CN102979307A - 一种混凝土结构温控防裂施工方法 - Google Patents

一种混凝土结构温控防裂施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混凝土结构温控防裂施工方法，包括：⑴在大体积混凝土浇筑块体的表面布置温度探头，测量大体积混凝土浇筑块体的内外温差、降温速度及环境温度；⑵基于所得测量结果，建立温控施工方案的计算模型；⑶采集包括施工现场参数，输入所得计算模型，进行温控仿真计算；⑷将步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***进行比较，当步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***不匹配时，多次返回步骤⑵调整相应参数，对根据经验预设的混凝土温控防裂施工方案进行优化，直至得到混凝土温控防裂的最优施工方案。该混凝土结构温控防裂施工方法，可以实现混凝土不易裂缝、防裂可靠性高和防裂通用性好的优点。

Description

一种混凝土结构温控防裂施工方法
技术领域
本发明涉及混凝土防裂技术领域，具体地，涉及一种混凝土结构温控防裂施工方法。
背景技术
当前，我国正处在基础设施建设的一个高潮阶段，各地区正在规划和建设一批重大工程项目，其中已出现以及可能出现许多热点问题，它们直接关系着工程的效益发挥，并影响国家经济和社会的长远发展。在这些热点问题中，混凝土结构开裂既是一个老问题，也是一个颇受各方关注的新技术课题。自从混凝土材料出现以来，裂缝普遍存在于各类混凝土结构中，比如大坝、桥梁、隧洞衬砌、水闸、泵站、地涵、港工、基础等。
混凝土开裂原因与材料性质、环境条件、结构特点、施工过程等很多因素紧密相关，其中除了环境条件以外，其它因素都是可以人为控制的。我国的大部分地区自然环境条件较差，属于大陆干旱性气候，降雨量少，日照强，昼夜温差大，某些区域的昼夜温差达到20℃以上。近年来，随着全球变暖的影响，极端气候很有可能出现的频率越来越高。这样的环境条件对混凝土工程施工而言可谓相当恶劣，因此，采用合适的防裂方法对混凝土工程结构非常重要。除了环境因素的影响外，现在各种新材料和新的施工方法、施工工艺不断地应用到混凝土结构工程建设中，比如发热量大的高性能混凝土、流动性高的泵送混凝土等，这些新材料和新技术的使用在带来进步的同时，也对混凝土的开裂产生了新的不利影响。因此，混凝土的裂缝问题也引起学术界和工程界越来越多的关注，且仍然没有得到很好解决。
对于裂缝的预防和控制，人们可以从不同的方面采用相应的措施。材料研究部门通常在保证混凝土材料强度、耐久性、防渗性和抗冻性等要求的前提下，调整混凝土各成分掺量，比如减少水泥用量，掺入矿渣或粉煤灰，从而降低水化热温升；或掺入氧化镁等外加剂，减小混凝土的自身体积收缩等。结构设计部门通常从减小混凝土结构的长度或体积的角度进行合理的结构分缝，以人工设缝的方法减少危害性裂缝的产生；对结构进行合理配筋，配筋虽不能明显提高混凝土本身的抗拉强度，但可以有效控制裂缝的扩展。施工部门可以在施工期采用有效的温度控制措施进行防裂，比如降低浇筑温度，采用合适的模板，进行表面保温和内部水管冷却降温等，在结构方面的措施有设置施工缝，采用合理的施工顺序等。事实证明，施工期的温控措施是防裂工作中非常重要的一个环节。
目前，材料研究部门和结构设计部门已经能够在混凝土防裂方面作出比较充分和深入的研究，能够从各自的角度提出具有科学依据的防裂方案。施工部门科研能力相对较弱，往往只是依据规范或者经验，提出施工期防裂方案。已经施工的很多工程案例表明，在温控防裂方面，规范的规定和工程的经验在很多时候并不可靠。施工企业需要提升自身科研能力，针对不同的工程应提出具有科学依据的施工期温控防裂方案。因此，开发一个实用的施工期温控防裂措施优化技术，将对施工企业加强科研能力，提高技术水平，保证工程质量非常有帮助。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在混凝土易裂缝、防裂可靠性低和防裂通用性差等缺陷。 
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种混凝土结构温控防裂施工方法，以实现防裂可靠性高和防裂通用性好的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种混凝土结构温控防裂施工方法，主要包括：
⑴在大体积混凝土浇筑块体的表面布置温度探头，测量大体积混凝土浇筑块体的内外温差、降温速度及环境温度；
⑵基于步骤⑴的测量结果，建立温控施工方案的计算模型；
⑶采集包括冷却水管信息、浇注层信息和环境温度信息的施工现场参数，输入步骤⑵所得计算模型，进行温控仿真计算；
⑷将步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***进行比较，当步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***不匹配时，多次返回步骤⑵调整相应参数，对根据经验预设的混凝土温控防裂施工方案进行优化，直至得到混凝土温控防裂的最优施工方案。
