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混沌分析范文1
关键词:混沌序列; 离散化; 敏感性; 混沌序列
中图分类号:TP391 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)10-0043-03
Comparison and Analysis on Some Chaos Sequence Generators
ZHAO Yu-xia, FAN Jing-bo
(Shangluo University, Shangluo 726000, China)
Abstract:Some chaos sequence generators with better performance is introduced andthe method of binary sequence generated by the chaotic mapping is improved. Some common used chaos sequence generators are compared and analysed. Both Logistic mapping and Hybrid mapping are the better ones. Chaos sequence has the features of feasible generation,sensitivity to initial conditions and complete reappearance.Many image scrambling encryption arithmatics use the chaos sequence based on the above features.
Keywords:chaos sequence; discretization; sensitivity; chaos sequence
随着计算机的广泛应用以及网络通信技术的迅速发展,越来越多的信息都借助计算机网络进行传输,因而数据信息的保密储存与传输就显得十分重要。混沌动力系统对初值依赖的确定性和敏感性[1-5],使得混沌序列作为信息存储或传输中的随机加密成为可能。
1 混沌序列
混沌序列是一种伪随机序列。伪随机的意思表面看起来很随机,但其实是确定的序列。所谓“确定序列”是指:如果知道规则,可以一个不漏地写出以后的全部序列(例如:1,4,9,16,25,36,…)。出于某些目的(例如扩频通信),需要随机序列,但从可操作的角度来说(收发必须要用完全相同的序列),需要做出这样的序列,它“看上去很随机”,但实际上是用不太复杂的规则以确定的方式产生的。这样的序列叫伪随机序列或者伪码。混沌动力系统在一定的控制参数范围内和给定的初始条件下,运动是确定的,但该运动的长期状态对初始条件极为敏感,即使初始状态有非常小的差异也会导致产生不同的混沌序列。
2 几种常用的混沌序列生成器
在图像置乱加密算法中常用的几种混沌序列生成器有Logistic映射、Hybrid映射、Optically bistable(光学双稳)模型和Chebyshev映射。
2.1 Logistic映射
Logistic映射是一种非常简单却被广泛应用的混沌序列生成器。混沌系统表述为:
xk+1=μxk(1-xk)(1)
式中:3.569 946≤μ≤4系统初值,x0∈(0,1),本文取μ=4。这样Logistic映射可以定义在(0,1)上,相应地得到定义在(0,1)上的伪随机序列是{xk,k=0,1,2,…)。对其进行非线性离散化,设{sk,k=0,1,2,…)为由混沌序列{xk,k=0,1,2,…)经离散化得到的0,1序列,sk的值由混沌序列xk和0.5比较而得,当xk
2.2 Hybrid映射
Hybird映射是一种新的混沌序列生成器[2],混沌系统表述为:
xk+1=b(1-μ1x2k),-1
1-μ2xk,0
本文取μ1=1.8,μ2=2.0,b=0.85时,映射处于混沌态。 这样,Hybird映射可以相应地得到定义在(-1,1)上的伪随机序列是{xk,k=0,1,2,…)。对其进行非线性离散化,设{sk,k=0,1,2,…)为由混沌序列{xk,k=0,1,2,…)经离散化得到的0,1序列,sk的值由混沌序列xk和0.5比较,当|xk|
2.3 光学双稳模型
该模型可用一个一维非线性迭代系统来描述:
xk+1 =Asin 2(xk-B)
本文取A=4, B=2.5时,系统处于混沌状态。给定该系统的初值x0,进行迭代运算,相应得到的伪随机序列是{xk,k=0,1,2,…)。对其进行非线性离散化,设{sk,k=0,1,2,…)为由混沌序列{xk,k=0,1,2,…)经离散化得到的0,1序列,sk的值由混沌序列xk与2.5A/3比较而得,当xk>2.5A/3时,sk=1;否则sk=0。
2.4 Chebyshev映射
在此,采用4阶的Chebyshev映射模型,用如下的方程表示:
xk+1=cos(4cos-1xk)
给定该系统的初值x0,进行迭代运算,得到的伪随机序列为{xk,k=0,1,2,…)。对其进行非线性离散化,设{sk,k=0,1,2,…)为由混沌序列{xk,k=0,1,2,…)经离散化得到的0,1序列,sk的值由混沌序列xk和0比较而得,当xk>0时,sk=1;否则sk=0。
3 几种混沌序列生成器的比较分析
3.1 几种混沌序列生成器中实值混沌序列的比较
一个混沌序列的性能,主要看它的随机性和它对初值的敏感程度[2,4-5,8]。随机性指生成的序列没有规律,即生成的散点图越散乱越好;初值的敏感性指即使初值有非常小的差异也会产生不同的混沌序列。
图1 4种混沌序列生成器生成的混沌序列的随机性和初值敏感性
图1为4种混沌序列生成器生成的混沌序列中随机性和初值敏感性的对照。其中,横轴为k的值,纵轴为xk 的值;“+”表示初值为0.7的部分混沌序列;“.”表示初值为0.700 001的部分混沌序列。
由图1可以看出,Logistic映射与Hybird映射生成的混沌序列比较散乱,并且在迭代几次后,初值虽然相差很小(仅有0.000 001),却出现了明显的分叉现象;Optical bistable映射生成的混沌序列出现了扎堆现象;Chebyshev映射生成的混沌序列不是很散乱,而且在经过很多次迭代后才出现分叉现象。显然Logistic映射与Hybird映射生成的混沌序列有很好的随机性和初值敏感性。
3.2 混沌序列生成0,1序列的随机性比较
二值序列的比较主要看其频数检验和序列检验。初值为0.7的计算结果见表1、表2。在频数检验时,保证序列中0和1的个数大致相等,这是二值序列具有随机性的最基本保证,其中n0为0的个数;n1为二值序列中1的个数;n为二值序列的长度。
