].混凝土，2009(9):110-112.

[5] 王新刚，张伟，樊士广.基于MIDAS的大体积混凝土冷却水管布置方案研究[J]. 港工技术，2010(6):42-45．

[6] 陈明宪.斜拉桥建造技术[M].北京：人民交通出版社，2003．

[7] 徐伟.桥梁施工[M].北京：人民交通出版社，2008．

[8] 陈开桥，毛伟琦，王吉连.武汉大道金桥桥塔施工关键技术[J].世界桥梁，2012 (1)：19-23.

[9] 蒋本俊.武汉天兴洲公铁两用长江大桥斜拉桥主塔施工技术[J].桥梁建设，2008(4):10-14.

[10]王友才.大体积混凝土水泥水化热施工冷却技术[J].铁道标准设计，2003(10)：53-54．

[11]康省帧.承台大体积混凝土水化热分析与施工控制[J].世界桥梁，2008(2)：42-44．

[12]万惠文，谢春磊，徐文兵.大体积高强混凝土承台的温度控制与检测分析[J].混凝土，2010(9):104-107．

[13]文永奎，陈政清，杨孟刚.铁路混凝土箱梁的水化热温升及裂缝控制[J]. 铁道标准设计，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

中国铁路总公司科技研发重点项目(2013G001-D)

孙小猛(1980—)，男，高级工程师，博士后，毕业于大连理工大学，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