（水工结构工程专业论文）南水北调东线宝应泵站肘形流道温控技术研究.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：签兰至 一z 年： 月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：盔! 竺茎 一z 年； 月日 摘要 宝应站枢纽工程位于江苏省宝应县境内，作为南水北调东线1 期工程的水源 工程，其主要作用是与江都泵站共同组成第一级抽江泵站，以满足南水北调规划 确定的东线一期工程的要求，并可结合抽排里f 河地区涝水。 水工泵站工程结构形式颇为复杂，在以往的工程建设过程中，泵站混凝土在 施工期时有开裂的现象发生已是不争的事实，这已成为工程业主、设计和施工人 员凼惑和关注的工程问题。 为了今后能对同类泵站工程的建设提供更好的经验和安全保障，工程业主就 本论文研究课题专门立项，对论文提出的问题进行重点研究，研究结论具有重要 的学术价值和工程推广应用前景。 本论文采用以下研究方法和技术路线： l 、采用非稳定温度场和应力场仿真计算的有限单元法，对泵站混凝土温控 防裂问题进行研究，对混凝土施工全过程温度场和应力场进行动态仿真分析。 2 、密切配合工程建设管理者方及旋工者，据有限单元法仿真计算分析结果， 在工程的主要施工环节，及时量化地掌握混凝土结构各部位的受力状况和可能开 裂特征，提供相关资讯。 3 、从施工现场观测资料的反分析和对比分析中，验证和评述现有施工方案， 并进行施工反馈分析，总结经验和选择防裂措施，确保混凝土结构不出现裂缝或 基本不出现裂缝。 关键词：宝应泵站、仿真计算、参数反演、温度场、应力场、进水流道 作者简介：嵇仙宝，男，1 9 63 年12 月生，198 4 年毕业于华东水利学院水电系水 工专业，获工学学士学位；2 0 03 年从师于河海大学朱岳明教授和江苏省水利厅 叶健教授级高工，于20 0 6 年3 月完成学业。 a b s t r a c t t h ek e yp r o j e c to fb a o y i n gp u m ps t a t i o n ，a sah e a d w a t e r sp r o j e c to ft h e p r o j e c to fs o u t h - t o n o r t hw a t e rd i v e r s i o ni ne a s to fc h i n a ，i sl o c a t ei nb a o y i n g c o u n t r y , j i a n g s up r o v i n c e t h ep u m ps t a t i o ni sp r i n c i p a l l yu s et ob u i l d u paf i r s t g r a d ep u m ps t a t i o n w i t hp u m ps t a t i o no fj i a n g d ut os u f f i c et h e f i r s t s t a g e c o n s t r u c t i o no ft h ep r o j e c to fs o u t h - t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o ni ne a s to fc h i n a ， a n d p u m pd r a i n a g ew a t e rl o g g i n gf r o ml i x i ar i v e r z o n e t h es t r u c t u r es t y l eo fh y d r a u l i cp u m ps t a t i o ni sv e r yc o m p l e x i ti s a u n a s s a i l a b l et r u t ht h a tt h e r ei sc r a c ko c c u ri nc o n c r e t eo ft h o s ee s t a b l i s h e dp u m p s t a t i o n sd u r i n gc o n s t r u c t i o np e r i o d a n dt h eb u i l d j so w n e r s ，d e s i g n e r sa n d c o n s t r u c t o r sw e r ep u z z l e df o rt h a tf o ral o n gt i m e f o rs u p p l yb e t t e re x p e r i e n c ea n di n s u r a n c et o p o s t e r i o rs i m i l a rp u m p s t a t i o n s ，t h eb u i l d i n go w n e r sa p p r o v ea n di