x21 = (n1 -n0 )2/n2
在序列检验时,对所得二值序列内00,01,10,11(二维均匀性)出现的次数进行统计, 其中 nij,i,j∈{0,1}表示二值序列中“ij”的个数。
x22 = 4n-1∑1i = 0∑1j = 0n2ij -2n∑1i = 0(n2i+ 1)
由表1和表2可以看出,Logistic映射产生的二值序列中频数检验和序列检验的值最小,因此随机性最好。Hybrid映射产生的二值序列中随机性次之,但复杂度较高,因是一种较新的混沌序列生成器,所以密码分析更加困难,它较Logistic映射产生的混沌序列安全。
3.3 两种映射的非线性离散化的改进
上面所提到的非线性离散化方法比较普遍,而且产生的二值序列化成十进制数容易扎堆[5]。
鉴于此,文献[5]中给出了Logistic映射的非线性离散化改进算法,即利用不同的初值生成两个混沌序列{xk},{yk},k=0,1,2,…。sk的值由混沌序列xk和yk比较,当xk
其中,传统算法中混沌序列的初值取0.7, 改进算法中混沌序列的初值分别为0.9和0.8。Logistic1,Hyirid1为改进后生成的序列。
对改进后产生的二值序列进行频数检验和序列检验,其结果甚至优于传统的方法,说明得到的二值序列和二值序列化成整数后的序列具有很好的随机性。改进后使算法更加复杂,但安全性有了进一步的改善。
表1 4种混沌序列二值序列长度为10 000时的随机性
方法0的个数1的个数00的个数01的个数10的个数11的个数频数检验序列检验
Logistic4 9805 0202 4842 4952 4962 5241.6×10-5-0.811 3
Hybrid5 0864 9141 7843 3013 3011 6132.958 4×10-41.029 2×10-3
Optically4 8965 1044 1137827834 3214.326 4×10-44.722 1×10-3
Chebyshev6 5903 4103 1813 4093 40900.101 12.334 6×10-3
表2 4种混沌序列二值序列长度为20 000时的随机性
方法0的个数1的个数00的个数01的个数1 0的个数11的个数频数检验序列检验
Logistic9 99510 0054 9735 0225 0224 9822.5×10-7-0.601
Hybrid10 2019 7993 6466 5556 5543 2444.040 1×10-41.941×10-3
Optically9 59910 4018 0561 5431 5438 8571.608×10-39.590 8×10-3
Chebyshev13 2206 7806 4406 7796 78000.103 74.607×10-3
表3 2种混沌序列改进前后二值序列长度为10 000的随机性
方法0的个数1的个数00的个数01的个数1 0的个数11的个数频数检验序列检验
Logistic4 9805 0202 4842 4952 4962 5241.6×10-5-0.811 3
Logistic15 0254 9752 5292 4952 4952 4802.5×10-5-0.734 0
Hybrid5 0864 9141 7843 3013 3011 6132.958 4×10-41.029 2×10-3
Hybird14 9865 0141 8603 1253 1261 8887.84×10-66.256 4×10-2
表4 2种混沌序列改进前后二值序列长度为20 000的随机性
方法0的个数1的个数00的个数01的个数1 0的个数11的个数频数检验序列检验
Logistic9 99510 0054 9735 0225 0224 9822.5×10-7-0.601
Logistic110 0179 9834 9875 0305 0294 9532.89×10-6-0.234 2
Hybrid10 2019 7993 6466 5556 5543 2444.040 1×10-41.941×10-3
Hybrid19 98710 0133 7466 2416 2413 7711.69×10-61.231 7×10-3
图2 二值序列以8位为单元化成整数后的随机性比较
4 结 语
在此,将几种常用的混沌序列生成器进行了比较分析,其中Logistic映射最简单,具有很强的初值敏感性,产生的序列随机性最好,但正是由于它的形式简单和使用广泛,所以不安全,易于攻击;Hybrid映射产生的序列次之,但Hybrid映射形式较复杂,又是一种新的混沌序列生成器,所以安全性更好。可根据具体情况选择合适的混沌序列生成器,也可以像文中那样对现有算法进行改进,以此来加强算法。混沌序列具有易生成性、对初始条件强敏感性、可完全重现性等特点,用于图象置乱将是一种安全有效的方法。
参考文献
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混沌分析范文2
关键词:图像加密;混沌序列;加密;Logistic映射
中图分类号:TP309文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)36-10244-02
The Analysis and Realization Based on the Algorithm of Chaotic Stream Cipher
ZHANG De-sheng
(Huanghuai University Department of Computer Science, Zhumadian 463000, China)
Abstract: In order to obtain an image encryption algorithm based on Chaotic Stream, we propose an Chaotic Stream symmetric encryption algorithm to encrypt digital images, and design a symmetric encryption algorithm of chaotic Stream based on Logistic mapping model to realize the chaotic encryption and decryption of digital image. The experiment show that the algorithm is not only simple, but good security.
