高强高性能混凝土配合比优化设计---可复制黏贴 优秀毕业论文.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 高强高性能混凝土配合比优化设计 专 业 防灾减灾工程及防护工程 研 究 生 王晓飞 指导教师 郑山锁教授 摘 要 高强高性能混凝土作为一种新型的优质建筑材料 因其具有强度高 耐久 变形小等优点 已被广泛应用于现代工程结构中 因为高强高性能混凝土是一种 多相复合材料 其性能在很大程度上是由原材料的性质及其相对含量决定的 所 以对混凝土的配合比进行设计是获得其优良性能的关键 高强高性能混凝土对性 能的要求相对复杂 经典的设计方法已很难达到要求 如何对高强高性能混凝土 配合比进行优化设计是现今社会亟待解决的问题 本文主要研究适用于强度等级从 c60 c100 的高强高性能混凝土配合比的优 化设计 利用正交实验法对高强高性能混凝土试验方案进行了设计 结合当前国 内外混凝土配合比设计的现状 对高强高性能混凝土原材料组分及其性能进行研 究分析 为配合比优化设计提供理论基础 总结本课题组和赵力国等人的高强高 性能混凝土配合比试验数据 利用统计软件对试验数据进行偏相关分析 得到各 组分与 28 天抗压强度 坍落度之间的相关程度 在此基础上 结合试验数据分析 结果和考虑耐久性的要求 可以得出水胶比 砂率 聚羧酸系高效减水剂 粉煤 灰 硅灰用量的最佳取值范围 并将此作为优化问题的约束条件 由于原材料用 量与混凝土性能之间存在复杂的非线性关系 所以在高强高性能混凝土性能和原 材料用量之间建立多元非线性模型 根据泰勒 taylor 级数公式 利用多项式予 以逼近 本文所采用的配合比试验数据有限 为了提高拟合精度 所以将模型中 的变量由原先的七个 水泥 砂子 石子 水 聚羧酸系高效减水剂 硅灰和粉 煤灰 减少为五个 水胶比 砂率 聚羧酸系高效减水剂 硅灰和粉煤灰 利用数 据统计软件对 47 组试验数据进行回归拟合分析 得到高强高性能混凝土 28 天抗 压强度以及坍落度预测方程 并将预测结果与试验结果进行对比 发现预测方程 的拟合精度满足要求 基于强度 和易性及经济性对高强高性能混凝土配合比进行优化设计 以强 度 坍落度预测方程以及造价方程为目标函数 利用序列二次规划法 基于 matlab 优化工具箱 对配合比优化问题进行编程求解 优化结果与试验结果对 西安建筑科技大学硕士学位论文 比发现 本文的优化思路不仅能够实现高强高性能混凝土性能的优化 还能够实 现混凝土造价的最低化 考虑高强高性能混凝土的耐久性 分析引起混凝土耐久 性问题的根源 从高强高性能混凝土的材料组分上进行进行优选 利用高强高性 能混凝土的抗渗性能来体现耐久性 通过五组高强高性能混凝土的抗渗等级试验 分析水灰比 硅灰和粉煤灰三种因素对高强高性能混凝土抗渗性能的影响 本文的研究成果将为混凝土结构构件 混凝土结构 甚至是整片混凝土建筑 的优化提供高强高性能混凝土材料方面的优化依据 同时直接为广大工程技术人 员提供了混凝土的最优配合比 使技术人员在混凝土的材料选择上更具有借鉴性 本文的优化结果可直接应用到高强高性能混凝土结构中 能为创造更优工程提供 最基本的最优材料 关关 键键 词词 高强高性能混凝土 配合比 优化设计 序列二次规划法 非线性规 划 预测方程 论文类型论文类型 应用基础研究 基金项目 基金项目 国家自然科学基金 50378080 西安建筑科技大学硕士学位论文 optimization of mix proportion design of high strength and high performance concrete specialty disaster prevention and reduction engineering protective engineering name wang xiaofei supervisor prof zheng shansuo abstract the high strength and high performance concrete is a novel and high quality building material its advantages are high strength durable small deformation and so on it has been widely used in modern engineering structures as a composite multi phase material its performance is largely determined by the nature of the raw materials and their relative content so mix proportion design is the key to excellent performance the performance requirements of high strength and high performance concrete are relatively complex the classic design approach has been difficult to achieve it how to optimize the mix design