n i t i a t et h i sp r o j e c ta n dc o n s i g nh o h a i u n i v e r s i t yt os t u d yi t t h i st a s ks h o u l dh a v ev e r yi m p o r t a n tt h e o r yv a l u ea n d u t i l i t yv a l u e w ea d o p ts t u d ym e t h o d sa n dt e c h n i c a ll i n e sa sf o l i o w i n g ： 1 w ea d o p tf i n i t e - e l e m e n tm e t h o dt os i m u l a t et h eu n s t e a d yt e m p e r a t u r e f i e l da n ds t r e s sf i e l d ，t os t u d yt e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc r a c kp r e v e n t i o no f c o n c r e t eo fp u m ps t a t i o n ，a n dt og e tr e s u l to fd y n a m i cs i m u l a t ea n a l y s i st ot h e t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l do fc o n c r e t ei nw h o l ec o n s t r u c t i o np r o c e s s 2 c o o r p e r a t ew i t ht h em a n a g e r sa n dc o n s t r u c t o r so ft h ep r o j e c t ，b a s eo n t h er e s u l to fs i m u l a t ec a l c u l a t ea n da n a l y z e sf r o mf i n i t e - e l e m e n tm e t h o d ， p r e d o m i n a t et h eq u a n t i z e ds t r e s sp o s i t i o na n dt h es p e c i f i c i t y o f p o s s i b l e d e h i s c e n c ea n ds u p p l yc o h e r e n ti n f o r m a t i o nt ot h em a n a g e r sa n dc o n s t r u c t o r s 3 b a s eo nt h eb a c ka n a l y s i sa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i st of i e l dd a t a ，v e r i f y a n dc o m m e n tt h ee x i t i n gs c h e m e s ，p r o g r e s sf e e d b a c ka n a l y s i so nc o n s t r u c t i o n ， s u m m a r i z ee x p e r i e n c ea n ds e l e c tm e a s u r e so fc r a c kp r e v e n t i o nt oi n s u r et h e r ei s n oo rl i t t i ec r a c ki nc o n c r e t es t r u c t u r e k e y w o r d s ：p u m ps t a t i o no fb a o y i n g ，e m u l a t ec a l c u l a t e ，p a r a m e t r i ci n v e r s i o n ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d ，w a t e ri n l e t 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究状态与主要研究内容 1 1 1 问题的提出 水工泵站工程结构形式颇为复杂，在以往的工程建设过程中，泵站混凝土在 施工期时有开裂的现象发生已是不争的事实，这已成为工程业主、设计和施工人 员困惑和关注的工程问题。 宝应站枢纽工程作为南水北调东线一期工程的第一座开工建设的龙头泵站， 能否优质高效建成意义十分重大，为了今能对以后的同类泵站工程的建设提供更 好的安全保障和经验，我们课题组进行重点研究。