Key words: image encryption; chaotic stream; encryption; logistic mapping
1 混沌概述
混沌现象是指在非线性动态系统中出现的确定性和类似随机的过程,这种过程非周期、不收敛,但有界,并且对初始值和外部参数有极其敏感的依赖性,即初始条件的微小差异会随着时间的推移,以李雅普诺夫指数规律相互分离,最终变成运动轨迹或特性完全不同的2条轨迹。混沌是一种复杂的动力学系统,可以提供数量众多、非相关、类随机、易于产生和再生的信号,并且只要一个映射公式和初始值就可以产生混沌序列,不必存储各个序列点的值。混沌之所以能被用于加密技术,是因为其具有如下独特性质:
1) 内在随机性:它与外在随机性的不同之处在于,混沌系统是由完全确定性的方程来描述的,无需附加任何随机元素,但系统仍会表现出类似随机性的行为。
2) 对初始条件的敏感依赖性:只要初始条件稍有差别或微小扰动就会使系统的最终状态出现巨大的差异。
3) 长期不可预测性:由于初始条件的微小差异可能对以后的时间演化产生巨大的影响,因此不能长期预测将来某一时刻的动力学特性。
4) 确定性:混沌是由确定性系统产生的,是一个真实的物理系。当我们取相同的初值时,产生的混沌序列是一定的。
5) 遍历性:混沌变量能在一定范围内按其自身规律不重复的遍历所有的状态。
混沌是确定系统中出现的类随机现象,混沌系统具有对初始条件和系统参数的极端敏感性,以及混沌序列长期演化结果的不可预测性,这些特性使得混沌系统极具密码学价值,非常适用于序列加密。
2 混沌序列加密思想
混沌序列加密的基本原理是利用混沌系统产生的混沌序列作为加密密钥序列,利用该序列对明文进行加密,密文经信道传输,接收方利用同样的混沌系统产生的解密密钥把明文提取出来,实现解密。也就是说混沌序列加密的关键,就是利用混沌序列做出密钥流生成器,混沌序列加密算法主要研究混沌密钥流的生成算法。
混沌系统是确定性非线性系统产生的类似随机性的行为,它属于确定性系统而又难于预测。混沌系统对初值和系统参数极端敏感,相同的混沌系统在具有微小差别的初始条件下,系统的长期行为将发生巨大的变化;混沌系统的长期行为不可预测;混沌本身是一个确定性非线性系统产生的类似随机性的行为,只要系统参数和初始条件给定,混沌现象本身可以重复;混沌具有伪随机性,类似噪声。
利用混沌系统,可以产生周期无限长、非相关、类似噪声、又确定可以再生的混沌序列,这种序列难于重构和预测,从而使敌方和非法入侵者难于破译,非常适合应用于信息的加密,其随机性、抗破译能力均优于传统的随机序列。这些我使得混沌序列能够成为一种优秀的加密序列,产生非常好的加密效果。
3 混沌序列加密方法设计与实现
3.1 混沌序列加密方法和特点
首先,利用混沌系统产生序列,再对混沌序列进行适当的处理,然后利用处理后得到的序列与明文进行作用,得到密文。密钥为混沌系统的初始值或系统参数。
为了取得更好的加密效果,我们可以利用多种混沌系统对同一明文进行多次加密,还可以利用经典密码学的方法对序列进行加密处理,从而提高加密效果,极大地增加非法入侵者破译的难度。解密是加密的逆过程,我们可以利用密钥产生混沌序列,与密文进行相互作用从而恢复出明文信息。
混沌序列加密方法的特点是:
1) 有非常好的随机性,类似噪声,难于和破译,其随机性远远优于传统的随机序列发生器产生的随机序列。
2) 密钥空间大,混沌系统一般有多个参数。
3) 混沌系统难于重构,因此,混沌序列也难于重构,从而抗破译能力比传统的随机序列发生器产生的随机序列强。
4) 混沌序列产生方便,与非线性反馈移位寄存器相比,提供了更大的灵活性。
3.2 混沌序列加密方法设计与实现
Logistic序列的遍历统计特性等同于零均值白噪声,具有良好的随机性、相关性和复杂性,使得对其进行正确的长期预测不可能,可用于信息加密。
假设{Pn}是明文信息序列,{Kn}是密钥信息序列,由Logistic方程迭代产生后进行处理后所得,{Cn}是密文信息序列。
加密算法设计为:{Cn}={Pn}{Kn}
解密算法设计为:{Pn}={Cn}{Kn}
基于Logistic混沌映射的加密原理图如图1所示,解密过程是加密的逆过程。初始值x0和u是Logistic方程的参数,同时是加密系统的密钥参数。
因为混沌系统对初始条件的敏感依赖性,对于仅有微小差别的初值,混沌系统在迭代了一定次数后便会产生截然不同的混沌序列。为了使相近初始值的混沌序列互相间更加不相关,本方案的混沌序列经过1000次以上迭代后取值,可以有效地放大误差使得对初始条件的攻击无效,是加密效果更好,安全性更高。由于加密的是数字量,所以必须使用一种方法将这个由实数构成的序列{Xn}映射成由整数构成的伪随机序列来充当加密密钥。这种映射中最简单的一种莫过于选取Xn小数点后的几位有效数字构成整数。
4 软件仿真结果
以Logistic为例研究用离散混沌系统产生混沌序列,对文本、图像信息进行加密解密仿真。程序界面如图2所示。
4.1 对文本文件加密解密
取密钥参数u=3.8999,x0=0.736,加密解密文本文件仿真结果如图3,a为加密前的明文,b为加密后的密文,c为正确解密的明文。由于混沌系统对初始条件敏感依赖性,所以改变x0=0.7361,解密后的明文如图d)。可见,即使密钥存在细微的差别,也不能够对密文正确地解密。
a) 加密前的明文 b) 加密后的密文 c) 解密的明文 d) 错误密钥解密的明文
图3文本文件仿真结果
4.2 对图像文件加密解密