进一步地，步骤⑴具体包括：
①温度探头的布置范围，以所选混凝土浇筑块体平面图对称轴线的半条轴线为测温区，在测温区内温度测试点呈平面布置；当所选混凝土浇筑块体为长方体时，选取该长方体较短的对称轴线； 
②在测温区内，根据混凝土浇筑块体内温度场的分布情况及温控的要求确定温度探头的位置；
③在基础平面半条对称轴线上，温度测试点（即温度探头安装位置）的点位不宜少于4处；
④沿混凝土浇筑块体厚度方向，每一点位的测点数量，宜不少于5点；
⑤保温养护效果及环境温度测试点（即温度探头安装位置）数量，应根据具体需要确定；
⑥凝土浇筑块体底表面的温度，应以混凝土浇筑块体底表面以上50mm处的温度为准；混凝土浇筑块体的外表温度，应以混凝土外表以内50mm处温度为准。
进一步地，步骤⑴具体还包括：
测温元件的选择应符合下列规定：测温元件的测温误差应不大于0.3℃，测温元件安装前，必须在浸水24h后，按上述①-⑥的要求进行筛选。
进一步地，步骤⑴具体还包括：
测温元件的安装及保护应符合下列规定：
测温元件安装位置应准确，固定牢固，并与结构钢筋及固定架金属体绝热；
测温元件的引出线应集中布置，并加以保护；
混凝土浇筑过程中，下料时不得直接冲击测温元件及其引出线.振捣时，振捣器不得触及测温元件及其引出线。
进一步地，步骤⑴具体还包括：
温度监控方案，即：
温度测试采用精度较高的自动建筑电子测温仪（分辨率0.1℃），对温度数据进行实时采集、监控，监控参数包括混凝土入模温度、混凝土内部温度及环境温度；
根据大体积混凝土早期升温较快，后期降温较慢的特点，采用先频后疏的测温方案；具体测温频率为前4天每2h测温一次，5～8天内每4h测温一次，9～13天内每6h测温一次，14天后每12h测温一次，基础底板混凝土温度基本稳定后停止监控。
进一步地，步骤⑵具体包括：
应用开发的混凝土结构温控防裂施工专家***，对混凝土结构进行有限元建模，有限元模型的建立主要是通过建立超单元的方法进行。
进一步地，在步骤⑶中，在所述施工现场参数中，冷却水管信息包括水管布设间距、水管内半径、放热系数、导热系数、通水温度和通水时间，浇筑层信息包括浇筑层浇筑范围即浇筑厚度、浇筑时间、浇筑温度；
获取环境温度信息的操作，包括：通过高端设备获取精确的绝热温升曲线、比热、导温系数，或通过现场原型试验反演获取混凝土的部分热学参数，或通过试验室大型试块温度值反演获取混凝土的部分热学参数。
进一步地，在步骤⑶中，所述温控仿真计算的操作，具体包括：
温度场计算，即：通过混凝土温度场有限单元法或不稳定温度场的有限元隐式解法，求解所需温度场仿真结果；
温度场和应力场计算，即：通过混凝土应力场的有限单元法或应力场的有限单元法隐式解法，求解所需应力场仿真结果。
在前处理完成后，即网格剖分完毕，计算参数输入结束，点击“温度场计算”或“温度场和应力场计算”后程序就开始在后台计算，从输出窗口可以看到计算过程的进度。
进一步地，在步骤⑷中，所述预设辅助专家***，包括几类典型结构的温控措施，针对未达到防裂目标的仿真计算结果给出指导的措施调整原则；
根据辅助专家***后处理功能可以根据温度探头测温、和采取防裂措施的计算结果给出的混凝土浇筑块的温度历史曲线、应力历时曲线、温度和应力等值曲线、温度切片等图像；施工单位根据这些图像可以清楚的知道混凝土内部温度和应力的分布大小是否在混凝土抗裂的应力范围内；如大于混凝土的应力范围，则此部位混凝土可能开裂，应重新调整防裂施工方案。
本发明各实施例的混凝土结构温控防裂施工方法，由于主要包括：⑴在大体积混凝土浇筑块体的表面布置温度探头，测量大体积混凝土浇筑块体的内外温差、降温速度及环境温度；⑵基于所得测量结果，建立温控施工方案的计算模型；⑶采集包括冷却水管信息、浇注层信息和环境温度信息的施工现场参数，输入所得计算模型，进行温控仿真计算；⑷将步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***进行比较，当步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***不匹配时，多次返回步骤⑵调整相应参数，对根据经验预设的混凝土温控防裂施工方案进行优化，直至得到混凝土温控防裂的最优施工方案；可以使施工企业能够在相对低成本的条件下使用该技术，为更多的实际工程服务，从而提高混凝土结构工程的质量，同时还有利于提高施工企业的科研水平和技术能力；从而可以克服现有技术中混凝土易裂缝、防裂可靠性低和防裂通用性差的缺陷，以实现混凝土不易裂缝、防裂可靠性高和防裂通用性好的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为超单元模型示意图；