本课题的研究无疑具有重要的 学术价值和工程推广应用前景。 1 1 2 研究状态 近年来，随着相关理论和数值仿真计算技术的日臻完善，人们对水工结构工 程混凝土裂缝成因和防裂技术的有了一定的认识，也可以通过对旋工期混凝土结 构常规荷载应力、温度应力、收缩应力和徐变应力的非恒定时空三维问题的仿真 求解，做到在施工前和施工过程中得到结构中任何一点混凝土在任何时刻的温度 值、应力值和提供是否会开裂等信息但影响混凝土裂缝产生和发展的原因很多 也很复杂，尤其是泵站肘形流道结构非常复杂，以往对此部位的裂缝机理和控制 技术研究甚少，而次部位有时裂缝易发部位本论文就是依托宝应泵站的建设进 行肘形进水流道混凝土结构温度场和应力场进行研究，以期探明肘形进水流道混 凝土结构裂缝出现的机理，解决肘形进水流道混凝土易发生裂缝的难题 1 1 3 主要研究内容： ( 一) 仿真预测分析 1 ) 大体积混凝土结构三维有限单元法温度场、温度应力、收缩应力、徐变 应力和常规荷载应力的旌工仿真分析方法和计算技术研究，进一步完善已有计算 河海大学硕士学位论文 程序。 2 ) 依托宝应泵站的施工建设，进行肘形进水流道混凝土结构温度场和应力 场的仿真计算建模，选取合理的结构范围作为研究对象，连同一定范围大小的地 基，进行有限单元法网格的合理剖分，赋予计算域各部位材料的计算参数和模型 边界条件。 3 ) 在充分考虑混凝土结构构造、材料、施工、气温、风速等各方面影响因 素，按现拟混凝土浇筑施工方案，仿真计算泵站流道结构混凝土中的温度和应力 状态随时问、空间的变化规律，给出典型剖点和剖面的温度和应力过程线和等值 线图。 4 ) 根据计算结果，综合分析肘形进水流道混凝土结构裂缝出现的可能性， 判断可能出现的开裂时间和部位。 ( 二) 施工反分析 1 ) 根据以往工程经验和上述数值仿真计算结果，选择宝应泵站混凝土温度 观测的仪器种类，确定典型测点的具体位置和观测要求，供施工方具体实施和观 测。 2 ) 对旋工方提供的温度观测资料进行定性分析和反分析，反演混凝土材料 的主要热学特性参数以及影响温度场变化的主要边界参数。 3 ) 对现场温度典型观测资料进行追踪仿真对比计算，进一步提高混凝土温 度和应力计算结果的精度及工程应用能力。 ( 三) 反馈分析 1 ) 在旅工期反分析工作的基础上，充分利用观测资料，进行宝应站肘形进 水流道混凝土结构温度和应力的反馈对比计算。 2 ) 进行综合分析和揭示旃工期泵站肘形进水流道混凝土结构的裂缝机理和 优选防裂措施。 1 2 工程概况 宝应站枢纽工程位于江苏省宝应县境内，作为南水北调东线期工程的水源 工程，其主要作用是与江都泵站共同组成第一级抽江泵站，以满足南水北调规划 确定的东线一期工程抽江5 0 0 m 3 s ，多年平均抽江水量8 9 3 7 亿m 3 的要求，并可 河海大学硕士学位论文 结合抽排里下河地区涝水。 枢纽一期工程包括泵站、下游清污机桥、杨淮公路桥、灌溉涵洞各一座以及 泵站专用变电所和相应的管理设施等。 泵站按抽水流量1 0 0m 3 s 规模建设，在工程布置上预留二期泵站位置及排涝 河位置。设计选用3 2 0 0 h l q - 6 0 型立轴倒叶式混流泵配t l 一3 4 0 0 4 8 立式同步电 机4 台套( 其中备机一套) ，水泵叶轮直径3 2 0 0 r a m ，相应泵站设计扬程7 ，6 m 时， 单泵设计流量3 3 4m 3 s ，配套电机功率3 4 0 0 k w ，总装机容量1 3 6 0 0 k w 。 宝应泵站下游清污机桥位于泵站下游引河上，清污机桥总长7 5 8 m ，共计1 4 孔，其中1 0i l 布置回转式清污机，每孔净宽4 1 m ，每侧两边孑l 采用固定隔栅。 宝应泵站枢纽地处淮河下游里下河地区，属长江和淮河下游的冲积平原，地 势低洼平坦，沟渠纵横，河网密布。工程所处的地区属亚热带季风气候，夏季炎 热多雨，旬平均气温在2 2 。c 以上；冬季寒冷干燥，旬平均气温均在1 0 。c 以下。 1 3 研究方法和技术路线 本课题采用以下研究方法和技术路线： l 、采用非稳定温度场和应力场仿真计算的有限单元法，依托宝应泵站的建 设，对泵站混凝土温控防裂问题进行研究，对混凝土旖工全过程温度场和应力场 进行动态仿真分析。 2 、据有限单元法仿真计算分析结果，在工程的主要施工环节，及时量化地 掌握混凝土结构各部位的受力状况和可能开裂特征，提供相关资讯。 3 、从施工现场观测资料的反分析和对比分析中，验证和评述现有旋工方案， 并进行施工反馈分析，总结经验和选择防裂措施，确保混凝土结构不出现裂缝或 基本不出现裂缝。 河海大学硕士学位论文 第二章混凝土温度场及应力场的仿真计算原理 仿真计算是对混凝土旌工全过程、边界条件变化及材料性质的变化等因素尽 可能进行细致的数值模拟计算，以得到与实际情况尽可能相符合的解。一般水工 混凝土结构是分层分块浇筑的，有个复杂动态变化的施工过程，且混凝土的温度 计算参数、应力计算参数和施工环境条件等都是随时间变化的，所以计算时必须 充分考虑这些因素对计算的影响，要尽可能深入细致地进行仿真模拟计算。 