CN102721480B - 基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法 - Google Patents

Abstract

基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法，涉及大体积混凝土施工期间对冷却通水的监测方法及等场的计算方法。本发明在现有技术的基础上，通过布设相关监测仪器，并结合数据库技术，提出了一套冷却水管吸收热量的计算方法，实现了对施工期混凝土等效温度场的仿真模拟计算。该方法***给出了混凝土工程冷却通水的全程监测—数据管理—计算模拟体系，在该方法的指导下能够深入了解施工期大体积混凝土的温度发展状态。

Description

基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法

技术领域

本发明涉及一种大体积混凝土施工期间对冷却通水的监测方法及对等效温度场的计算模拟方法。

背景技术

铺设冷却水管作为大体积混凝土温度控制中的一项重要措施，能够有效地限制混凝土内部的温度峰值，控制温度的发展过程，在现代化大体积混凝土施工中扮演着不可或缺的角色。大量学者曾开展了对其计算方法的相关研究，其中，国际上以美国垦务局为代表，在胡佛重力拱坝等早期大型混凝土坝的建设过程中推导了一系列长埋水管问题的理论解法（Bureau ofReclamation，Cooling of concrete dams:final reports，Bureau of Reclamation，1949），国内则以朱伯芳为代表，提出了水管冷却的等效热传导方程（朱伯芳，考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程，水利学报，1991）及有限元解法（ZHU Bofang，CAI Jianbo，Finite elementanalysis of effect of pipe cooling in concrete dams，Journal of Construction Engineering andManagement，1989）等，在工程领域中得到了广泛应用。在上述工作的基础上，一些学者也对考虑冷却水管的大体积混凝土的温度场计算方法提出了一系列改进。（刘宁，刘光廷等，水管冷却效应的有限元子结构模拟技术，水利学报，1997；Myers T，Fowkes N，Ballim Y.Modeling the Cooling of Concrete by Piped Water，Journal of Engineering Mechanics，2009；KimJK，Kim KH，Yang JK，Thermal analysis of hydration heat in concrete structures with pipe-coolingsystem，Computers & Structures,2001；Jian Yang,Yu Hu,Zheng Zuo，Thermal analysis of massconcrete embedded with double-layer staggered heterogeneous cooling water pipes，AppliedThermal Engineering，2012）

传统上，由于施工成本、技术水平的限制，对施工期大体积混凝土的监测项目有限，冷却信息方面并没有一套***成熟的监测与数据应用方法，大部分工程以往仅仅粗略地控制冷却水源的温度。上述提及的计算方法也基于此，这些计算方法通过建立混凝土温度与冷水进水温度的热传导关系，理论推导或简化求解得出水管带走的热量。由于推导过程中对一些条件进行了假设，计算的精确性很大程度上取决于计算参数的选取。

伴随着现代大体积混凝土工程的温度控制精细化、质量管理过程化的发展趋势，对冷却通水信息的监测内容也逐步丰富，实现对进水、出水温度的全程同步监测已无技术阻碍，但如何正确监测与应用这些数据，尚未有明确的规范与流程进行***指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法，从而可以实现对施工期混凝土温度场的模拟计算。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的，该方案包括如下步骤：

1）建立数据库结构：数据库结构包含混凝土材料信息表、混凝土浇筑信息表、冷却通水记录表和计算信息表；

2）通过实验测得工程中使用的至少一种混凝土的材料编号、比热、密度、导热系数以及水化热参数，并录入至混凝土材料信息表中；

3）施工过程中，在浇筑每个混凝土仓时记录其混凝土仓号、材料编号、浇筑时间、浇筑温度和浇筑体积，并录入至混凝土浇筑信息表中；

4）设定数据采集时间步长Δτ，通过以下两种技术手段对混凝土施工期的冷却通水进行监测：

i）在每个混凝土仓的冷却水管进出口位置布设数字温度传感器与数字流量计，数字流量计采用具有双向测流量功能的数字流量计，或采用两个不同向的单向数字流量计，并通过数据线连接到工控机上，按照Δτ采集进出口通水温度和通水流量q_w，水温低的设定为进口通水温度T_w-in，水温高的设定为出口通水温度T_w-out，并将混凝土仓号、测量时间τ、进口通水温度T_w-in、出口通水温度T_w-out和通水流量q_w录入至冷却通水记录表中；

ii）在每个混凝土仓的冷却水管进出口位置布设水龙头与水表，按照Δτ人工读取水表读数，记录τ_w时间内水表增加的水量V_w，计算通水流量

人工打开进出水管的水龙头，利用温度计测量进出口通水温度，水温低的设定为进口通水温度T_w-in，水温高的设定为出口通水温度T_w-out，并将混凝土仓号、测量时间τ、进口通水温度T_w-in、出口通水温度T_w-out和通水流量q_w录入至冷却通水记录表中；