图2为本发明混凝土结构温控防裂施工方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明实施例，提供了一种混凝土结构温控防裂施工方法，即，提供了一种利用TCAS软件对混凝土结构的各种拟定温控方案进行仿真计算（仿真计算中可以模拟混凝土气候条件、浇筑温度控制、外部保温、分缝分块等措施）对比分析，优选出经济有效的温控防裂措施，减少混凝土结构裂缝，提高混凝土机构安全的施工方法。一般地，对于裂缝的预防和控制，人们可以从不同的方面采用相应的措施。材料研究部门通常在保证混凝土材料强度、耐久性、防渗性和抗冻性等要求的前提下，调整混凝土各成分掺量，比如减少水泥用量，掺入矿渣或粉煤灰，从而降低水化热温升；或掺入氧化镁等外加剂，减小混凝土的自身体积收缩等。结构设计部门通常从减小混凝土结构的长度或体积的角度进行合理的结构分缝，以人工设缝的方法减少危害性裂缝的产生；对结构进行合理配筋，可以有效控制裂缝的扩展。施工部门可以在施工期根据混凝土结构特征、施工现场气候条件、材料属性、施工机具设备、工程施工经验进行混凝土温控施工方案设计，比如降低浇筑温度，采用合适的模板，进行表面保温和内部水管冷却降温等，在结构方面的措施有设置施工缝，采用合理的施工顺序等。
如图2所示，本实施例的一种混凝土结构温控防裂施工方法，主要包括：
步骤1：在大体积混凝土浇筑块体的表面布置温度探头，测量大体积混凝土浇筑块体的内外温差、降温速度及环境温度；具体如下：
预先定位温度探头
⑴大体积混凝土浇筑块体温度测试点（即温度探头安装位置）的布置。以能真实反映出混凝土块体的内外温差、降温速度及环境温度为原则，一般可按下列方式布置：
1)温度探头的布置范围以所选混凝土浇筑块体平面图对称轴线的半条轴线为测温区(对长方体可取较短的对称轴线)，在测温区内温度测试点呈平面布置；
2)在测温区内，温度探头的位置可根据混凝土浇筑块体内温度场的分布情况及温控的要求确定；
3)在基础平面半条对称轴线上，温度测试点（即温度探头安装位置）的点位不宜少于4处；
4)沿混凝土浇筑块体厚度方向，每一点位的测点数量，宜不少于5点；
5)保温养护效果及环境温度测试点（即温度探头安装位置）数量应根据具体需要确定；
6)凝土浇筑块体底表面的温度，应以混凝土浇筑块体底表面以上50mm处的温度为准；乃混凝土浇筑块体的外表温度，应以混凝土外表以内50mm处温度为准。
⑵测温元件的选择应符合下列规定：测温元件的测温误差应不大于0.3℃，测温元件安装前，必须在浸水24h后，按上述的要求进行筛选。
⑶测温元件的安装及保护应符合下列规定：
1)测温元件安装位置应准确，固定牢固，并与结构钢筋及固定架金属体绝热；
2)测温元件的引出线应集中布置，并加以保护；
3)混凝土浇筑过程中，下料时不得直接冲击测温元件及其引出线.振捣时，振捣器不得触及测温元件及其引出线。
⑷温度监控方案
1）温度测试采用精度较高的自动建筑电子测温仪(分辨率0.1℃)。对温度数据进行实时采集、监控，监控参数包括混凝土入模温度、混凝土内部温度及环境温度。
2）根据大体积混凝土早期升温较快，后期降温较慢的特点，采用先频后疏的测温方案。具体测温频率为前4天每2h测温一次，5～8天内每4h测温一次，9～13天内每6h测温一次，14天后每12h测温一次，基础底板混凝土温度基本稳定后停止监控；
步骤2：基于步骤:1的测量结果，建立温控施工方案的计算模型；
该步骤是否整个温控仿真辅助分析方法的关键步骤，以后的参数输入及计算都基于这个计算模型。这个模型也是混凝土浇筑时的建筑结构模型。
应用开发的混凝土结构温控防裂施工专家***软件对混凝土结构进行有限元建模，有限元模型的建立主要是通过建立超单元的方法进行，为了便于计算，模型网格尽可能剖分成为六面体单元。基础网格划分：
操作窗口如下：
添加超单元，这里添加超单元节点的编号是有规定的，必须按此规定添加坐标，注意剖分方向和坐标轴的相对关系，具体参见图1。
节点1—8：按照图1的顺序输入超单元节点坐标；
单元材料号：现阶段可以随便输，后续工作中用户可以手动添加材料号并输入材料特征，这里可以进行选择；
剖分单元类型：目前采用8节点单元类型，填8，后续可以考虑剖20节点的；
XYZ轴划分数：某个超单元沿X、Y、Z三个方向划分的份数。
是否均分：某个方向是否平均分为n份，点选；
划分大小：均分就不填，不均分此栏填入各段的比例因子，由空格隔开；
以下是一个例子：
第一步，输入超单元和划分信息：
第二步，点击“下一个”：弹出现在的单元数与节点数，开始添加下一个超单元。
注意，无论是否有下一个超单元，均需点击“下一个”，因为点击后本步输入的数据才会存到文件中，供后续步骤使用；
第三步，点击选项“读入新划分”
第四步，点击“全部划分”：将数据写入两个文件COEL1.in和HF1.in，并同时运行动态库生成WG.out，屏幕显示如下信息；
后台输出结果如图（下图中的矩形只是超单元的示意图，用于提示超单元的节点排列顺序，真正的模型和网格显示是在主框架窗口中）：按顺序输入超单元节点；
第五步，点击读入已有剖分：
读入已经剖分好的WG.out文件：
屏幕显示信息：成功读取数据！
第六步，点击“退出”：
此时，网格显示在黑色背景的屏幕上，缺省显示的网格模型可能较小，可以用放大，旋转等功能查看。
如果要读取一个以前建立的老模型，直接从上述步骤的第五步开始做即可；
步骤3：采集包括冷却水管信息、浇注层信息和环境温度信息的施工现场参数，输入步骤2所得计算模型，进行温控仿真计算；