2 1 混凝土非稳定温度场的有限元法计算原理 2 1 1 非稳定温度场的基本理论 在混凝土计算域r 内任何一点处，不稳定温度场r & ，y ，z ，f j 必须满足 热传导控制方程 塑：蜜+ 娶+ 娶 十塑 ( v ( 训，z ) r )( 2 1 ) i ”l 石+ 矿+ 萨j 十瓦 岬z 圬“u _ 1 式中：r 温度( ) ，口一导温系数( m 2 h ) ，口一混凝土绝热温升( ) ， f 一时间( d ) ，f 一龄期( d ) 。 初始条件：t = 玎x ，y ，z ，t 。) ( 2 2 ) 边界条件：混凝土结构温度场计算域r 的边界常分为三类； ( 1 ) 第一类为已知温度边界f 1 ：t ( x , y ，z ，t ) = f ( x , y ，z ，t )( 2 3 ) ( 2 ) 第二类为绝热边界r 2 ： a t ( x = _ , y 一, z , t ) ：0 ( 2 q 伪 ( 3 ) 第三类为表面热交换边界r3 ： 一2 a t ( x , y , z , t ) ：( r ( x , y , z , t ) 一l ( z ，y ，z ，f ) ) ( 2 - 5 ) 册 式中：一放热系数( k j ( m 2 h ) ) ，五一导热系数( k j ( m h ) ) ， t 一环境温度( ) 。 河海大学硕士学位论文 2 1 2 非稳定温度场的有限单元法隐式解法 据燹分原理，小稳定温度场式( 2 1 ) 微分万程在式( 2 - 2 ) ( 2 5j 足觯条 件下的解等价于下述泛函r 刁的极值问题。 邶，= f 恤罢n 髻n 譬一+ 三等一罢，? 卜 + 孵( 扣) 胁 ( 2 - 6 ) 将区域r 用有限个单元离散后，有 肿) = j 。= 矸+ 巧 ( 2 7 ) ，；= f f 仨c 尝，2 + c 茜，2 + c 参2 ，+ 丢c 署一筹，寸龇 c z 固 争j 鲁( 争) ( 2 - 9 ) 每个单元内任何一点的温度插值公式为 丁：羔 互( 2 - l o ) 将式( 2 一l o ) 代入式( 2 6 ) ，由趁, - 豳削壮但宋什- 6 = = o 可得温度场解的递推 0 1 方程组，向后差分时为下式： i 卅+ 上a t n r 】卜) 一百1 吲+ 眠i ) _ 。 ( 2 - 1 1 ) 式中 日f = ( 蟮+ g d r r = 彤 曩= ( _ ，。一) 其中叫2 捌”啄o n i o n + 等等+ 警警，蛳 ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 河海大学硕士学位论文 = 龃j ：。( a 咖n o 出n j ，+ 等等+ i o n ii o n s i 倒彬f g ；2 等盟f m 搬= 铷。f ，网e 2 知，d 硝 百。l n r n s d x d y d z = 托肌m l 卅俐硝 嚣。赃嚅0 0 hn ，d x d y d z = 三( 等。龃l m l 卅喇嗬 露2 鲁题疋以搬= t 鲁肌一编d 群 2 2 混凝土徐变应力场的有限元法计算原理 2 2 1 徐变应力求解的基本理论 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) f 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 混凝土在复杂应力状态下的应变增量常常包括弹性应变增量、徐变应变增 量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积变形增量，因此有 = ) + f ) + f ) + f ) + ( 2 - 2 0 ) 式中： ) 一弹性应变增量， ) 一徐变应变增量，f ) 一温度应变增量， 一干缩应变增量， ) 一自生体积变形增量。 弹性应变增量 ) 由下式计算 轷高 q 【吲( 乞2 半 以下郧( 2 - 2 1 ) 式中 【q ( 2 2 2 ) o o 0 o 0 +2 0 o o o + 2 o o o +2 叫叫。 称 叫。 对 河海大学硕士学位论文 倒= 万丽1 - p 二丽 1 l l 1 一h1 一h 1 l 1 一 1 对 00 0 0 00 旦丝o 2 ( 1 + 埘 称 而1 - 2 t 。 翻l 十j 1 2 “ 2 0 + 肋 f 2 - 2 3 ) 据常规混凝土的试验结果，弹性模量e ( 元) 一般可由式( 2 2 4 ) 型式的双指 数关系式来估算。 e ( o = e o ( 1 一e - a r 6 ) ( e o 为最终弹性模量) 徐变应变增量 由下式计算 = 慨) + c ( t o ，) q 仃。) 式中 切。) = ( 1 一e 哪) 由。) 血_ = s , n - i ) e 一6 。1 + q 】 o 一。) 