5）计算各个测量时间τ上的吸收热量速率

${\stackrel{\·}{Q}}^{-}\left(\mathrm{\τ}\right)={\mathrm{\ρ}}_w{c}_w[T_{w-\mathrm{in}}\left(\mathrm{\τ}\right)-T_{w-\mathrm{out}}\left(\mathrm{\τ}\right)]q_w\left(\mathrm{\τ}\right)---\left(a\right)$

其中，ρ_w代表水的密度，c_w代表水的比热，T_w-in(τ)、T_w-out(τ)和q_w(τ)分别代表测量时间τ的进口通水温度、出口通水温度和通水流量，将式(a)计算得到的

与混凝土仓号、测量时间τ录入至计算信息表中；

6）基于吸收热量速率利用式(b)，通过有限元方法或有限差分法，对大体积混凝土的等效温度场进行求解：

$\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{{\mathrm{\ρ}}_c{c}_c}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂z}^2})+\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{{\stackrel{\·}{Q}}^{-}\left(t\right)}{{\mathrm{\ρ}}_c{c}_c{V}_c}---\left(b\right)$

其中，各符号的意义为：T为混凝土温度，t为时间，x、y、z为直角坐标系，λ_c为混凝土导热系数，ρ_c为混凝土密度，c_c为混凝土比热，V_c为混凝土仓的体积，

时的吸收热量速率，θ(t)为水化热函数。

本发明与传统技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明在传统技术的基础上，对施工期间大体积混凝土的冷却通水实现了全程监测，结合数据库技术提出的基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法，能够精确得到水管的吸收热量，无需前处理时建立复杂的模型，为了解施工期大体积混凝土的温度发展状态提供了理论基础。

附图说明

图1为冷却通水数据库结构组成示意图。

图2为采用数字流量计的冷却通水监测***布置图。

图3为采用人工方式的冷却通水监测***布置图。

图4为实施例中的吸收热量速率计算结果图。

图5为实施例中的有限元网格模型图，图中尺寸单位为m。

图6为实施例中的计算温度与实测温度的对比图。

其中：1-混凝土仓；2-混凝土内部冷却水管；3-进水管；4-出水管；5-数字温度传感器；6-数字流量计；7-水龙头；8-水表；9-工控机（数据采集单元）；10-数据连线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施方式：

1）首先建立数据库结构，数据库结构包含混凝土材料信息表、混凝土浇筑信息表、冷却通水记录表和计算信息表，各个数据表中的信息组织形式如图1所示，图中下划线表示的是该表中的主键。

2）通过实验测得工程中使用的至少一种混凝土的材料编号、比热、密度、导热系数以及水化热参数，并录入至混凝土材料信息表；其中，通过相关的测定仪器在室内试验中可测得比热、密度、导热系数，通过绝热温升试验可测得水化热曲线，进行一定的拟合后得到相关的水化热参数，一般工程中，应用指数形式的水化热曲线较多，即

θ(τ)=θ₀(1-e^-mτ)                (a)

其中，θ(τ)为τ龄期的水化热温升值，θ₀为最终绝热温升值，m水化热速率常数；得到上述的信息后，记录至混凝土材料信息表中；

3）施工过程中，在浇筑每个混凝土仓时记录其混凝土仓号、材料编号、浇筑时间、浇筑温度和浇筑体积，并录入至浇筑信息表；

4）设定监测数据的采集时间步长Δτ，一般取为1d，或6h，通过以下两种技术手段对混凝土施工期的冷却通水进行监测：

i）经济条件充裕的话，在每个混凝土仓的冷却水管进出口位置布设数字温度传感器与数字流量计，如图2所示，并将数据线连接到工控机上，以实现远程自动数据采集，需要注意的是，由于冷却通水需要定时换向，此处的流量计要求具有双向测流量的功能，否则可以设置两个不同向的单向流量计或对管道、流量计进行其它改造，以使其具备对正反向通水的测量能力；通过编制程序使其按照设定的时间步长Δτ实现自动采集进出口通水温度与通水流量q_w，由于存在通水换向，每次读取得到的两个水温值应判断大小关系，水温低的设定为进口通水温度T_w-in，水温高的设定为出口通水温度T_w-out，即存入数据库的值应满足T_w-in<T_w-out；并将混凝土仓号、测量时间τ、进口通水温度T_w-in、出口通水温度T_w-out与通水流量q_w自动录入至数据库中的通水冷却信息记录表；

ii）如经济条件较紧张，则在每个混凝土仓的冷却水管进出口位置布设水龙头与水表，如图3所示，按照设定的时间步长Δτ，人工读取水表读数，记录一定时间τ_w内水表增加的水量V_w，计算流量