在步骤3中，在所述施工现场参数中，冷却水管信息包括水管布设间距、水管内半径、放热系数、导热系数、通水温度和通水时间，浇筑层信息包括浇筑层浇筑范围即浇筑厚度、浇筑时间、浇筑温度；
获取环境温度信息的操作，包括：通过高端设备获取精确的绝热温升曲线、比热、导温系数，或通过现场原型试验反演获取混凝土的部分热学参数，或通过试验室大型试块温度值反演获取混凝土的部分热学参数。
环境温度参数设计：
上图中的开始浇筑时刻为一年中的第219天，这里将1月1日0点为开始浇筑当年的第0天这个时刻，一年以365天计。年最高气温时间为第6.8月这个时刻，这里也是以1月1日0点为开始浇筑当年的第0月这个时刻。日最高气温时刻为每天中午12时出现。
材料（混凝土）热学参数的获取（材料容重、泊松比、膨胀系数、导热系数、导温系数、材料弹性模量）
⑴通过高端设备获取精确的绝热温升曲线、比热、导温系数
具体方法：在专业的混凝土实验室内制作专门的试块，采用有关微机自动控制的混凝土热学设备直接获取混凝土热学参数。
优点：无需通过反演计算，可直接获取有关热学参数，精度高。
缺点：材料运输、试验等成本相对较高。
⑵通过现场原型试验反演获取混凝土的部分热学参数
具体方法：在施工现场预埋温度探头，通过一段时间的温度测量，将获取的气温、风速、混凝土内部温度等数据通过本发明软件进行反演分析，获取混凝土绝热温升、冷却水管、表面热交换系数等计算参数。
优点：参数更接近施工现场实际情况，有利于得出更符合实际的计算结果；
缺点：现场工作人工成本较高，温度探头更容易发生损坏。
⑶通过试验室大型试块温度值反演获取混凝土的部分热学参数
具体方法：在施工现场或试验室内制作大型试块，预埋温度探头，通过一段时间的温度测量，将获取的气温、风速、混凝土内部温度等数据通过本发明软件进行反演分析，获取混凝土绝热温升、冷却水管、表面热交换系数等计算参数。
优点：便于在施工前获取工程现场的热学参数，大型试块的成果可靠性高。
缺点：大型试块的试验成本相对较高，现场人工成本较高。
在步骤3中，所述温控仿真计算的操作，具体包括：
温度场计算，即：通过混凝土温度场有限单元法或不稳定温度场的有限元隐式解法，求解所需温度场仿真结果；
温度场和应力场计算，即：通过混凝土应力场的有限单元法或应力场的有限单元法隐式解法，求解所需应力场仿真结果。
在前处理完成后，即网格剖分完毕，计算参数输入结束，点击“温度场计算”或“温度场和应力场计算”后程序就开始在后台计算，从输出窗口可以看到计算过程的进度。具体地：
在前处理完成后，即网格剖分完毕，计算参数输入结束，点击“温度场计算”或“温度场和应力场计算”后程序就开始在后台计算，从输出窗口可以看到计算过程的进度。
混凝土仿真计算就是对施工过程、环境条件、材料性质变化和防裂措施等因素进行尽可能精确准确细致的数值仿真模拟计算，以得到与实际情况相符合的数值解。混凝土是分层浇筑的，且混凝土的温度计算参数和变形与应力计算参数是随龄期变化的，所以计算时必须充分准确地考虑这些因素对计算的影响。
3.1 混凝土温度场有限单元法求解
3.1.1 不稳定温度场的基本理论
在计算域R内任何一点处，不稳定温度场T（x，y，z，t）须满足热传导连续方程：
  
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE002
            (3-1)
式中：为混凝土温度（℃），a为导温系数（m2/h），
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE004
为绝热温升（℃），
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE005
为龄期（d），
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE007
为时间（d）。
初始条件：                                    (3-2)
边界条件：区域R内的边界分为三类：
（1）第一类为已知温度边界
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE009
： 
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE010
    (3-3)
 （2）第二类为绝热边界
Figure DEST_PATH_IMAGE011
：  
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE012
                  (3-4)
第三类为表面放热边界
Figure DEST_PATH_IMAGE013
：       
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE014
             (3-5)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为混凝土表面放热系数(