of high strength and high performance concrete is the problem to be solved in today s society this paper studies the optimization design of high strength and high performance concrete its strength grade is range from c60 to c100 combining with the present state of affairs about the mix proportion design of high strength and high performance concrete the raw materials and performance of high strength and high performance concrete are studied and analyzed and the theoretical basis is provided for high strength and high performance concrete the test results of high strength and high performance concrete of our project team and zhao ligou and them are summarized the partial correlation analysis of the test data is performed by statistical software the correlation degree of every component and 28 days compressive strength slump on this basis combination of experimental data analysis results and consideration of durability requirement the best ranges of water cement ratio sand ratio polycarboxylic high range water reducer fly ash and silica fume are obtained and they are as the constraints of the optimization problem because complex nonlinear relationship between the raw 西安建筑科技大学硕士学位论文 material usage and performance of concrete is existing the multi parameter nonlinear model between the raw material usage and performance of concrete need to be established according to taylor series using polynomial to approach it with limited experimental data in the paper the quantity of model variables is reduced to five from seven regression analysis of 47 set of experimental data is performed by statistical software the prediction equation of 28 days compressive strength and slump of high strength and high performance concrete are obtained and prediction results and experimental results are compared it is discovered that the fitting precision of the prediction equation meets demand based on strength and workability of high strength and high performance concrete its mix proportion is optimized in addition to the strength and slump prediction equation the cost equation is also taken into account the multi objective optimization function of the mix proportion design of high strength and high performance concrete is established according to sequential quadratic programming