人工打开进出水管的水龙头，利用水银温度计测量进出口水温，由于存在通水换向，应判断读取得到的两个水温值的大小关系，水温低的设定为进口通水温度T_w-in，水温高的设定为出口通水温度T_w-out，准确记录在案，并将混凝土仓号、测量时间τ、进口通水温度T_w-in、出口通水温度T_w-out与通水流量q_w录入至数据库中的通水冷却信息记录表；

5）计算各个测量时间τ上的吸收热量速率

${\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}^{-}\left(\mathrm{\&tau;}\right)={\mathrm{\&rho;}}_w{c}_w[T_{w-\mathrm{in}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)-T_{w-\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)]q_w\left(\mathrm{\&tau;}\right)---\left(b\right)$

其中，ρ_w代表水的密度，一般取1000kg/m³，c_w代表水的比热，一般取4.183kJ/kg°C，T_w-in(τ)、T_w-out(τ)和q_w(τ)分别代表测量时间τ的进口通水温度、出口通水温度和通水流量，

将上式计算得到的

按照测量时间存入计算信息表中，这里的

应为负值，表示混凝土在单位时间内被冷却水管吸收的热量；

6）基于吸收热量速率

利用下式，通过有限元方法或有限差分法，对大体积混凝土的等效温度场能够进行求解：

$\frac{\&PartialD;T}{\&PartialD;t}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_c}{{\mathrm{\&rho;}}_c{c}_c}(\frac{{\&PartialD;}^{2}T}{{\&PartialD;x}^2}+\frac{{\&PartialD;}^{2}T}{{\&PartialD;y}^2}+\frac{{\&PartialD;}^{2}T}{{\&PartialD;z}^2})+\frac{\mathrm{d\&theta;}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}^{-}\left(t\right)}{{\mathrm{\&rho;}}_c{c}_c{V}_c}---\left(c\right)$

其中，各符号的意义为：T为混凝土温度，t为时间，λ_c为导热系数，ρ_c为混凝土密度，c_c为混凝土比热，V_c为混凝土仓的体积，

代表τ=t时的吸收热量速率，由数据库中的计算信息表得到，θ(t)水化热函数，具体的函数形式由步骤2）中决定，具体的参数可由混凝土材料信息表中得到；上述的等效温度场指在平均意义上考虑水管冷却效果的混凝土温度场。

利用上述基本公式，可以对大体积混凝土等效温度场进行求解，以有限元法为例，在不考虑冷却水管与水化热源的常规热传导问题的基础上，对每个混凝土单元考虑一个热源项即可实现对大体积混凝土等效温度场的求解计算。

基于吸收热量速率

还可以对混凝土仓的平均温度进行计算或对热学参数进行反演分析：

忽略边界散热条件的影响，利用式(d)对混凝土仓的平均温度能够进行近似计算：

$T_m(t+\mathrm{\&Delta;t})=T_m\left(t\right)+{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\left(t\right)\mathrm{\&Delta;t}+{\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}^{-}\left(t\right)\mathrm{\&Delta;t}/{\mathrm{\&rho;}}_c{c}_c{V}_c---\left(d\right)$

其中，Δt代表计算时间步长，T_m(t)、T_m(t+Δt)代表t、t+Δt时间的混凝土仓平均温度，θ’(t)代表水化热函数在时间t的导数；计算时自浇筑时间起开始计算，初始温度定为浇筑温度，浇筑时间、浇筑温度由混凝土浇筑信息表中得到；上式中忽略了边界散热条件的影响，对于混凝土仓内部的平均温度而言，影响较小；

对于一些热学参数尚不清楚的工程情况，或欲对工程现场混凝土的热学参数进一步摸清，可通过在混凝土仓内埋设混凝土测温传感器，选取若干组不同的热学参数组，利用式(d)，分别进行计算，比较不同参数组的计算结果与实测温度结果，最为接近的则为所需的热学参数组，如具备一定的数学工具，也可采用神经网络等方法对上述结果进一步分析。

实施例

在具体的实施中，针对某施工期大型混凝土坝工程中的一个混凝土仓，展开了相关试验，该仓混凝土浇筑体积4358m³，在该仓冷却水管的进、出口位置布设了水龙头与水表，自该仓浇筑后，每6小时安排监测人员人工采集进出口的通水温度及通水流量，记录在案，随后返回办公室录入数据库中。试验时间自浇筑日期起，至该仓浇筑后237天止。