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE016
℃))，
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE017
为导热系数（
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE018
℃）），
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为环境温度（℃）。
3.1.2  不稳定温度场的有限元隐式解法
利用变分原理，不稳定温度场微分控制方程（3-1）在式（3-2）～（3-5）定解条件下的解等价于如下泛函
Figure 2012105359100100002DEST_PATH_IMAGE020
的极值问题。
Figure DEST_PATH_IMAGE021
                                            (3-6)
将区域
Figure DEST_PATH_IMAGE023
用有限元离散后，有：
  
Figure DEST_PATH_IMAGE024
                                    (3-7)
          (3-8)
Figure DEST_PATH_IMAGE026
                                         (3-9)
在有限单元法中，每个单元内任何一点处的温度插值公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
                              (3-10)
将式（3-10）代入式（3-6），由泛函的极值条件
Figure DEST_PATH_IMAGE028
可得温度场求解的递推方程组，当对时间坐标用向后的差分格式时，有：
                      (3-11)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
                                   (3-12)
      
Figure DEST_PATH_IMAGE031
                                 (3-13)
Figure DEST_PATH_IMAGE032
                                   (3-14)
以及：
   
Figure DEST_PATH_IMAGE034
            (3-15)
         (3-16)
 
Figure DEST_PATH_IMAGE036
              (3-17)
Figure DEST_PATH_IMAGE037
         (3-18)
Figure DEST_PATH_IMAGE038
         (3-19)
3.2 混凝土应力场的有限单元法求解
3.2.1 应力求解的基本理论
混凝土在复杂应力状态下的应变增量主要包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量，因此有：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
             (3-20)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为混凝土弹性应变增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为徐变应变增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为温度应变增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为干缩应变增量，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为自生体积应变增量。
弹性应变增量
Figure 731385DEST_PATH_IMAGE040
由下式计算
   
Figure DEST_PATH_IMAGE046
            (3-21)
式中： 
Figure DEST_PATH_IMAGE047
             (3-22)
Figure DEST_PATH_IMAGE048
        (3-23)
混凝土弹性模量
Figure DEST_PATH_IMAGE049
一般可用双指数式估算：
       
Figure DEST_PATH_IMAGE050
（E0为终弹性模量）              (3-24)
混凝土徐变应变增量
Figure DEST_PATH_IMAGE051
由下式计算
Figure DEST_PATH_IMAGE052