对一幅256×256Lena图像进行加密解密仿真结果如图4所示。a)是原始图像,加密后的结果如图b)所示,采用相同的密钥解密后的结果如图c),当密钥存在微小的差别时,解密后的结果如图d)所示。
a) 加密前的图像 b) 加密后的图像 c) 正确解密后的结果 d) 错误密钥解密的结果
图4Lena图像仿真结果
5 安全性分析
因为Logistic是最简单的一维混沌映射,实现非常简单,所以该加密方案具有很好的运算速度。因此,在实时性要求高的情况下可以采用Logistic映射的混沌加密方案。与现有的序列密码加密方法相比,基于混沌系统的序列密码加密方法可以说是一种安全性较高、有效的加密方法。
由于有限精度效应造成的短周期现象,低维混沌序列的保密性是不够的。混沌序列的有限精度实现是决定它能否在实际中应用的关键。
参考文献:
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混沌分析范文3
关键词：LMS；步长；非线性函数模型；自适应CS-LMS算法；混沌通信
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)16-3867-02
An Improved Adaptive CS-LMS Algorithm and its Performance Analysis in Chaotic Communication
SONG Guo-dong, ZHANG Huai-yuan
(Electronic and Information Engineering College of Southwest University , Chongqing 400715,China)
Abstract: CS-LMS algorithm provides faster convergence and higher flexibility than the normalized least mean square (NLMS) by mini? mizing the Lagrangian function. This paper, in order to solve adaptive filter’s conflict of gaining the fast convergence speed and low steady state error, a non- linear functional model between step size and signal error will be established, and we will continue to apply this new al? gorithm to chaotic communication. Simulation results present the proposed algorithm enhances the speed of convergence and quality of sta? bility distinctly.
Key words: LMS; step size; a non- Linear functional model; adaptive CS-LMS filter; chaotic communication
该文给出的改进的CS-LMS算法,是在步长参数μ与误差信号e(n)之间建立了一种新的非线性函数关系,该算法与传统LMS和CS-LMS算法自适应滤波算法相比，具有较快的收敛速率并且在高信噪比下稳态误差方面表现的比较优越，但在仿真中也发现，非线性函数中的参数对算法性能有着决定性的影响，所以一定要结合实际情况合理选择各类步长参数。
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混沌分析范文4
关键词：桥墩混凝土；裂缝；
Abstract: This paper mainly on concrete piers in the process of construction the reasons caused the cracks are analyzed, and puts forward the corresponding prevention measures.
Key words: concrete cracks in bridge piers;
中图分类号：TU45 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
1、引言
随着经济的发展与科学技术的进步，全国各地兴建了大量的混凝土建筑，桥梁的兴建更是遍地开花，但是许多混凝土桥墩在施工中出现了不同程度、不同形式的裂缝一直困扰桥梁工程技术人员。为了进一步加强对桥梁桥墩混凝土裂缝的认识，尽量避免工程中出现危害较大的裂缝，本文对混凝土桥墩裂缝的原因作了分析、总结，并提出了在实际施工中具有可操作性的预防措施和处理方法。
2、桥墩混凝土裂缝主要类型及成因
混凝土是一种多相体，它具有抗压极限强度较高、耐久性良好的优点，又具有抗拉强度较低，受拉时抗变形能力小，容易开裂等缺点。混凝土结构所产生的裂缝原因大致可分为以下三种：
1)由外荷载（如静、动载荷）的直接应力所产生的裂缝；
2)由结构的次应力（弯矩及切力）引起的裂缝；
3)变形变化所产生的裂缝，即主要由温度、收缩、不均匀沉降或膨胀等因素而引起的裂缝。