、王，( 一) e _ 0 5 弘 r 2 2 4 ) f 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) q ，) = w ( r ) 1 - e 吲”) ( 2 2 8 ) 温度应变增量 ) 由非稳定温度场计算结果求得，求出温度场后再由下式 求得： ) = 必，班，必l 000 ) 式中：口为热线膨胀系数，为温差。 干缩应变增量 ) 由下式计算： ) = 喊) 一 。) 式中麟) 为最终于缩应变。 ( 2 - 2 9 ) 佗一3 0 ) ( 2 3 1 ) 河海大学硕士学位论文 在任一时刻缸内，由弹性徐变理论的基本假定可得增量形式的物理方程 巳 = 砭】( a ) - 一慨) 一 ) 一 s ：) ) 【恧】_ g n 【q _ l 巨= 蒜 2 2 2 徐变应力场的有限单元法隐式解法 f 2 3 2 ) f 2 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) 由物理方程、几何方程和平衡方程可得任一时段越在区域曩上的有限单元 法支配方程： 置】 既= ( 凹6 + 鹋。) + 7 ) + 3 ) ( 2 - 3 5 ) 式中： a t - - r i 区域内所有节点三个方向上的位移增量， a 酽) 一越时段内由 外荷载引起的等效节点力增量， 只。) 一徐变引起的等效节点力增量， 节) 一 变温引起的等效节点力增量， 帮) 一由于收缩和其它因素引起的等效节点力增 量。对各个单元进行叠如计算，可褥到： 6 ) = 。 = f 吲7 例如。 蚴世( 2 - 3 6 ) 沁。 - 军妇。 - 莩妙砰【d 】绺。) 妣牺 ( 2 - 3 7 ) k 7 = 妇“j = 口九d 】池“ a x a y & 8 。 沁5 j = 虹8 = j 旧 d 肚“) 西毋出 。e ! r 2 3 8 ) r 2 3 9 ) 【k 】一计算域整体劲度矩阵，其元素计算如下： k 。= t 。f ( 2 4 0 ) 由上述各式即可求得任意时段r f 的位移增量t ，再由下式可算得f 。内各 个单元的应力增量 河海大学硕士学位论文 a o - ，】= d i - b a s 一 d ( 彳) + 0 ) + g ) ) ( 2 - 4 1 ) 将各时段的位移、应力增量累加，即可求得计算域任意时刻的位移场和徐变 应力场 嗔= a d s ( 2 - 4 2 ) = i q = a o j ( 2 4 3 ) 河海大学硕士学位论文 第三章混凝土热学参数反演原理与方法 混凝土结构温度场和应力场的仿真计算受诸多因素影响，其中之一就是旌工 材料特性参数的实际模拟。不同混凝土结构的导温系数。、导热系数 、表面散 热系数卢和绝热温升0 规律都是不同的；即使是同样一种混凝土结构，由于环境 条件( 包括温度、湿度和风速等) 的不同，其实际热力学参数值也可能不一样。为 了使混凝土温度场和应力场的仿真计算模型能更好地反映实际情况，通过试验或 必要的数值计算求得具体工程在不同环境条件下的各项热力学参数是很有必要 的，本文运用改进加速遗传算法对相关参数进行反演计算。 3 1 参数辨识方法 根据问题的性质和寻找准则函数极值点算法的不同，参数辨识法可分为正法 和逆法，正法和逆法都是寻求准则函数的极小值点，但寻求的算法不一样。正法 比逆法具有更广泛的适用性，它既适用于模型输出是参数的线性函数的情形，也 适用于非线性的情况。其基本思路为首先对待求参数指定初值，然后计算模型输 出值，并和输出量测值比较。如果吻合良好，假设的参数初值就是要找的参数值， 否则修改参数值，重新计算模型输出值，再和量测值进行比较直到准则函数达到 极小值，此时的参数值即为所要求的值。其中模式搜索法( 也称步长加速法) 、变 量轮换法、单纯形法、鲍威尔法等方法都是最优化技术中广泛应用的正法中的直 接法。逆法需要有较明确的解析解，正法可以采取数值解法，应此正法在实际工 程中应用的更为广泛。 3 2 遗传算法原理 对于一个求函数最小值的优化问题( 求函数最大值也类同) ，一般可描述为 下述数学规划模型： i m i n厂( x )( 3 一1 ) 5 肖r ( 3 2 ) l r 互u ( 3 3 ) 式中，x = 【x l ，屯，r 为决策变量，f ( x ) 为目标函数，式( 32 ) 、( 3 3 ) 为约束 河海大学硕士学位论文 条件，是基本空间，斤是，的一个子集。满足约束的解称为可行解，集合启表 示由所有满足约束条件的解所组成的一个集合，叫做可行解集合。 对于上述最优化问题，目标函数和约束条件种类繁多，有的是线性的，有 的是非线性的；有的是连续的，有的是离散的；有的是单峰值的，有的是多峰值 的。随着研究的深入，人们逐渐认识到在很多复杂情况下要想完全精确地求出其 最优解既不可能，也不现实，因而求出其近似最优解或满意解是人们的主要着眼 点之一。 遗传算法为我们解决最优化问题提供了一个有效的途径和通用框架，开创了 一种新的全局优化搜索算法。遗传算法中，将n 维决策向量工= z l ，x 2 ， 2 用 露个记号x ，( 产l ，2 ，西所组成的符号串x 来表示： x = 墨x 2 五x = x 2 ，】。 把每一个x ：看作一个遗传基因，它的所有可能取值称为等位基因，这样，z 就 可看做是由1 7 个遗传基因所组成的一个染色体。