                         (3-25)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
                               (3-26)
Figure DEST_PATH_IMAGE054
         (3-27)
Figure DEST_PATH_IMAGE055
                          (3-28)
混凝土温度应变增量
Figure DEST_PATH_IMAGE056
由非稳定温度场计算结果求得，求出温度场后可由下式求得：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
                    (3-29)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为混凝土热变形线膨胀系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为温差。
混凝土干缩应变增量
Figure DEST_PATH_IMAGE060
由下式计算
Figure DEST_PATH_IMAGE061
                             (3-30)
Figure DEST_PATH_IMAGE062
                             (3-31)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为最终干缩应变。混凝土自生体积应变增量
Figure 321635DEST_PATH_IMAGE044
可由试验数据拟合得到，拟合形式大多可采用与干缩应变增量相同的形式。
在任一时刻
Figure DEST_PATH_IMAGE064
内，由弹性徐变理论的基本假定可得增量形式的物理方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE065
        (3-32)
         
Figure DEST_PATH_IMAGE066
                          (3-33)
                               (3-34)
3.2.2 应力场的有限单元法隐式解法
由物理方程、几何方程和平衡方程可得任一时段在区域
Figure DEST_PATH_IMAGE069
上的有限元支配方程：
     (3-35)
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE071
为Ri混凝土区域内所有结点三个方向上的位移增量；
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为
Figure DEST_PATH_IMAGE073
时段内由外荷载引起的等效结点力增量，为变温引起的等效结点力增量；
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为由于干缩引起的等效结点力增量。为自生体积变形引起的等效结点力增量。由各个单元的叠加得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE076
Figure DEST_PATH_IMAGE077
            (3-36)
Figure DEST_PATH_IMAGE078
               (3-37)
Figure DEST_PATH_IMAGE079
             (3-38)
Figure DEST_PATH_IMAGE080
             (3-39)
Figure DEST_PATH_IMAGE081
             (3-40)
劲度矩阵Ki由各个单元的劲度矩阵叠加得到：
  
Figure DEST_PATH_IMAGE082
                              (3-41)
由上述各式即可求得任意时段
Figure 835705DEST_PATH_IMAGE064
内的位移增量
Figure DEST_PATH_IMAGE083
，再由下式可算得
Figure DEST_PATH_IMAGE084
内各个单元的应力增量：
Figure DEST_PATH_IMAGE085
      (3-42)
将各时段的位移、应力增量累加，即可求得任意时刻计算域的位移场和应力场：
Figure DEST_PATH_IMAGE086
                                 (3-43)
Figure DEST_PATH_IMAGE087
                                (3-44)
3.3 有限元仿真计算的单元形式
对计算空间域R采用两种等参元进行剖分：8结点六面体等参单元和6结点五面体单元。
8结点六面体单元的形函数为：
Figure 714668DEST_PATH_IMAGE088