method the problem of the mix proportion design is solved by optimization toolbox in matlab the optimization result and experimental result are compared it is discovered that the optimization idea not only to achieve the performance optimization of high strength and high performance concrete and also to achieve the minimum cost of concrete considering the durability of high strength and high performance concrete the root of the cause s concrete durability problems is analyzed the material components of high strength and high performance concrete are selected the impermeability of high strength and high performance concrete is used to reflect the durability through five groups tests of high strength and high performance concrete impermeability the effect of water cement ratio silica fume and fly ash to the high strength and high performance concrete is analyzed the results of this paper will provide optimization basis of the high strength and high performance concrete for the optimization of concrete member concrete structure and even the whole piece of concrete construction and provide an optimal mixture ratio of concrete directly for the majority of engineering and technical personnel technical staff can obtain reference in the concrete materials selection the optimization result of this paper can be directly applied to high strength and high performance concrete 西安建筑科技大学硕士学位论文 structure the most basic and optimal materials can be provided to create a better project key word high strength and high performance concrete mix proportion design optimization sequential quadratic programming method nonlinear programming prediction equation thesis type basic research fund items the national natural science foundation 50978218 西安建筑科技大学硕士学位论文 i 目 录 1 绪绪 论论 1 1 1 混凝土的进化概述 1 1 2 国内外混凝土配合比发展过程 2 1 3 混凝土配合比设计方法研究进展 3 1 3 1 传统的普通混凝土配合比设计方法 3 1 3 2 高性能混凝土 hpc 配合比设计方法 4 1 4 优化设计的概述 5 1 5 高强高性能混凝土以及配合比优化设计的定义 7 1 5 1 高性能混凝土 7 1 5 2 高强混凝土 7 1 5 3 高强高性能混凝土配合比优化 8 1 6 高强高性能混凝土配合比优化设计的意义 8 1 7 高强高性能混凝土配合比优化设计需进一步研究的问题 9 1 8 论文的主要工作 10 2 高强高性能混凝土的原材料和性能高强高性能混凝土的原材料和性能 13 2 1 引言 13 2 2 高强高性能混凝土的基本组成 13 2 2 1 水泥 13 2 2 2 集料 16 2 2 3 外加剂 19 2 2 4 矿物掺合料 21 2 3 高强高性能混凝土的主要性能及其影响因素 24 2 3 1 工作性 24 2 3 2 力学性能 26 2 3 3 耐久性 27 2 4 本章小结 29 3 适用于高强高性能混凝土配合比优化设计的方法适用于高强高性能混凝土配合比优化设计的方法 