根据工程实践中来看，桥墩裂缝成因很小一部分由荷载引起的，其余大部分桥墩裂缝的成因是由变形变化引起的。变形所产生的裂缝又分为温差产生的裂缝和收缩所产生的裂缝。温差所产生的裂缝如外界温度骤然变化及混凝土水化热不均所产生的裂缝；收缩裂缝所产生的裂缝有干缩、塑性收缩、碳化收缩及自收缩等产生的裂缝。
2.1温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或内部温度发生变化，混凝土将发生变形、若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土的抗拉强度时即产生温度裂缝。引起温度变化的主要因素有年月温差、日照差别、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工措施不当等。
在以上产生裂缝因素中影响最大的就是水化热引起的温度变化，水化热就是水泥在水化过程中放出的热量使混凝土体内温度上升，与混凝土体外形成温差，导致出现裂缝。由于混凝土体积大，聚积在混凝土内部的水化热不易散发，使得混凝土内部温度显著升高，体积膨胀，由于混凝土的导热性能较差，而混凝土外部却随气温降低而冷却收缩，混凝土内部膨胀与外部收缩这两种作用相互抵制，使外部混凝土产生很大的拉应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种抗拉应力时，便出现裂缝。如果此时混凝土表面不能保持潮湿的养护环境，则混凝土表面由于水分蒸发较快而使初期的混凝土产生干缩，将加速裂缝的产生。
2.2收缩引起的裂缝
在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的，在混凝土收缩种类中塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和碳化收缩。
1)塑性收缩裂缝
发生在施工过程中、混凝土浇筑后4-15小时左右，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，此时骨料与胶合料之间产生不均匀的沉缩变形。都发生在混凝土终凝之前，即塑性阶段，称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大，可达1%左右。常在浇筑大体积混凝土后4-15小时内，在表面上，特别在养护不良的部位出现龟裂，裂缝无规则，既宽又密，属于表面裂缝。由于收缩的作用，这些裂缝往往沿钢筋分布。
2) 缩水收缩（干缩）
混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。
3)自生收缩
自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的（即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土），也可以使负的（即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土）。
4)碳化收缩
大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。谈话收缩只有在湿度50%左右才能发生，且随二氧化碳的浓度的增加而加快。
混凝土收缩裂缝的特点是大部分属于表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。
2.3约束条件的影响
约束条件是指各种结构物在变形变化中所受之约束而阻碍其变形。桥梁桥墩的外部约束指桥墩的边界条件如桥墩承台、桥墩模板等对桥墩混凝土变形的约束。
当桥墩承台与桥墩混凝土浇筑间隔时间较长，桥墩混凝土收缩变形时承台即阻碍桥墩混凝土的收缩，当其所产生拉应力超过混凝土抗拉强度时，桥墩便产生裂缝。承台约束所产生裂缝一般在桥墩中心附近，为竖向裂缝。
桥墩混凝土浇筑初期，桥梁桥墩模板对其起约束作用。若拆模较早，释放了混凝土所受握裹力，混凝土向外放张，若所受拉应力超过混凝土的抗拉强度时，即产生裂缝。
3、温度应力的分析
3.1温度应力的形成
1)早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。
2)中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化不大。
3)晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起的，这些应力与前两种的残余应力相叠加。
3.2温度应力的分类
1)自生应力：边界上没有任何约束或完全精致的结构，如果内部温度非线性分布的，由于结构本身相互约束而出现的温度应力。
2)约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。
这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用，从而产生裂缝。
4、桥梁桥墩混凝土裂缝的预防
桥梁桥墩混凝土的非受力裂缝会严重降低桥墩混凝土结构的整体性和耐久性。现在对于工程质量要求越来越严格，一般要求桥墩上少出现、甚至不允许出现非受力裂缝，这样就必须加强对桥梁桥墩混凝土裂缝的预防。由于桥墩混凝土裂缝的主要原因为水化热、骤然降温、日照及收缩等，因而主要针对降低混凝土水化热、防止温度骤变、减少收缩及提高混凝土抗裂能力等方面着手。
4.1加强温度控制、降低水化热