一般情况下，染色体长度刀是固 定的，但对一些问题7 也可以是变化的。根据不同的情况，这里的等位基因可以 是一组整数，也可以是某一范围内的实数值，或者是纯粹的一个记号。最简单的 等位基因是由0 和1 这两个整数组成的，相应的染色体就表示为一个二进制符号 串。这种编码所形成的排列形式j 是个体的基因型，与它对应的j 值是个体的 表现型。通常个体的表现型和其基因型是一一对应的，但有时也允许基因型和表 现型是多对一的关系。染色体j 也称为个体正对于每一个个体卫要按照一定 的规则确定出其适应度。个体的适应度与其对应的个体表现型川拘目标函数值相 关联，j 越接近目标函数的最优点，其适应度越大；反之，其适应度越小。 遗传算法中，决策变量j 组成了问题的解空间。对问题最优解的搜索是通 过对染色体j 的搜索过程来进行的，从而由所有的染色体就组成了问题的搜索 空闻。 生物的进化是以集团为主体的。与此相对应，遗传算法的运动对象是由彬 个个体所组成的集合，称为种群。与生物一代一代的自然进化过程相类似，遗传 算法的运算过程也是一个反复迭代过程，第。代种群记做p ( 幻，经过一代遗传和 进化后，得到第什l 代种群，它们也是由多个个体组成的集合，记做以抖1 ) 。 河海大学硕士学位论文 这个群体不断地经过遗传和进化操作，并且每次都按照优胜劣汰的规则将适应度 较高的个体更多地遗传到下一代，这样最终在群体中将会得到一个优良的个体 卫它所对应的表现型x 将达到或接近于问题的最优解j = | + 。 生物的进化过程主要是通过染色体之间的交叉和染色体的变异来完成的。 与此相对应，遗传算法中最优解的搜索过程也模仿生物的这个进化过程，使得所 谓的遗传算子作用于种群p ( 幻中，从而得到新一代种群p ( t + 1 ) 。 1 选择：根据各个个体的适应度，按照一定的规则或方法，从第f 代种群p ( 幻 中选择出一些优良的个体遗传到下一代种以抖1 ) 中。 2 交叉：将种群以0 内的各个个体随机搭配成对，对每一对个体，以某个概 率( 称为交叉概率) 交换它们之间的部分染色体。 3 变异：对种群尸( 幻中的每一个个体，以某一概率( 称为变异概率) 改变某一 个或某一些基因座上的基因值为其他的等位基因。 3 3 基本遗传算法 ( 1 ) 编码 遗传算法中表示参数向量结构的常用编码方式有3 种，即二进制编码、格雷 编码和浮点编码。三种编码方式相比，浮点编码长度等于参数向量的维数，达到 同等精度要求的情况下，编码长度远小于二进制码和格雷码，并且浮点编码使用 计算变量的真实值，无需数据转换，便于运用，因此本文采用浮点编码方式。 ( 2 ) 初始化过程 设n 为初始种群数目，随机产生n 个初始染色体。对于一般反分析问题，很 难给出解析的初始染色体，通常采用以下方法：给定的可行集仁f ( 卉，癌一， 如) l 暾，m ，k = - i ，2 ，m ，其中，m 为染色体基因数，即本文中的反 分析参数个数， a ，m 是向量( 卉，妒，靠) 第k 维参变量暾的限制条件。 在可行集种选择一个合适内点，并定义大数m ，在中取一个随机单位方 向向量d ，即| i d | f 1 ，记v = v o + m d ，若v 6 积则y 为一合格的染色体，否则 置m 为0 和m 之问的一个随机数，至p 妫止。重复上述过程n 次，获取n 个合格的初始染色体n ，砼，k 。 河海大学硕士学位论文 ( 3 ) 构造适应度函数 构造适应度函数是遗传进化运算的关键，应根据具体的问题构造合适的适应 度评价函数，关键是引导遗传进化运算向获取优化问题的最优解方向进行。本文 建立基于序的适应度评价函数，让染色体n ，k 按个体目标函数值的 大小降序排列，使得适应性强的染色体被选择产生后代的概率更大。设口e ( o ， 1 ) ，定义基于序的适应度评价函数 e v a l ( v i ) = c t ( 1 “，卢l ，2 一，| ( 3 4 ) ( 4 ) 选择算子 本文采用回放式随机采样方式，以旋转赌轮n 为基础，每次旋转都以建立的 适应度评价函数为基础，为予代种群选择一个染色体。具体操作过程如下： 计算累积概率历，p 。= f m ，( 巧) ，i = 1 2 ，h ，p o = o ； 从区问( o ，岛) 中产生一个随机数晚 若畦( p i - l ，a ) ，选择磁进入子代种群； 重复蛔共n 次，从而得到子代种群所需的r 个染色体。 ( 5 ) 交叉算子 交叉算子是使种群产生新个体的主要方法，其作用是在不过多破坏种群优良 个体的基础上，有效产生一些较好个体。本文采用线性交叉的方式，依据交叉概 率只随机产生父代个体，并两两配对，对任一组参与交叉的父代个体( ，) ， 产生的子代个体( 一“1 ，“) 为 难裟：爱 ， l “= 丑一。+ ( 1 一五) 式中：仁进化变量，由进化代数决定，五( 0 ，1 ) ；l 进化代数。 ( 6 ) 变异算子 变异算子的主要作用是改善算法的局部搜索能力，维持种群的多样性，防止 出现早熟现象，本文采用非均匀算子进行种群变异运算。