31 3 1 引言 31 西安建筑科技大学硕士学位论文 ii 3 2 基于通过正交设计试验获得大量配合比试验数据的方法 31 3 2 1 正交试验设计 31 3 2 2 基于正交试验法设计高强高性能混凝土配合比试验 31 3 2 3 正交试验结果分析方法 33 3 3 基于试验数据的混凝土多指标优化方法 35 3 4 基于智能化系统的混凝土配合比优化 36 3 4 1 应用解决高强高性能混凝土配合比优化问题的 matlab 优化工具箱 37 3 4 2 用于解决高强高性能混凝土配合比优化问题的启发式算法 37 3 5 本章小结 40 4 基于性能的高强高性能混凝土配合比优化设计基于性能的高强高性能混凝土配合比优化设计 41 4 1 引言 41 4 2 基于工作性和强度的高强高性能混凝土配合比试验数据优化 41 4 2 1 试验数据的整理与处理 41 4 2 2 基于试验数据建立高强高性能混凝土多目标优化模型 46 4 2 3 多目标规划问题的 matlab 辅助计算 52 4 2 4 优化实例 53 4 3 优化配合比对高强高性能混凝土耐久性的影响 57 4 3 1 高强高性能混凝土的渗透性与耐久性的关系 57 4 3 2 适合高强高性能混凝土渗透性试验与评价方法 58 4 4 本章小结 61 5 结论与展望结论与展望 63 5 1 本论文的主要成果与结论 63 5 2 展望 64 致谢致谢 65 参考文献参考文献 67 附录附录 71 附录一 研究生期间发表的论文 71 附录二 研究生期间参加的科研项目 71 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1 1 混凝土的进化概述 最早的混凝土可以追溯到古罗马时代 但那时的古代混凝土与现代混凝土是 不一样的 古代混凝土 也就是古罗马混凝土 是一种由火山灰和石灰混合的物 质发生化学反应 生成的具有一定强度的物质 而现代混凝土存在的时间应从 1824 年算起一直到现在 在这 100 多年的时间里 水泥混凝土材料和技术经历了巨大 的变化 从新拌混凝土的性能来说 由最初的大流动性 到塑性 干硬性 由于 高效减水剂的出现 新拌混凝土具有了流动性 相对应的泵送技术发展起来 从 硬化后的混凝土的性能上看 混凝土的强度经历了由低到高再到超高的发展过程 而今 为应对建筑物对耐久性的要求 混凝土又进一步发展为高强高性能混凝土 1 3 1824 年波特兰水泥诞生 它需要通过人工配制 在配制过程中严格控制其化 学成分 煅烧至烧结温度 能够生成硅酸三钙 c3s 与硅酸二钙 c2s 等化合 物 研磨至一定细度而得的 它是在加水拌合后具有流动性与可塑性 随时间而 凝结硬化达到要求的强度和耐久性的无机水硬性胶凝材料 到 1886 年 水泥被大 规模生产 由于波特兰水泥具有取材方便 强度可控等优点 在当时被广泛应用 于各种建筑物中 后来在波特兰水泥的基础上添加了一定量的水和石子 砂子 这样就形成了最初的混凝土 此时的混凝土已经具备了一定的强度和耐久性 但 随建筑工业的发展 这种混凝土还是出现了一定的缺点 如强度不够高 耐久性 不够好 和易性不能满足要求等缺点 混凝土自产生以来就存在一个致命的缺点 就是其抗拉性能差 为解决这个 问题 有人首先在混凝土中配置钢筋 用于制作花盆和容器等 1850 年左右 钢 筋混凝土的专利权被法国人取得 后来 在钢筋混凝土这种材料的基础上 欧美 等几个国家在大量试验的基础上建立了钢筋混凝土结构的计算公式 1928 年 法 国的 freyssinet e 发明了预应力锚具 发明了预应力钢筋混凝土 充分发挥了两种 材料各自的优点 这种组合材料能够减小结构断面 增大承载能力 提高抗裂和 耐久性能 所以其被广泛应用与长跨 高耸 重载等结构中 钢筋混凝土以及预 应力钢筋混凝土技术的出现是混凝土发展的一个重要转折点 给建筑工业技术的 发展打开了一个崭新的局面 另一个混凝土材料发展的转折点就是外加剂的使用 水泥及水泥混凝土有抗 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 裂性能差 脆性大 韧性差 耐久性差等缺点 外加剂就是针对这些缺点而产生 的 20 世纪 30 年代 美国曾使用 文沙树脂 来提高混凝土的抗冻性能 1937 年美 国的 e w scxiptrit 发明了 pozzolitn 减水剂 并取得专利 20 世纪 60 年代 日本 和联邦德国研发出了 萘磺酸甲醛缩合物和三聚氰胺甲醛缩合物 也就是现在俗 称的高效减水剂 自此以后 外加剂的发展进入了一个全盛时期 羧酸类混凝土 外加剂 氨基磺酸盐类混凝土减水剂 改性萘系减水剂 减缩剂 引气剂等外加 剂相继诞生 为高强高性能混凝土的进一步发展打下了坚实的基础 随着科学技术的进步和科学生产的发展 很多建筑物需要在严酷环境下建造 如海底隧道 跨海大桥 海上采油平台以及核反应堆等 这些建筑物的材料不仅 要求高强度 还要求具有良好的耐久性 同时 这些建筑所处的环境大大增加了 施工的难度 提高混凝土材料的和易性也成为我们研究的必然 在这一背景下 高性能混凝土应运而生 1 2 国内外混凝土配合比发展过程 公元 12 14 世纪 罗马人将石灰和火山灰以 1 2 的比例进行混合 成功建造 了那不勒斯海湾 而且此建筑至今依然完好 可见石灰 火山灰胶凝材料的耐久 性是相当高的 19 世纪 30 年代 