1)采用改善骨料级配，用干硬性混凝土，掺混合料，加入引气剂或塑化剂等措施减少混凝土中的水泥用量；减少水泥用量对水化热的降低具有重要作用，首先征得设计同意，混凝土按照为60天抗压强度进行试配，通过几十组试配，最终来确定是你用量。
2)拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇注温度。
3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；
4)在混凝土中埋设冷却水管，通入冷水降温；通过冷却水循环，降低混凝土内部温度，减小内外温差。在混凝土内部合理布置测温点，埋设测温传感器，及时通过测温点监测内部温度，掌握混凝土内部各测点的温度变化，以便及时调整冷却水的流量，控制温差，确保混凝土内外温差小于25℃，混凝土终凝后，方可通水循环，冷却水管使用完毕后，需要压注水泥浆封闭。
5)规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免混凝土表面发生急剧的温度梯度。
6)施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施；应采用草帘子覆盖或采用塑料布覆盖，以减少表面热量的散发。
4.2加强养护管理
每次混凝土浇筑完毕，应及时按温控措施的要求进行保温养护，并应符合以下规定：
1)保温养护措施应能使混凝土浇筑块体的内外温度及降温速度满足温控指标的要求；
2)保温养护的持续时间应根据温度应力（包括混凝土收缩产生的温度应力）来确定，但养护时间不小于15天，保温覆盖层的拆除应分层逐步进行；
3)在保温养护过程中应保证混凝土表面的湿润。保温养护是大体积混凝土施工的关键环节，其目的主要是降低桥墩混凝土浇筑块体的内外温差，以降低混凝土块体的温度应力；其次是降低桥墩混凝土浇筑块体的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土块体承受温度应力时的抗裂能力，达到防止或控制温度裂缝的目的。施工人员应根据事先确定的温控指标的要求，来确定桥墩混凝土浇筑后的养护措施。
在混凝土内部及表面合理布置布设测温点，加强温度观测，并根据大气条件，随时了解混凝土浇筑后温度的升降情况，掌握混凝土内外温差变化，及时采取增减覆盖物等措施，以便将混凝土内外温差控制在25℃以内。
5、结束语
对于混凝土桥墩工程，尤其是铁路混凝土桥墩，往往属于大体积混凝土工程，出现裂缝的情况较多。只有在工程施工中有针对性地采取有效的防裂措施，才能有效的较少或避免混凝土的开裂。但混凝土桥墩裂缝的形成原因相当复杂，还须所有工程技术人员对其作进一步的探讨，并提出更有效的控制措施。
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混沌分析范文5
【关键词】桥梁墩身;混凝土开裂;防治措施
混凝土是建筑工程中使用最为广泛的一种材料，混凝土自身的耐热性、耐腐蚀性、高强度等优良特性，都很好地契合了施工的需求，因而在近些年得到了广泛的使用。但是在桥梁的施工过程中，施工环境相对复杂，常出现因施工不当、养护管理不善而引发的混凝土开裂现象。这种情况出现的比较普遍，不仅影响了桥梁的正常使用，而且降低了桥梁的使用寿命。混凝土自身一旦出现开裂的情况，此时进行维修成本相当高，而且施工的难度进一步加大。面对这种现状，我们必须及时发现导致混凝土开裂的原因，从而做出相应的防治措施，尽可能避免出现混凝土开裂的情况。
一、常见的混凝土裂缝形式
混凝土出现裂缝对于桥梁墩身而言是常有的事，但是裂缝的种类也是多种多样。不同的桥墩类型，不同的部位，出现的裂缝形式就会有所差别。以下主要分析几种常见的裂缝。
1）纵向深层裂缝
纵向深层裂缝在桥梁中很常见，一般这种裂缝都是贯穿整个桥墩，桥墩的一个地方出现，那么整个桥墩都会出现。纵向深层裂缝产生的影响很广。而且该裂缝出现的比较对称，比较有规律，在拆模十天之内就就可以发现，如果在10天之内没有发现，以后也不会产生这类裂缝。裂缝的宽度一般都在0.2mm以上、深度也超过10cm。
2）龟裂
龟裂一般出现在混凝土的表面。龟裂出现在拆模之后的一段时间内，龟裂的裂缝的宽度很小，一般都在0.2mm以内，这需要仔细检查才能发现。这种裂缝看似裂缝很小，但是产生龟裂的面积大，严重影响桥梁的质量和使用寿命。
3）纵向、环向裂缝
纵向、环向裂缝出现的地方比较有限，但是它也很容易出现。这种裂缝只出现在墩身护面钢筋的外侧，这可能跟钢筋外侧的自身环境、受力等多种因素有关。缝宽在0.2mm以上，长度不等，裂缝的深度与钢筋保护层的厚度有关，二者之间呈正比关系。总的来说，这种裂缝出现的比较少，实行控制措施也比较简单。
二、混凝土开裂的原因分析
混凝土在施工的过程中容易受到多种因素的影响，而使其产生开裂的现象。混凝土一旦出现开裂的情况，就会对桥梁的使用产生很严重的影响。仔细探究混凝土开裂的具体原因，这一点对于相应的防治措施的采用十分关键。
1）水泥水化热的影响
水泥是混凝土配制过程中一种必不可少的原料，而且水泥的量直接关系到混凝土的质量。水泥进行水化的时候，该过程会产生大量的热，此时混凝土内部的温度急剧升高。温度升高持续有一段时期，一般维持在浇筑后的一星期左右。温度的升高对混凝土的性能有很大的影响。混凝土内部和表面的散热条件是不同的，但是整体的温度很高，因为散热程度不同，因而容易形成温度梯度。温度梯度的形成，内部就容易产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力一旦超过界限值，此时混凝土表面就会出现裂缝。