依据变异概率p 卅随机 河海大学硕士学位论文 参与变异的父代个体。= ( v ：，v ：t ，_ ，v ：) ，对每个参与变异的基因，若该基因的 变化范围为 b k ，则变异基因值v 由下式决定 社漤嚣瑞蝥 悖a ， 式中：r a n d ( o ，1 卜一以相同概率从 o ，1 ) 中随机取值；蠢一第j | 个基因微小扰动 量；厂( ，工) 一非均匀随机分布函数。按下式定义 ，( f ，x ) = x ( 1 一y 4 “7 ) ( 3 7 ) 式中：r 分布函数参变量；厂( 0 ，1 ) 区问上的随机数；，广系统参数， 本文取五f 2 。0 ；卜允许最大进化代数。 3 4 加速遗传算法 遗传算法从可行解集组成的初始种群出发，同时使用多个可行解进行选择、 交叉和变异等随机操作，使得遗传算法在隐含并行多点搜索中具备很强的全局搜 索能力。也正因为如此，基本遗传算法的局部搜索能力较差，对搜索空间变化适 应能力差，并且易出现早熟现象。为了在一定程度上克服上述缺陷，控制进化代 数，降低计算工作量，需要引入加速遗传算法。加速遗传算法是在基本遗传算法 的基础上，利用最近两代进化操作产生的优秀个体的最大变化区间重新确定基因 的限制条件，重新生成初始种群，再进行遗传进化运算。如此循环，可以进一步 充分利用进化迭代产生的优秀个体，可快速压缩初始种群基因控制区间的大小， 提高遗传算法的运算效率 3 5 改进加速遗传算法 加速遗传算法和基本遗传算法相比，虽然进化迭代的速度和效率有所提高。 但并没有从根本上解决算法局部搜索能力低及早熟收敛的问题，另外，基本遗传 算法及加速遗传算法都未能解决存优的问题。因此本文在此基础上提出了改进的 加速遗传算法，改进算法的核心是，一是按适应度对染色体进行分类操作，分别 按比例如、靶、x 3 将染色体分为最优染色体、普通染色体和最劣染色体， 河海大学硕士学位论文 x i + x 2 + x 3 = 1 ，一般j l 5 ，x 2 8 5 ，x 3 _ 1 0 ，取值和进化代数，有关，最优染 色体直接复制，普通染色体参与交叉运算，最劣染色体参与变异运算，从而产生 拟子代种群，这主要解决存优问题及提高算法的局部搜索能力；二是引入小生境 淘汰操作，先将分类操作前记忆的前n r 个体和拟子代种群合并，再对新种群两 两比较海明距离，令n t = n r + n 定义海明距离 再i i = 1 , 2 ，n t l ；j = i + 1 ，n t ( 3 - 8 ) 设定s 为控制闽值，若s o 1 孟 n 0 计算z ，五，e p s 氲脚：或p 秽 主y e s 涂些 、 y e s 以第，代、( 1 - 1 ) 代种群 前n a 个优秀个体最大变 化区间重新确定【巩】及 菇，l f t 产1 ，- - 0 输出精确解 九九，氟 结束 输出近似解 卉，屯，丸 图3 一l温度场热学参数反分析流程图 河海大学硕士学位论文 3 6 工程应用实例 要准确地对实际混凝土工程的温度场和应力场进行精密的仿真计算分析， 首先必须对混凝土的热力学参数进行准确的描述，混凝土的导热系数。、导热系 数 、比热c 、密度p 这几个参数对不同的混凝土来说，其值差别不是很大，可 根据混凝土配合比进行计算得到，当然也可通过试验来获取，这几项试验方法简 单，均为水工混凝土常规性试验，试验仪器也较普及。而混凝土的绝热温升对不 同配合比的混凝土来说差别很大，另外混凝土的表面热交换系数是一个受诸多因 素影响的热学参数，包括温度、湿度、风速等，在不同的模板种类覆盖条件下， 热交换系数也是不同的。且计算域的主要边界为这类热交换边界。 本文对宝应泵站混凝土温度参数进行反分析计算。本课题在施工现场布置 了9 个测点，其中8 个测点有效( 5 号测点已坏) ，测点布置见附图l 。定期观测 并记录各测点的温度，再利用遗传算法反演出所需的热学参数值，包括反演混凝 土的绝热温升砩、绝热温升函数中的其它参数、施工模板( 包括钢模板、竹模 板、木模板) 及草袋覆盖时的混凝土表面热交换系数。 先布置好所有测点，待混凝土浇筑后，每隔一定时间用有关温度巡检仪对 各个测点测量温度一次，同时记录该时刻的自然环境气温和流道内气温。各测点 温度值见附表l 。 反分析计算结果如下： 混凝土最终绝热温升：b = 4 5 3 7 绝热温升函数参数：口= o 3 6 8 9 ，b = o 9 5 6 9 绝热温升：口：4 5 3 7 ( 1 一e “。4 一) 混凝土表面放热系数为：屈 - 2 4 9 0k j ( m h ) 钢模板表面放热系数为：屈= 2 4 9 0k j ( m h ) 竹模表面放热系数为：反= 1 1 8 8k j ( m h ) 木模表面放热系数为：p ，= 1 2 7 9k j ( m h 1 3 ) 草袋表面放热系数为：声。= 7 4 7k 3 ( m h ) 无风时，混凝土表面的放热系数为：屈= 2 0 4 2k j ( m h ) 河海大学硕士学位论文 由于流道臼用帘子遮挡，故流道内风速几乎等于零，流道内气温一般略高于 外界气温，因此反演出的由竹模、木模和草袋的表面放热系数均为无风时的表面 热交换系数。 