硅酸盐水泥研制成功 它的出现弥补了石灰 火山灰胶凝材 料凝结缓慢 早期强度低 天然材料品质的差异而不易控制其质量的缺点 从此 混凝土材料的主要组成材料是水泥 水 砂和石 20 世纪 30 年代到 60 年代 普通减水剂研制成功并广泛用于混凝土中 减水 剂的主要作用是保证混凝土工作性的同时降低用水量 从而提高混凝土的强度 这使得中等强度混凝土的配制成为可能 60 年代到 80 年代初 高效减水剂问世 这就使得混凝土中水灰比 w c water to cement ratio 进一步降低 高强混凝土的配制和使用成为当时的热点 然而要 配制高强混凝土 不仅需要高效减水剂 水泥的用量也相应增加 同时 人们要 求混凝土早期强度高 所生产的水泥颗粒越来越细 以致于水泥和水在混合反应 时产生大量的水化热 混凝土容易出现早期裂缝 裂缝的出现致使外界有害物质 渗透进混凝土材料和混凝土构件的内部 造成混凝土及混凝土构件的使用寿命降 低 因此 80 年代前后 许多学者提出混凝土的耐久性问题 70 年代后期至 90 年代 为了改善混凝土的耐久性 人们尝试将一些矿物掺和 料 如硅灰 粉煤灰 矿渣等 掺加到混凝土配合比中 从此我们将水泥和矿物 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 掺合料的统称为胶凝材料 水灰比也被水胶比所取代 为了获得强度高 耐久性 强 和易性好的高强高性能混凝土 混凝土组分里同时掺入了外加剂和矿物掺合 料 这种同时在混凝土组分里掺入外加剂和矿物掺合料的技术称为 双掺 技术 采 用这种技术可以配制多种多样的混凝土 粉煤灰混凝土 免振捣混凝土 商品混 凝土等 1 3 混凝土配合比设计方法研究进展 混凝土配合比设计 23 24 是指以适当比例的水泥 水 粗细骨料 外加剂和矿 物掺合料配合以获得符合工程要求和合乎规范的混凝土 混凝土配合比设计的有 两个目的 其中一个目的是要获得符合性能要求的混凝土 另一个则是在尽可能 低的成本下获得满足性能要求的混凝土 混凝土配合比优化设计的目的是得到性 能更优 造价更低的混凝土 混凝土配合比设计的任务是确定满足设计性能要求 的 经济的混凝土中各组成材料数量之间的比例关系 因此混凝土配合比设计是 一个能够使相互抵触的因素相互得到平衡的技术 以下就国内外混凝土配合比设 计方法进行介绍和分析 1 3 1 传统的普通混凝土配合比设计方法传统的普通混凝土配合比设计方法 传统的混凝土配合比设计方法是一种计算 试配法 其计算准则基于逐级填 充原理 即水与胶凝材料组成水泥浆 水泥浆填充砂的空隙组成砂浆 砂浆再填 充石子的空隙组成混凝土 设计的原则基于假定容重法或绝对体积法 计算到粗 略配合比 再按照所确定的材料用量 制备混凝土试件标准养护到 28 天 测试试 件的物理力学性能 若是测试的结果满足要求 即采用此组配合比 若是不满足 进一步调整配合比 直至混凝土性能满足要求为止 绝对体积法认为混凝土材料的 1m3体积等于水泥 水 砂和石四种材料的绝 对体积与混凝土材料中所含空气体积之和 假定容重法的原理是建立在绝对体积 法的基础上的 所不同的是假定容重法不以各种原材料的比重为依据 而完全以 混凝土拌成物经振捣密实后测定的湿容重为依据 前者较为繁琐 但是适用范围 较广 具有非常高的实用价值 后者简便易行 但需测定大量的混凝土湿容重 要有充分的经验数据 这两种方法都是以经验为基础的半定量方法 利用这两种 方法 可以配制出满足强度和工作性能要求的混凝土 配合比的设计相对简单 也比较成熟 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 1 3 2 高性能混凝土 高性能混凝土 hpc 配合比设计方法 配合比设计方法 高性能混凝土 这一概念是在 1990 年由美国 nst 和 aci 首先提出的 高 性能混凝土是指具有所要求的性能的均质性混凝土 高性能混凝土应该具备的性 能包括 流变性能 强度 耐久性 体积稳定性等 美国混凝土协会 aci 211 委员会在 使用粉煤灰和硅酸盐水泥的高强混凝 土设计指南 中提出了掺粉煤灰的高性能混凝土配合比优化设计方法 此法主要 适用于抗压强度在 41 83mpa 之间的普通混凝土 其思路是采用多组不同胶凝材 料比例和用量进行试配 从而获得最优配合比 25 法国路桥中心提出的高性能混凝土配合比设计的基本思想是 对模型材料进 行大量的试验 即对胶结浆体进行流变试验 对砂浆进行力学试验 采用此方法 可以避免直接进行大量的试配工作来获取高性能混凝土的最优配比参数 针对含有超塑化剂和矿物掺合料 且 28 天抗压强度在 60 120mpa 之间的高 强高性能混凝土的配合比设计 mehta 和 aitcin 提出了一套八步设计步骤 为了获 得适当的尺寸稳定性 即弹性模量高 徐变和干缩小 该步骤假定水泥浆体与骨 料的体积百分比确定为 35 36 基于 mehta 和 aitcin 的观点和混凝土材料组成的四项假定 1 混凝土各组 成材料 包括固相 液相和气相 具有体积可加性 2 石子的空隙由干砂浆来 填充 3 水填充干砂浆的空隙 4 干砂浆由水泥 砂 细掺料和空气所组成 陈建奎提出了全计算方法 此方法修正了传统的绝对体积法 使高性能混凝土配 合比设计从以经验为基础的半定量设计走向以科学为基础的定量设计 这是混凝 土配合比设计上的一大突破 基于 mehta 和 