水工准大体积混凝土分布式光纤温度监测与智能反馈研究

论文摘要

在很长一段时期内,工程界认为水工准大体积混凝土结构外表面面积大,内侧面往往与围岩接触,散热条件好,不需要特殊的温控措施。然而,研究表明,相比于水工大体积混凝土,水工准大体积混凝土往往具有半熟龄期小、绝热温升高、温升温降速率快、自生体积收缩量大等材料特性和厚宽比小、散热面大、受约束强等结构特性；大量工程资料显示,水工准大体积混凝土这些材料和结构特性更容易使其产生温度应力致裂现象。针对该问题,本文在前人研究的基础上,从理论和现场试验出发,对水工准大体积混凝土的温度监测、自生体积变形监测、热力学参数智能反演以及温控措施优选等方面进行了相对深入的研究,并结合具体工程,提出“现场监测-反馈分析-真实性态分析-温控措施调控”这一思想来降低水工准大体积混凝土的开裂风险。具体研究内容如下：（1）分布式光纤温度监测在水工准大体积混凝土施工期温度监测中的应用通过工程实践研究,探索出一整套适合准大体积混凝土浇筑现场环境的光纤铺设工艺,保证了光纤的成活率和监测数据的精度,为水工准大体积混凝土的温度监测提供新的可靠的方式。基于丰富的分布式光纤温度监测信息,从最高温度、水平向温度梯度、竖直向温度梯度、降温速率等方面对内含冷却水管的水工准大体积混凝土时空温度分布进行分析。（2）考虑温度时程的混凝土自生体积变形计算模型和自生体积变形统计模型基于水泥基材料水化动力学方程和成熟度理论,在充分考虑温度时程和早龄期混凝土热膨胀系数变化的基础上,提出建立考虑混凝土温度时程影响的早龄期混凝土自生体积变形计算模型和统计模型,并分别结合具体工程,进行混凝土早龄期的自生体积变形试验研究。（3）准大体积混凝土热力学参数智能反演引入基于均匀设计的遗传算法-神经网络人工智能方法,对水工准大体积混凝土多个热力学参数进行智能反演,编制了智能反演程序,并基于实际准大体积混凝土分布式光纤温度监测数据,对该准大体积混凝土多个热力学参数进行反演分析。（4）准大体积混凝土水管冷却影响因素结合分布式光纤温度监测数据,采用水管冷却精密有限元程序对实际水工准大体积混凝土工程施工期温度场和应力场进行仿真计算分析,并对准大体积混凝土冷却水管铺设位置、通水起始时刻、通水流量等影响冷却水管冷却效果的主要因素进行对比分析,阐述了通水起始时刻、通水水温、浇筑温度之间的联系和矛盾,分别从高温季节和低温季节两种情况,提出实际准大体积混凝土施工过程中,应结合关键部位的监测结果,采用多样化的通水冷却方案来充分发挥“削峰”作用的同时也避免管壁周围混凝土产生“冷击”现象,为今后类似准大体积混凝土工程的水管冷却方案的制定提供重要参考依据。（5）准大体积混凝土温控措施智能优选针对准大体积混凝土温控措施之间彼此联系而又相互制约的复杂关系,提出采用基于均匀设计的遗传算法-神经网络人工智能方法,并编制了智能优选程序,对水工准大体积混凝土复杂的多因素温控参数体系进行智能优选,克服了单因素温控措施敏感性分析工作量大的问题。结合具体工程,采用此智能优选方法,以安全系数为准则函数,获得各安全系数条件下的优选温控措施方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 混凝土温控防裂国内外研究现状
• 1.2.1 国内外大体积混凝土温控防裂研究进展
• 1.2.2 国内外准大体积混凝土温控防裂研究进展
• 1.3 混凝土自生体积变形研究进展
• 1.3.1 自生体积变形定义
• 1.3.2 自生体积变形测试方法
• 1.3.3 自生体积变形计算模型
• 1.3.4 自生体积变形影响因素
• 1.4 准大体积混凝土水管冷却问题研究进展
• 1.5 准大体积混凝土热力学参数反分析研究进展
• 1.5.1 反分析问题概述
• 1.5.2 准大体积混凝土热学参数反演研究现状
• 1.6 主要研究内容
• 第2章 混凝土现场试验理论以及温度应力场理论
• 2.1 混凝土温度场计算理论