2）混凝土收缩
混凝土自身有一定的收缩性。混凝土在空气中凝结过程中出现的体积减小的现象就称为混凝土收缩。混凝土的收缩是不可逆的。而一旦在收缩的过程中受到外力的作用，此时的开裂现象就比较明显。混凝土收缩现象是一种自然的现象，但是在混凝土收缩的过程中出现裂缝，就需要格外引起注意，对整个过程加以严格的控制。在此过程中产生的裂缝主要分为三种：塑性收缩、干燥收缩、温度收缩，根据受到的外来条件的不同主要分为这三大类。
3）外界气候温度变化的影响
现如今，空气污染的进一步加剧，人们生活的气候变化也更加反复无常。春夏秋冬经常随机播放，如此一来，巨大的温差必然会对混凝土的质量产生较大的影响。除了混凝土内部引发的裂缝，外界环境的变化也是引发混凝土开裂的一大重要原因。外界温度越高，混凝土浇筑时的温度就会越高，外界的温度越低，混凝土浇筑时的温度就会越低，如此一来，就容易形成温度梯度，进而演变成混凝土裂缝。外界温度的变化与混凝土裂缝有着直接的联系，因而在混凝土配制和施工的过程中要格外注意。
三、混凝土裂缝的防治措施
混凝土出现裂缝已经成为了各大桥梁的通病之一，这也严重影响了混凝土自身的质量。在现有的发展情况下，积极采取应对措施，解决混凝土开裂的问题，已经成为了我们首要解决的问题。以下就主要分析几种常见的控制措施。
1）严格控制混凝土配比
混凝土配制比例的确定需要事先经过仔细地实验，多次确认无误之后再确定。混凝土配制过程中使用的原料种类比较单一，但是每种原料都是缺一不可，发挥的作用也无可取代。在保障混凝土自身性能满足设计要求的前提下，合理地选择需要使用的原料。尽可能降低混凝土的单位用水量和水泥用量，对于需要使用的混凝土骨料也要进行严格控制。由于混凝土开裂很大程度与水泥水化热有关，因而选择水泥时尽可能选择那种大坝水泥，这种水泥产生的热量比较少，放热速度也比较缓和，比较符合桥梁中混凝土的要求。使用的骨料尽可能选择质量好，碱活性小的。此外，减少水泥的用量，也是一项十分关键的措施。我们可以通过加入煤灰、减水剂等低碱或无碱外加剂来减少水泥的用量。这样不仅提升节约了水泥，而且提升了混凝土的使用性能。
2）混凝土施工过程中的控制措施
混凝土的施工工序比较复杂，要在整个施工过程中进行控制，就必须加强对整个施工过程的监管。①控制钢筋施工不当而引起的裂缝。混凝土施工之前必须要处理好钢筋这一道工序，而且钢筋施工的效果就直接影响到混凝土的质量。整个过程必须要搭设工作平台，避免在工作的过程中对固定的钢筋产生影响。进一步提升钢筋结构的稳定性。②增加构造钢筋数量。钢筋的数量会对混凝土的施工效果产生一定的影响。桥梁墩身本身就是一除容易出现裂缝的地方，针对这种情况，我们可以在墩身下部容易开裂的部位增加小直径、小间距的构造钢筋，以此来提升混凝土的抗裂性能，从而减少裂缝的出现。③控制混凝土入模温度。温度对混凝土的性能影响很大，因而在浇筑混凝土的时候，要严格控制模具的温度。夏天施工的时候尽可能避开炎热的天气，实在无法避免的情况下，可以相应减少混凝土的搅拌次数。在冬天浇筑时为了确保温度满足要求，可以适当增加混凝土搅拌次数，提升混凝土自身温度。④混凝土的养护。混凝土的养护措施很关键。尤其是在拆模之后的一段时间内，合理的养护措施对于提升混凝土性能有很大的帮助。
结语：综上所述，桥梁墩身出现混凝土开裂的情况比较普遍，但是这个问题的存在也严重降低了桥梁的使用质量，因此我们必须根据现状采取相应的防治措施，严格控制混凝土的配比，加强对施工过程的监管和控制，逐步提升混凝土的施工质量，从而提升桥梁的质量和使用寿命。
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混沌分析范文6
【关键词】桥梁墩柱；混凝土；外观质量
中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号：
前言
随着我国加入WTO 组织,建筑产品国际化进程的加快,人们的观念不断更新, 社会对建筑产品的要求越来越高,“外观质量”以其可见性和观赏性引起了建设业主和社会各界的高度重视和追求。为提高建筑产品的质量,创造精品工程,打造品牌,增强市场竞争力,企业采取了各种提高工程质量的管理方法及施工工艺。因此,必须认真分析桥梁墩柱混凝土外观质量存在的问题,并提出相应的处理、控制措施。
墩柱外观质量存在的问题
1、混凝土表面泌水起砂
产生混凝土表面泌水起砂的主要原因是:
（1）墩柱模板加工的精度不够；（2）模板因周转次数多局部变形,导致接缝不严密而漏浆；（3）混凝土配合比不准确；（4）混凝土浇筑时间较长,搅拌时间短,没有拌和均匀,振捣不密实或产生漏振；（5）模板加固不牢或地基不坚实, 支撑刚度不够造成模板下陷变形；（6）在预留孔和预埋件处以及钢筋密集处,浇筑的混凝土未充满模板,振捣不够；（7）浇筑方法不当,振捣未按规定程序及规范施工。
2、混凝土表面气泡
混凝土外表的气泡现象,要想完全杜绝,达到一点气泡都没有,在目前现有的施工工艺条件下有一定困难。气泡出现的主要原因:（1）混凝土的振捣力度不够, 振捣时间短、漏振、欠振以致水分气泡未完全逸出；（2）混凝土分层厚度不均及拌和混凝土的坍落度过大,难以将多余水分完全振出；（3）不按振捣程序操作,由内向外振将水分赶向无孔的钢模死角,致使水分很难振出；（4）拌合物的水灰比过大。
3、混凝土表面露筋