aitcin 的高性能混凝土配合比设计方法 韩建国等人通过建立 有效水胶比与混凝土的强度 粉煤灰水化活化因子和粗集料松堆积体积的关系 以及砂率与粗集料松堆积体积的关系 从而建立了混凝土中细集料 粗集料 胶 凝材料和水各组分之间的关系 提出了比较系统的高性能混凝土配合比设计方法 台湾科技大学的黄兆龙博士 根据颗粒堆积等材料科学原理 提出了逆填配 比设计法 刘军等通过分析混凝土的强度 流动性和经济性等方面 对比了传统 普通混凝土配合比设计法 以基准混凝土为参照的粉煤灰混凝土超量取代法和逆 填配比设计法 发现应用逆填配比设计法得到的混凝土在各方面的效果都非常好 而且逆填配比设计法尤其适用于高性能混凝土 1991 年 日本学者阪本好史研究发现 通过掺加矿渣微粉可以显著降低混凝 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 土的水化热 从而抑制混凝土的开裂 美国加州大学的 mehta 教授系统的研究了关于高强高性能混凝土实验室试验 与工程现场之间的关系和差异的问题 m j shannag 通过试验研究发现 在提高混凝土强度方面 掺加特定的火山灰 硅粉混合物比单独掺加火山灰或硅粉要好 各掺加水泥重量 15 的硅粉和火山灰 的混合物能够将混凝土的抗压强度提高到 110mpa 左右 并且混凝土的劈裂抗拉强 度 密度和弹性模量也显著增大 何锦云等人在低水灰比和高水灰比两种情况下研究了砂率对混凝土强度及和 易性的影响 通过试验研究发现 砂率对普通混凝土的和易性影响较大 但对强 度影响却较小 郭林涛等人通过试验研究了粉煤灰在不同掺量下对混凝土耐久性的影响 研 究结果表明 粉煤灰对混凝土的干缩变形 抗压强度 抗抗硫酸侵蚀性都有不同 程度的影响 罗碧丹等人研究了在水胶比和坍落度相同的情况下不同种类的矿物掺合料对 混凝土强度和耐久性的影响 研究发现 各种矿物掺合料在改善混凝土强度和耐 久性方面 硅灰最为明显 其次是粉煤灰 最差的是矿渣 针对高性能混凝土设计 陈建奎等人提出了一种全计算方法 此方法对传统 的绝对体积法进行了修正 全计算法有利于配合比设计由基于经验的设计方法向 解析的计算方法推进 李岩 郎需岭通过试验研究了硅灰 粉煤灰 矿渣粉三种矿物掺合料与高效 减水剂复掺后 复合物不同掺量对混凝土强度以及流动性的影响 结果显示 同 时掺加复合矿物掺合料和高效减水剂的方案 是到目前为止在不改变通用施工工 艺的情况下配制高性能混凝土比较可行的方法之一 多种矿物掺合料的复合效应 对高性能混凝土的强度以及耐久性均有提高的作用 硅灰与矿渣粉复掺优于单掺 矿渣的效果 但却不及单掺硅灰的效果 文献 26 38 也从不同角度研究了不同配合比对高强高性能混凝土性能的影 响 1 4 优化设计的概述 为使建筑物具有更优异的性能和更低廉的造价 很多学者提出了材料 构件 结构 乃至整片建筑优化的概念 结构优化设计的概念是 20 世纪 60 年代提出来的 经过国内外学者四十多年 西安建筑科技大学硕士学位论文 6 的不断探索与研究 优化设计的基本理论 方法及其相关技术 4 7 已趋于成熟 目 前有力学准则设计和数学规划设计两条主要途径 后者又可分为线性 非线性和 几何规划设计 数学规划设计通用性强 适用于组合材料与结构的性能表征与一 体化多目标整体优化 其中几何规划设计特别适用于目标函数和约束函数的非线 性程度高及变量和约束多的复杂结构优化问题 从提高优化效果与效率目标出发 近二十多年来 国内外学者在优化技巧与策略方面进行了广泛的研究 提出了将 模糊优化转化为普通优化 多目标优化转化为单目标优化 有约束优化转化为无 约束优化 非线性规划转化为线性或序列线性规划等许多有效方法 从 20 世纪 70 年代开始 我国大连理工大学 哈尔滨工业大学 西安电子科 技大学 西北工业大学 北京工业大学 东南大学 华中科技大学等院校的诸多 学者以团队作战精神积极组织起来 在结构优化设计的基本理论与方法及其相关 技术方面进行了深入系统的研究 取得了一系列卓有成效的成果 为我国相关领 域的科研人员开展结构优化设计的具体理论与方法及关键技术研究鉴定了基础 为了寻求结构布局与几何最优或去除不必要的构件和材料 从 20 世纪 70 年代初 国内外学者开展了结构尺寸 形状和拓扑优化设计研究 8 9 其中 前两者以结构 几何与形状尺寸参数作为设计变量 dorn dobbs shen m p bendose n kikuchi 程耿东 n olhoff 王光远 kirsch 段宝岩 刘京生等人对结构拓扑优化设计的 研究作出了重要的贡献 王光远及 kirsch 等人提出了拓扑优化的两相法 两阶段 法和优化准则类推法 段宝岩等人以内力作为设计变量构建了非线性规划 用以 求解多工况的拓扑优化问题 程耿东和 n olhoff 利用将最优拓扑问题转化为尺寸 优化问题的思路解决了弹性板的最优厚度分布问题 bendose n kikuchi 基于摄动 理论提出了著名的均匀法 voigt renss 和 budiansky 基于微结构力学的 自洽 原 理提出了各自的自洽分析法 刘京生等人提出了适用于轴对称连续结构的渐进拓 扑 形状优化法 近年来 适合于并行计算的全局搜索法结合仿生学的各种方法 基 因遗传算法 模拟退火算法 神经元网络法 极大熵原理法 开始被应用于拓扑 优化上 取得了瞩目的进展 结构拓扑优化设计研究虽然已在许多方面取得成果 