Figure DEST_PATH_IMAGE089
                  (3-45)
式中：
Figure 451680DEST_PATH_IMAGE090
为单元8 个结点的局部坐标。
6结点五面体单元的形函数为：
                               (5－46)
Figure 162016DEST_PATH_IMAGE092
                                      (5－47)
Figure DEST_PATH_IMAGE093
                                     (5－48)
Figure 591860DEST_PATH_IMAGE094
                               (5－49)
                                      (5－50)
Figure 505590DEST_PATH_IMAGE096
                                      (5－51)
因有6结点五面体填充单元，可以较好地模拟计算域各种复杂形状的结构；
步骤4：将步骤3所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***进行比较，当步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***不匹配时，多次返回步骤⑵调整相应参数，对根据经验预设的混凝土温控防裂施工方案进行优化，直至得到混凝土温控防裂的最优施工方案。
在步骤4中，所述预设辅助专家***，包括几类典型结构的温控措施，针对未达到防裂目标的仿真计算结果给出指导的措施调整原则；具体如下：
根据辅助专家***后处理功能可以根据温度探头测温、和采取防裂措施的计算结果给出的混凝土浇筑块的温度历史曲线、应力历时曲线、温度和应力等值曲线、温度切片等图像；施工单位根据这些图像可以清楚的知道混凝土内部温度和应力的分布大小是否在混凝土抗裂的应力范围内；如大于混凝土的应力范围，则此部位混凝土可能开裂，应重新调整防裂施工方案。
根据仿真计算结果和辅助专家***意见及措施，绘制出的温度和应力历时曲线、特征截面温度和应力等值线，计算结果对混凝土结构的各种拟定温控方案进行对比分析，反复试算，使实测历时曲线与计算历时曲线趋向吻合，优选出经济有效的温控防裂措施，减少混凝土结构裂缝，提高混凝土结构的安全性能。
由于材料（混凝土）参数已是固定参数，主要调整的是采取温控防裂措施的各项参数，如：冷却水管信息参数，包括：水管布设间距、水管内半径、放热系数、导热系数、通水温度、通水时间等参数调整。
浇筑层信息：浇筑层浇筑范围即浇筑厚度调整、浇筑时间调整、浇筑温度调整
环境温度参数，采取保温措施的保温调整。
 
上述实施例的混凝土结构温控防裂施工方法，将混凝土非稳定温度场和应力场计算程序进行实用化改造，并编制具有可视化界面的前处理模块、计算模块和后处理模块等模块。前处理模块用于输入必要的计算参数，这些参数涉及材料性能、边界条件、施工过程、时间控制。计算模块根据参数自动计算混凝土温度场和应力场随龄期的变化过程，其中应力场计算中考虑的荷载有温度、自身体积变形、徐变、自重等。后处理模块产生特征点的温度和应力历时曲线，以及温度场和应力场等值线。最终形成一个用于混凝土施工期温控防裂措施优化、并基于窗口操作的“混凝土温控仿真辅助分析软件TCAS”。
基于上述实施例的混凝土结构温控防裂施工方法的软件，专门性强，操作简单，界面友好，可以根据实际工程的具体结构特点及施工特点对混凝土结构温度场及应力场进行高精度仿真计算，广大的工程技术人员可以独立使用该软件对混凝土结构的各种拟定温控方案进行仿真计算对比分析，优选出经济有效的温控防裂措施，减少混凝土结构裂缝，提高混凝土结构的安全性能。
上述实施例的混凝土结构温控防裂施工方法，是一种基于窗口操作的大体积混凝土温控仿真辅助分析方法，主要用于对混凝土结构浇筑后常用的温控措施进行仿真计算，模拟混凝土气候条件、浇筑温度控制、外部保温、分缝分块等措施（水管冷却计算模型能够迭代计算冷却水管沿程水温的变化），并根据实际工程的具体结构特点及施工特点对混凝土结构温度场及应力场进行高精度仿真计算，对混凝土结构的各种拟定温控方案进行仿真计算对比分析，优选出经济有效的温控防裂措施，减少混凝土结构裂缝，提高混凝土结构的安全性能。广大的工程技术人员可以利用该软件对混凝土结构的各种拟定温控方案进行仿真计算对比分析，优选出经济有效的温控防裂措施，减少混凝土结构裂缝，提高混凝土结构的安全性能。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，主要包括：
⑴在大体积混凝土浇筑块体的表面布置温度探头，测量大体积混凝土浇筑块体的内外温差、降温速度及环境温度；
⑵基于步骤⑴的测量结果，建立温控施工方案的计算模型；
⑶采集施工现场参数，输入步骤⑵所得计算模型，进行温控仿真计算；