对该工程混凝土的室内试验，测得混凝土的比热为0.985kJ/kg°C，密度为2663kg/m³，导热系数为7.70kJ/mh°C，由于采用的配合比中含有一定参量的粉煤灰，试验测得水化热曲线采用双指数形式拟合效果较好，即

其中，θ₁=24.0，m₁=0.392，θ₂=12.5，m₂=0.105。

利用

可以通过数据库中的冷却通水记录信息，自动计算各个测量时间点的吸收热量速率，并自动更新数据库中的计算信息表，试验期间的

计算结果如图4所示。

采用有限元软件，对该实际工程问题建模并按照基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法求解，采用的有限元软件为MSC.Marc，利用其中的热源接口flux.f，将各增量步的水化热产生的热量与

作为热源添加到各个混凝土单元上。

本例中的有限元网格模型如图5所示，图中单位为m，共划分六面体单元756个，结点1064个，浇筑后22天内上部表面裸露，设为对空气的散热条件，气温取自当地实测资料。

为了验证结果的正确性，在该仓混凝土中埋设了温度传感器对混凝土内部温度进行监测，监测结果录入至数据库中。

输出该仓混凝土内部点的时间-温度结果，并与监测得到的实测结果对比，二者基本一致，如图6所示，说明了基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法的正确性与可行性。

Claims (2)

1.一种基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）建立数据库结构：数据库结构包含混凝土材料信息表、混凝土浇筑信息表、冷却通水记录表和计算信息表；

2）通过实验测得工程中使用的至少一种混凝土的材料编号、比热、密度、导热系数以及水化热参数，并录入至混凝土材料信息表中；

3）施工过程中，在浇筑每个混凝土仓时记录其混凝土仓号、材料编号、浇筑时间、浇筑温度和浇筑体积，并录入至混凝土浇筑信息表中；

4）设定数据采集时间步长Δτ，通过以下两种技术手段中的任一种对混凝土施工期的冷却通水进行监测：

i）在每个混凝土仓的冷却水管进出口位置布设数字温度传感器与数字流量计，并通过数据线连接到工控机上，按照Δτ采集进出口通水温度和通水流量q_w，水温低的设定为进口通水温度T_w-in，水温高的设定为出口通水温度T_w-out，并将混凝土仓号、测量时间τ、进口通水温度T_w-in、出口通水温度T_w-out和通水流量q_w录入至冷却通水记录表中；

ii）在每个混凝土仓的冷却水管进出口位置布设水龙头与水表，按照Δτ人工读取水表读数，记录τ_w时间内水表增加的水量V_w，计算通水流量人工打开进出水管的水龙头，利用温度计测量进出口通水温度，水温低的设定为进口通水温度T_w-in，水温高的设定为出口通水温度T_w-out，并将混凝土仓号、测量时间τ、进口通水温度T_w-in、出口通水温度T_w-out和通水流量q_w录入至冷却通水记录表中；

5）计算各个测量时间τ上的吸收热量速率

${\stackrel{.}{Q}}^{-}\left(\mathrm{\&tau;}\right)={\mathrm{\&rho;}}_w{c}_w[T_{w-\mathrm{in}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)-T_{w-\mathrm{out}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)]q_w\left(\mathrm{\&tau;}\right)---\left(a\right)$

其中，ρ_w代表水的密度，c_w代表水的比热，T_w-in(τ)、T_w-out(τ)和q_w(τ)分别代表测量时间τ的进口通水温度、出口通水温度和通水流量，将式(a)计算得到的

与混凝土仓号、测量时间τ录入至计算信息表中；

6）基于吸收热量速率

利用式(b)，通过有限元方法或有限差分法，对大体积混凝土的等效温度场进行求解：

$\frac{\&PartialD;T}{\&PartialD;t}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_c}{{\mathrm{\&rho;}}_c{c}_c}(\frac{{\&PartialD;}^{2}T}{\&PartialD;x^2}+\frac{{\&PartialD;}^{2}T}{\&PartialD;y^2}+\frac{{\&PartialD;}^{2}T}{\&PartialD;z^2})+\frac{\mathrm{d\&theta;}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{{\stackrel{.}{Q}}^{-}\left(t\right)}{{\mathrm{\&rho;}}_c{c}_c{V}_c}---\left(b\right)$

其中，各符号的意义为：T为混凝土温度，t为时间，x、y、z为直角坐标系，λ_c为混凝土导热系数，ρ_c为混凝土密度，c_c为混凝土比热，V_c为混凝土仓的体积，为τ=t时的吸收热量速率，θ(t)为水化热函数。

2.按照权利要求1所述的基于冷却通水监测的计算大体积混凝土等效温度场的方法，其特征在于：所述的数字流量计采用具有双向测流量功能的数字流量计，或采用两个不同向的单向数字流量计。

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