但该法在实际工程中的应用以及如何将其与形状设计有机地结合并集成到cad系 统中去 还有待于今后深入系统地研究 为了考虑设计方案的忧劣 以及结构抗力 地震烈度 场地类别 计算模型 设计参数 结构在使用期内的维修费和遭受损坏带来的经济损失等模糊因素 王 光远院士等经过四十多年的研究与探索 提出了结构在模糊荷载作用下以及结构 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 双目标两层次等模糊优化设计理论与方法 10 并于 80 年代初提出了工程项目全系 统优化的概念 即将每个元素放在工程整体中来考虑其优化 以期能够达到总体 最优 后来他又提出全寿命优化的概念 认为优化应该贯穿于整个工程项目的可 行性论证 结构的选型 工程的施工 建成以后的管理等的各个阶段 基于上述 两个概念 王院士和他的学生欧进萍院士等经过近二十年的研究 已初步形成了 工程项目的 全系统且全寿命优化设计理论 1 5 高强高性能混凝土以及配合比优化设计的定义 1 5 1 高性能混凝土高性能混凝土 目前 各国学派根据实际工程的需要 对高性能混凝土的定义持有不同观点 mehta 观点认为高性能混凝土在满足一定强度的基础上主要强调其耐久性 其 次还应满足抗渗性和尺寸稳定性 mehta 强调硬化后混凝土的性能 以冈村为代表的一部分日本学派的观点认为高性能混凝土应该具有高流态 免振自密实的特点 这一观点强调的是新拌混凝土的性质 其自力成派的理由在 于 自密实混凝土自行密实 在保证施工质量的基础上还能加快施工进度 能够比较有效地降低混凝土在施工时产生的噪音污染 日本大多数学者及工业界的认为高性能混凝土必须是高强 超高强及高流态 的混凝土 这一观点首先强调的是强度 相比较以上各观点 中国很多学者对高性能混凝土做出了更全面的定义 1 2 他们认为高性能混凝土是一种高耐久性 高强度及高流动性的混凝土 其中高耐 久性是高性能混凝土最重要的一个特征 为了获得以上性能 最有效而且是最常 用的方法就是掺加超细矿物质掺合料和高效减水剂 1 5 2 高强混凝土高强混凝土 高强混凝土的一般定义是指强度等级为 c60 及其以上的混凝土 它采用的原 材料有水泥 砂 石 减水剂或同时外加粉煤灰 f 矿粉 矿渣 硅粉等混合料 并且采用一般常规工艺对其进行生产 高强混凝土在 高强混凝土结构技术规程 中的定义是 采用水泥 砂子 石子 高效减水剂等外加剂及粉煤灰 超细矿渣 硅灰等矿物掺合料以常规工艺 配制的 c50 c80 级混凝土 西安建筑科技大学硕士学位论文 8 1 5 3 高强高性能混凝土配合比优化高强高性能混凝土配合比优化 相对于高性能混凝土定义的不确定性 优化的定义要明确的多 优化的思想 贯穿人类生活 生产 学习等各个方面 而在工程中 我们将优化概念转化成精 确地数学问题 最优化方法的含义是利用数学的结果与计算机的数值计算结合的 方法去寻找一个最佳的选择 而不需列举和计算所有可能的选择 最佳的结果往 往表现为一个或是多个目标函数在满足一定约束条件下的极大或是极小 对某一工程问题进行优化 首先必须对被优化系统进行性能指标和约束条件 定义 还有就是选择优化变量 建立优化变量和性能指标之间关系的数学模型 最后利用优化方法和相应的计算机软件进行求解 影响高性能混凝土性能的因素 11 有很多 比如水泥含量 水泥强度 用水量 水胶比 石料最大粒径 砂率 细骨料的细度模数 外加剂种类以及含量等 另 外还有施工方面的因素 配合比优化设计是在充分考虑原材料性能以及掌握各种 配合原理和配制方法的基础上 确定各种原材料的最佳用量的一种手段 是材料 与性能关系在实际应用中的体现 高强高性能混凝土是由多种材料组成的多相体系 其配合比优化除了针对其 中一种因素或是两种因素变量进行设计外 更多的是要解决多种因素的变量设计 问题 归纳总结高性能混凝土的优化内容 包括以下几个方面 1 高性能混凝土材料微观结构优化 2 高性能混凝土材料宏观性能优化 主要性能包括 流变性能 力学性能 强度 弹性性能 耐久性能 干缩性能 徐变性能 热学性能 颗粒粒径分布 以上优化目标的最终结果是确定高性能混凝土的配合比 这样就将高性能混 凝土的优化设计转换成了高性能混凝土的配合比设计 配合比设计 主要是确定混凝土中各组成材料的用量 即 1m3混凝土中各 成分的质量 以单位 kg m3表示 配合比设计必须考虑的性能要求 12 1 新拌混凝土浇筑的各种参数 如工作性 运输时间 温度 坍落度损失 等 2 硬化混凝土的服役性能要求 如强度 耐久性 干缩 徐变 弹性模量 等 1 6 高强高性能混凝土配合比优化设计的意义 高强高性能混凝土 13 16 对受压构件具有显著的技术经济效益 利用它作为构 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 件的材料可以降低混凝土用量和减小构件截面尺寸 同时还能降低成本 在高层 大跨等建筑中 由于高强高性能混凝土具有早强 高强及高变形模量等优良性能 可以在减小低层梁柱的截面尺寸的同时 还能扩大建筑的柱网间距 增加建筑使 用面积和改善建筑使用功能 在桥梁结构中使用高强高性能混凝土材料可以很大 程度上的降其结构自重和提高结构刚度 进而有利于增大桥下净空和延长桥梁寿 命 而且高强高性能混凝土的密实度 抗冻性和抗渗性均比普通混凝土要好 因 此在条件恶劣的环境下 容易遭受腐蚀的结构 例如基础设施建设工程 