产生露筋的原因:（1）钢筋骨架尺寸偏大；（2）钢筋垫块位移,或钢筋紧贴模板,造成混凝土保护层不够；（3）保护层部位的混凝土振捣不够或漏振；（4）模板浇筑前未湿润或湿润不够,模板吸水过多,致使混凝土水化不好,强度降低, 拆模时掉角露出钢筋；（5）未达到规定强度即拆模,拆模过早形成掉角露筋；（6） 钢筋过密,混凝土未能充满钢筋周围空间；（7）振捣时,振捣棒撞击钢筋,使钢筋位移；（8）冬季施工混凝土保温措施不好,混凝土受冻,造成拆模掉角露筋。
4、混凝土表面裂缝
造成裂缝的原因:（1）水化热作用；（2）混凝土收缩作用；（3）蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当,混凝土骤冷骤热,内外温度不均，易出现裂缝；（4）混凝土分层或分段浇筑时,接头部位处理不好,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝；（5）施工时模板刚度不足,在浇筑混凝土时,由于侧向压力的作用使得模板变形,产生与模板变形一致的裂缝；（6）施工时拆模过早,混凝土强度不足,使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝；（7）施工前对支架压实不足。
5、外观颜色不一
造成外观颜色不一致的原因:（1）使用的水泥、砂、碎石、外加剂等原料在产地上、品牌上、颜色上的不完全一致所造成；（2）养护条件不同所致；（3）拌合物在配合比上不完全一致。
墩柱外观质量的控制措施
施工模板质量的控制
通过对模板的设计加工及安装拆除等方面的有关控制，避免墩柱出现错台及明显接缝的现象，确保墩柱结构物尺寸的精确及混凝土外表的光洁度。
模板的设计加工。墩柱模板是保证混凝土结构外观质量的关键，钢模板必须具有足够的刚度及光洁度，并且要求单元面积大，接缝较少，接缝严密平顺。钢模板应根据结构施工图及有关受力进行计算设计，且模板由专业生产厂家加工，确保钢模板的加工质量。钢模板在厂区加工完成后必须进行试拼验收，在运至施工现场时再进行复试拼验收，模板在专用场地内试拼。试拼检查模板的加工精度，对精度差的局部地方进行整修，检查不同节段间拼装后的接缝的平顺度及密封度，对精度较差的接缝用手提电动砂轮机进行磨平处理，以达到接缝平顺严密的要求。对各单元钢模内侧板面进行“刨光”处理，“刨光”是用砂轮片磨掉钢模表面氧化层，再用工业砂布磨平使其表面呈现金属光泽，之后在板面上涂刷防护油以确保拆模后结构混凝土表面的光洁度。
模板的装拆及保养。模板安装前先给模板内侧涂刷脱模剂，涂刷要均匀，待油剂自然风干后(一般以不明显沾手为标准)才进行安装操作。模板的拆除期限视气温、混凝土强度情况而定，一般气温低于+15℃时，24h 以后拆模；当气温高于+15℃时，12h 以后拆模，拆模时混凝土强度至少10MPa 以上。拆模后都要对模板进行磨刷整修等保养工作，确保模板每次使用的精度及光洁度要求。
注重模板的使用和管理。应选用能够保证板面平整、光滑的冷轧钢板做模板，板面要求平整、光洁、无砂眼、无锈斑、无伤痕。板材拼接的内表面须打磨光滑平整，无明显凹凸痕迹。模板安装要牢固稳定，墩柱的模板要用四根带松紧器的钢丝绳固定。
2、混凝土的控制
（1）混凝土原材的选用。严把原材料质量关，选用质量好、相对固定的原材料保证了混凝土外观颜色的协调。
（2）严格混凝土配料、搅拌的规范操作。在选料上，要选用级配良好的砂石料，水泥库存要一周以上，尽量选用同一产地、同一批次的原材料，不同批次的商品混凝土有时色差较大，尽量选用自拌混凝土。在配料时，要根据经验和计算确定配合比，在保证施工工艺的前提下，尽量选用较小的坍落度，并进行浇筑试验，保证混凝土表面均匀一致，色泽自然。要控制好混凝土的搅拌时间，保证混凝土拌合料均匀。在运输时，要注意选用混凝土运输车运输混凝土，运到现场时最好先搅拌，然后卸料浇筑。
规范混凝土的浇铺和振捣操作。坚持浇与捣并重，克服重振捣轻浇铺的习惯。最好实行分层分段浇筑，在混凝土初凝时间内完成混凝土的分层接茬，分层虚铺厚度以40cm 为宜，模板有阴角倒坡时，混凝土铺至内侧倒坡以下5cm，进行充分振捣，待将气泡振出后，再浇筑倒坡处混凝土。每层振捣时始终保持浇与捣前后要相差一定的距离，一般为1m 左右。混凝土浇铺时尽量做到四周略高，中间略低;不能用振捣棒振赶摊平混凝土，以防止砂浆散失，导致混凝土均匀性较差。混凝土浇铺要合理分段分层，振捣棒要快插慢拔，不要出现漏振、欠振、过振、早振、快振、迟振等影响混凝土外观质量的操作。混凝土振捣时，应先周围后中间，以便把气泡尽量往中间赶避免气泡聚集在模板处。同时，在混凝土浇筑过程中，要使混凝土保护层垫块的间距最好在60～80cm 之间，墩柱的箍筋与主筋要紧贴，混凝土振捣时，振捣棒切勿碰钢筋和模板，以确保消除钢筋显隐现象。
3、其它有关的控制措施
（1）加强钢筋安装稳定性和精度，避免钢筋与模板的冲突，保证结构混凝土保护层的均匀性，有效防止露筋等外观缺陷。
（2）加强混凝土的养护工作，防止混凝土结构外表发生裂纹。保证养护的频率和时间，养护使用自来水，以保证混凝土的颜色一致。
（3）重视文明施工，注意结构物外观防护，如做好高处施工混凝土的砂浆清除及污水引流工作，避免污染下层的结构物外表，保持混凝土结构外观的清洁。
四、结束语
按照以上技术进行改进后，墩柱的外观质量得到了有效的控制，混凝土外表光洁，没有蜂窝、麻面及气泡等外观质量缺陷，达到了预期效果，满足了业主的要求。
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