在反演计算分析之前，将仿真预测计算值与实测值进行了比较，见附图l3 附图2 0 。从这些图中可以看出，仿真计算值与实测值有一定的差别，这主要是 因为： ( 1 ) 仿真计算时，气温是采用多年月平均气温的拟合值，与实际气温有一 定误差，实测的气温见附图1 2 。 ( 2 ) 仿真计算时绝热温升的计算模型采用的是双曲线式，即日= 只l 一， ”r + 1 0 1 这个式子主要通过砩、和一= 1 0 1 及混凝土龄期f 这三个参数来表达混凝土的绝 热温升。经反分析结果比较发现，复合指数式口：吼6 _ e - a 一) 能更好地拟合混凝 土的绝热温升。本文采用复合指数法 ( 3 ) 由于缺乏试验数据，仿真计算中的有些参数是通过混凝土的配合比估 算出来的，如各种模板和草袋的表面热交换系数等，这些参数与实际情况还有一 定差别。 利用反演分析求出的参数岛、a 、b 、虞、履、店、反、屈和已知导温 和导热参数口及兄进行不稳定温度场的计算，得到各典型测点的温度计算值，与 实测值的比较见附图2 1 n 附图2 8 。从这些图中可以看出，反演参数计算所得结 果与实测值比较接近，各个点温度的整个变化过程都吻合得很好，说明上述反演 所得材料得特征参数误差较小。同时，参数反演分析的收敛速度也很快，说明遗 传算法这种新型的优化算法在混凝土热学参数优化估计中具有精度高、反演快的 优越性。 在缺乏试验数据的情况下，对混凝土的热学和力学参数进行反演计算，能够 得到一些表征材料特性的参数，同时这也充分说明了混凝土热力学参数反分析的 重要性和必要性。 河海大学硕士学位论文 第四章宝应肘形泵站泵送混凝土施工期温控仿真计算 4 1 基本资料 4 1 1 气温资料 当地多年月平均气温如表4 一l 所示 表4 - 1 当地多年月平均气温 月份12345 6 7891 01 11 2年平均l l 气温* co - 33 46 71 2 31 5 72 1 12 6 42 2 51 9 31 5 - 2l o 06 21 3 2 6 l 拟合 c 2 ，53 o6 - 31 1 41 7 12 1 72 4 12 3 52 0 21 5 ，l9 54 81 3 2 6 计算时拟合为下式 t ( t ) = 1 3 2 6 + 1 0 9 4 x c o s l 6 ( r 4 1 2 热学和力学参数 7 3 2 ) ，f 为月份 ( 4 - 1 ) 混凝土导温系数a 、导热系数 、表面放热系数卢、比热厶绝热温升0 。、 热膨胀系数a 可通过计算取得“1 。本工程施工用混凝土配合比其它参数见表4 2 。 取修正系数为启产1 0 5 ，用按重量百分比加权方法，得到混凝土的热学性能。 = 1 0 5 x ( 5 4 3 2 1 6 0 + 1 4 8 1 4 5 9 3 + 3 2 6 9 1 1 0 9 9 + 4 7 0 7 1 0 4 6 7 ) 1 0 0 = 9 8 2 0 k j ( m h ) c - 1 0 5 ( 5 4 3 4 1 8 7 + 1 4 8 1 0 5 3 6 + 3 2 6 9 0 7 4 5 + 4 7 0 7 0 7 0 8 ) 1 0 0 - 0 9 2 8k j ( k g ) p - 2 3 9 6 4 5 k g m 5 d ：三： ! ：! ! ! ：o _ 0 0 5 2 2 5 6 2 8 m z h c p 0 9 2 8 2 0 2 5 0 9 河海大学硕士学位论文 表4 2 混凝土各材料配合比和特性参数 单位水水泥 粉煤灰外加剂 砂石子 总计 质量k g 1 3 0 1 82 8 0 4 77 1 o l3 5 57 8 3 4 31 1 2 7 8 l2 3 9 6 4 5 百分比 5 4 31 1 7 0 2 9 6 0 1 5 3 2 6 94 7 0 71 0 0 导热系数k j ( m h )2 1 6 0 4 5 9 34 5 9 34 5 9 31 i 0 9 91 0 4 6 79 8 2 0 比热c k j ( k g ) 4 1 8 7 0 5 3 60 5 3 60 5 3 60 7 4 50 7 0 80 9 2 8 热胀系数n1 0 1 8 5 ( 水泥浆)0 8 61 0 3 水泥的水化热为3 3 0 k j k g , 混凝土绝热温升目。为： oo：qo(w+kf)：330 x(28047+025x7 1 0 1 ) ：4 4 2 5 c p 0 9 2 8x2 3 9 6 4 5 绝热温升的表达式：0 = 4 4 2 5 ( 1 一e “”一1 式中：肛一水泥用量；c 一混凝土比热；p 一混凝土密度；卢一混合材用量； 岛一水泥水化热；冉一折减系数，对于粉煤灰，可取k = o 2 5 。 进水流道的边墩模扳为钢模板，流道内侧直段部分为竹模板，弯段为木模板， 1 4 ( t 后拆模，顶面用草袋覆盖。洞口采用挂帘封闭确保保温保湿。 混凝土在空气中的放热系数卢。的数值与风速有关，旎工地区平均风速 屹= o 5 m s ，因拆模后表面为光滑，按光滑表面取值，