一般情 况下常采用高强高性能混凝土 近年来 高强高性能混凝土在国内外均得到了迅 速的发展 随着我国国民经济的发展和建筑技术的进步的要求 高强高性能混凝 土将在我国的高层建筑 道路 桥梁 海港工程 大跨度及预应力结构工程中得 到广泛采用 高强高性能混凝土 17 是指采用普通的水泥 砂石为原材料 使用常规制作工 艺 通过掺加高效外加剂或同时掺加一定量的活性矿物掺合料 使新拌混凝土获 得优良的工作性 并在硬化后具有高强度 高耐久性等性能的水泥混凝土 由概 念可以看出 原材料种类 性质以及用量等因素将直接关系到混凝土的质量 成 本以及性能 因此对高强高性能混凝土配合比设计进行优化 使得混凝土的强度 更高 和易性更好 耐久性更强 造价更低已成为现今配合比设计的主要任务 1 7 高强高性能混凝土配合比优化设计需进一步研究的问题 近年来 对于混凝土配合比优化设计的研究已取得了丰硕的成果 包括 1 各种优化算法在配合比优化设计中的成功运用 2 基于性能的配合比设计的广泛研 究 3 各种混凝土配合比设计系统的成功研发 在取得上述成果的同时我们发现还 有很多亟待解决问题 下列几方面课题仍需要进一步研究 1 传统的普通混凝土配合比设计方法是一种经验性方法 随着矿物掺合料和多 种外加剂的掺入 对于组分复杂 具有多种特殊性能的混凝土 利用经验的配合 比设计方法已经很难配制出来 因此 适用于高强高性能混凝土的配合比设计方 法需要系统的进一步研究 2 很多国内外学者采用不同的原材料进行高强高性能混凝土的性能试验 在其 试验结果的基础上 对各种影响混凝土性能的因素进行研究 得到的结果也仅仅 是针对一种混凝土而已 因此 系统的总结前人的是结论 优选一组最适合高强 高性能混凝土的原材料组分仍需进一步研究 3 在普通混凝土三大主要性能中 强度和工作性的优化模型已被建立 而针对 西安建筑科技大学硕士学位论文 10 高强高性能混凝土 强度 工作性和耐久性的优化数学模型都需要系统的研究 4 目前 基于性能的混凝土配合比优化设计已经采用多目标规划法 这种方法 可以使强度 抗渗 抗冻 和易性和混凝土总费用等 5 项指标都能在一定程度上 达到优化 虽然克服了单目标优化只有一个目标函数的缺点 但其计算量是相当 大的 怎样简化回归方程 选择最有效 最合适的优化方案 使数据拟合与预测 的结果更加精确 以及优化试验方案 仍需要进一步研究完善 5 目前很多智能化优化算法已经应用到高强高性能混凝土配合比优化当中 例 如遗传算法 蚁群算法 神经网络等 但是这些方法在有其优点的同时也存在着 很多缺点 甚至使最后的优化结果不能够收敛 如何利用多种优化算法互补的优 点 针对高强高性能混凝土配合比多目标优化问题的特点 选用最适合的复合算 法 需要系统的研究 1 8 论文的主要工作 本文的主要工作是系统的探讨适用于型钢混凝土结构的高强高性能混凝土配 合比的优化 针对型钢混凝土结构的特点 强调高强高性能混凝土的性能 首先 从高强高性能混凝土的微观结构入手 利用材料微细观理论 分析高强高性能混 凝土的细观组成及其特性 研究混凝土材料的破坏机理和不同配合比与不同工艺 参数对高强高性能混凝土的微细观结构的影响 进而从微细观方面确定高强高性 能混凝土的最优配合比 通过对国内外现有对高强高性能混凝土的试验研究成果 的总结分析 建立基于性能的高强高性能混凝土配合比的优化数学模型 通过对 多种适用于高强高性能混凝土配合比设计的优化设计方法进行对比 找到最简便 优化结果最优的优化设计方法 考虑到工程情况的复杂性 对高强高性能混凝土 性能的要求也较为复杂 例如 海洋气候等恶劣环境中的型钢混凝土结构除了对 混凝土的强度有一定要求外 对抗渗性 抗冻性等耐久性问题的要求也是非常高 的 所以本文对各种要求下的高强高性能混凝土的配合比设计进行系统的总结 本文主要工作如下 1 概述混凝土及混凝土配合比设计的发展史 总结并给出了高性能混凝土 混 凝土配合比设计以及混凝土配合比优化设计的概念 指出研究高强高性能混凝土 对高强高性能混凝土配合比进行优化设计的意义 2 结合国内外关于高强高性能混凝土配合比优化设计的研究进展 分析总结现 有研究成果 对比优化设计方法 提出更适合高强高性能混凝土配合比设计的优 化方法 西安建筑科技大学硕士学位论文 11 3 分析高强高性能混凝土对组成材料的特殊要求 总结国内外研究成果 讨论 混凝土组成成分的不同和掺量的不同对高强强高性能混凝土性能的影响 4 利用正交试验法对高强高性能混凝土试验方案进行设计 5 总结本科研组和国内外高强高性能混凝土配合比的试验数据 利用统计软件 对这些数据进行相关性分析和回归分析 建立高强高性能混凝土配合比优化设计 的非线性回归预测模型 利用序列二次规划法对模型进行求解 西安建筑科技大学硕士学位论文 12 西安建筑科技大学硕士学位论文 13 2 高强高性能混凝土的原材料和性能 2 1 引言 混凝土的宏观性能取决于材料的组成和内部结构 40 41 从内部结构上看 混 凝土是由粗的粒状材料镶嵌于坚硬的基质材料中所组成的多相复合材料 也可以 看做是基质材料填充于颗粒之间的空隙 并将颗粒胶结在一起 组成混凝土的原 材料的种类和用量的不同将直接影响混凝土的内部结构和性能 通过选择合适的 原材料 优化配比参数来提高混凝土的强度 耐久性和工作性是高强高性能混凝 土配合比设计的关键 如图 2 1 所示 42 本章阐述了高强高性能混凝土的基本组成 高强高性能