• 2.1.1 热传导方程
• 2.1.2 混凝土温度场有限元计算原理
• 2.1.3 水管冷却条件下混凝土温度场有限元计算原理
• 2.2 混凝土应力场计算基本理论及程序编制
• 2.2.1 混凝的变形
• 2.2.2 混凝土的徐变变形
• 2.2.3 混凝土温度徐变应力的有限单元法
• 2.2.4 算例
• 2.3 混凝土自生体积变形监测原理
• 2.4 热力学参数反分析基本理论
• 2.5 本章小结
• 第3章 光纤测温在准大体积混凝土温度监测中的应用研究
• 3.1 概述
• 3.2 光纤测温系统原理
• 3.2.1 光纤测温原理
• 3.2.2 分布式光纤温度监测设备简介
• 3.3 分布式光纤埋设工艺研究
• 3.3.1 分布式光纤铺设以及保护方法
• 3.3.2 光纤布设时机的选择
• 3.4 光纤测温精度研究
• 3.4.1 分布式光纤测温系统率定
• 3.4.2 分布式光纤测温精度现场试验
• 3.4.3 结论
• 3.5 分布式光纤在溪洛渡水电站准大体积混凝土温度监测中的应用
• 3.5.1 监测设备布置以及试验方案
• 3.5.2 试验现场混凝土浇筑与温度监测
• 3.5.3 监测结果
• 3.5.4 温度监测结果分析
• 3.5.5 结论与建议
• 3.6 本章小结
• 第4章 考虑温度时程的混凝土白生体积变形模型与现场试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 水化反应动力学原理
• 4.3 混凝土成熟度理论
• 4.4 考虑温度时程的早龄期混凝土自生体积变形计算模型
• 4.4.1 基于成熟度理论的自生体积变形分离方法
• 4.4.2 工程实例
• 4.5 考虑温度时程的混凝土自生体积变形统计模型
• 4.5.1 基于成熟度理论的自生体积变形统计模型
• 4.5.2 工程实例
• 4.6 本章小结
• 第5章 准大体积混凝土热力学参数智能反演与温控措施智能优选
• 5.1 概述
• 5.2 均匀设计、BP神经网络与遗传算法
• 5.2.1 均匀设计
• 5.2.2 人工神经网络
• 5.2.3 遗传算法
• 5.3 热力学参数智能反演分析方法
• 5.3.1 待反演热力学参数与混凝土温度非线性映射关系的确定
• 5.3.2 智能反演目标函数
• 5.3.3 遗传算法进行热力学参数搜索寻优
• 5.3.4 基于遗传算法-神经网络的热力学参数智能反演
• 5.4 准大体积混凝土温控措施智能优选方法
• 5.4.1 温控措施参数与混凝土温度非线性映射关系的确定
• 5.4.2 智能优化目标函数
• 5.4.3 遗传算法进行温控措施参数搜索寻优
• 5.4.4 基于遗传算法-神经网络的温控措施智能优选
• 5.5 本章小结
• 第6章 工程实例
• 6.1 分布式光纤温度监测
• 6.1.1 温度监测试验方案
• 6.1.2 试验现场混凝土浇筑与温度监测
• 6.1.3 分布式光纤温度监测成果分析
• 6.2 基于温度实测值的混凝土热学参数智能反演
• 6.2.1 反演参数范围确定
• 6.2.2 基于均匀设计的训练样本集生成
• 6.2.3 有限元计算模型
• 6.2.4 基于实测温度的热力学参数智能反演
• 6.2.5 反演结果
• 6.2.6 结论
• 6.3 准大体积混凝土水管冷却效果分析
• 6.3.1 冷却水管布置形式及计算模型
• 6.3.2 冷却效果影响因素分析
• 6.3.3 结论
• 6.4 准大体积混凝土温控措施智能优选
• 6.4.1 温控参数范围确定
• 6.4.2 训练数据集生成
• 6.4.3 回归模型构建
• 6.4.4 温控措施智能优选
• 6.4.5 优选温控措施结果分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录1 攻博期间参与科研项目
• 附录2 攻博期间科研论文
• 致谢