⑷将步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***进行比较，当步骤⑶所得温控仿真计算结果与预设辅助专家***不匹配时，多次返回步骤⑵调整相应参数，对根据经验预设的混凝土温控防裂施工方案进行优化，直至得到混凝土温控防裂的最优施工方案。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，步骤⑴具体包括：
①温度探头的布置范围，以所选混凝土浇筑块体平面图对称轴线的半条轴线为测温区，在测温区内温度测试点呈平面布置；当所选混凝土浇筑块体为长方体时，选取该长方体较短的对称轴线； 
②在测温区内，根据混凝土浇筑块体内温度场的分布情况及温控的要求确定温度探头的位置；
③在基础平面半条对称轴线上，温度测试点（即温度探头安装位置）的点位不宜少于4处；
④沿混凝土浇筑块体厚度方向，每一点位的测点数量，宜不少于5点；
⑤保温养护效果及环境温度测试点（即温度探头安装位置）数量，应根据具体需要确定；
⑥凝土浇筑块体底表面的温度，应以混凝土浇筑块体底表面以上50mm处的温度为准；混凝土浇筑块体的外表温度，应以混凝土外表以内50mm处温度为准。
3.根据权利要求2所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，步骤⑴具体还包括：
测温元件的选择应符合下列规定：测温元件的测温误差应不大于0.3℃，测温元件安装前，必须在浸水24h后，按上述①-⑥的要求进行筛选。
4.根据权利要求3所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，步骤⑴具体还包括：
测温元件的安装及保护应符合下列规定：
测温元件安装位置应准确，固定牢固，并与结构钢筋及固定架金属体绝热；
测温元件的引出线应集中布置，并加以保护；
混凝土浇筑过程中，下料时不得直接冲击测温元件及其引出线.振捣时，振捣器不得触及测温元件及其引出线。
5.根据权利要求4所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，步骤⑴具体还包括：
温度监控方案，即：
温度测试采用精度较高的自动建筑电子测温仪（分辨率0.1℃），对温度数据进行实时采集、监控，监控参数包括混凝土入模温度、混凝土内部温度及环境温度；
根据大体积混凝土早期升温较快，后期降温较慢的特点，采用先频后疏的测温方案；具体测温频率为前4天每2h测温一次，5～8天内每4h测温一次，9～13天内每6h测温一次，14天后每12h测温一次，基础底板混凝土温度基本稳定后停止监控。
6.根据权利要求1所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，步骤⑵具体包括：
应用开发的混凝土结构温控防裂施工专家***，对混凝土结构进行有限元建模，有限元模型的建立主要是通过建立超单元的方法进行。
7.根据权利要求1所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，在步骤⑶中，所述施工现场参数包括浇注层信息和环境温度信息。
8.根据权利要求7所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，在步骤⑶中，所述施工现场参数还包括冷却水管信息；
在所述施工现场参数中，冷却水管信息包括水管布设间距、水管内半径、放热系数、导热系数、通水温度和通水时间，浇筑层信息包括浇筑层浇筑范围即浇筑厚度、浇筑时间、浇筑温度；
获取环境温度信息的操作，包括：通过高端设备获取精确的绝热温升曲线、比热、导温系数，或通过现场原型试验反演获取混凝土的部分热学参数，或通过试验室大型试块温度值反演获取混凝土的部分热学参数。
9.根据权利要求8所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，在步骤⑶中，所述温控仿真计算的操作，具体包括：
温度场计算，即：通过混凝土温度场有限单元法或不稳定温度场的有限元隐式解法，求解所需温度场仿真结果；
温度场和应力场计算，即：通过混凝土应力场的有限单元法或应力场的有限单元法隐式解法，求解所需应力场仿真结果；
在前处理完成后，即网格剖分完毕，计算参数输入结束，点击“温度场计算”或“温度场和应力场计算”后程序就开始在后台计算，从输出窗口可以看到计算过程的进度。
10.根据权利要求1所述的一种混凝土结构温控防裂施工方法，其特征在于，在步骤⑷中，所述预设辅助专家***，包括几类典型结构的温控措施，针对未达到防裂目标的仿真计算结果给出指导的措施调整原则；
根据辅助专家***后处理功能，根据温度探头测温、和采取防裂措施的计算结果给出的混凝土浇筑块的温度历史曲线、应力历时曲线、温度和应力等值曲线、温度切片等图像；施工单位根据这些图像能够清楚地知道混凝土内部温度和应力的分布大小是否在混凝土抗裂的应力范围内；如大于混凝土的应力范围，则此部位混凝土可能开裂，应重新调整防裂施工方案。
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