CN103942407B - 一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，对于单一坝块，将与其相邻的上部坝块、下部坝块部分融入，构成目标坝块模型；冷却水管周围的网格节点，沿着冷却水管的径向方向布置，同时网格单元逐渐从靠近水管处的较小体积、过渡到远处较大的体积。平面温度场仿真。本发明一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，对浇筑块进行温度仿真，获取整个浇筑块的温度场数据。针对性地给出个性化通水建议，提高冷却通水的控制水平，从而提升大坝混凝土的施工质量，同时也减轻一线施工人员的工作负担。

Description

一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法

技术领域

本发明一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，用于浇筑块温控领域。

背景技术

水工混凝土建筑物一般体积都很大，而且由于施工和结构上的需要，常常是大体积浇筑。混凝土中的水泥在水化硬结过程中，会发生数量可观的水化热，使混凝土在浇筑后的几天内，内部温度很快上升，当达到最高温度后温度开始下降。但因混凝土是一种导热性能极为不良的材料，如果任其自然散发，有时需要上十年甚至上百年的时间，坝体内部的温度才会达到稳定温度。从工程及时受益的要求来看，需要采取冷却通水措施来降低坝体混凝土的温度。另外，混凝土温度的大幅变化也可能会使混凝土产生表面裂缝或深层贯穿裂缝，这对于结构作用和建筑物防渗都是不利的，也需要采取冷却通水措施来降低坝体混凝土的温升。

大体积混凝土内部温度控制是影响混凝土施工质量的关键因素之一。人工冷却是目前施工中温控的重要手段，冷却通水决策往往依据于一线施工人员的经验，通水控制工作量繁杂，难以制定更个性的冷却通水方案，测点较少，温度数据缺乏，影响坝块温控，当前商业软件由于功能强大而造成的复杂性与施工一线的简易性要求难以匹配。只有操作简便、小巧灵便、能够指导通水的分析工具才最具有在施工一线应用的价值。

由于经济等方面的制约，在施工中一般一个坝块内部埋设的温度测点是有限的，普遍不超过三个。而通水控制计划必须依靠有限的温度测点来制定，当测点温度并不能反映坝块内部更大范围内的实际温度信息或者某些特殊情况时，对于该坝块的冷却通水控制计划就缺乏有效性。随着大型水工建筑物建设规模和难度的加大，施工一线对施工质量和减少人工等方面也有了更高的要求。在大坝温度控制的过程，技术人员需要能够全面反映浇筑块内部温度场从来来指导冷却通水，提高温度控制水平。实现温控的个性化、精细化、智能化，提升大坝混凝土施工质量，减轻施工人员的工作负担。

发明内容

本发明提供一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，对浇筑块进行温度仿真，获取整个浇筑块的温度场数据。针对性地给出个性化通水建议，提高冷却通水的控制水平，从而提升大坝混凝土的施工质量，同时也减轻一线施工人员的工作负担。

本发明采取的技术方案为：一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，包括以下步骤：

步骤一：对于单一坝块，将与其相邻的上部坝块、下部坝块部分融入，构成目标坝块模型；

步骤二：冷却水管周围的网格节点，沿着冷却水管的径向方向布置，同时网格单元逐渐从靠近水管处的较小体积、过渡到远处较大的体积。

步骤三：平面温度场仿真：

将冷却水管分成数段，某一段水管末端截面上的水温T_wi+1等于该段水管前端截面的水温T_wi加上两截面间由于吸收混凝土水化热而产生的水温增量△T_wi：

T_wi+1＝T_wi+ΔT_wi (2)

其中，为冷却水管截 面编号。

所述步骤一中，目标坝块模型包括：下部坝块中心温度测点所在高程面以上部分，上部坝块中心温度测点所在高程面以下部分。

所述步骤二中，网格单元包括多个三角形单元，三角形单元为平面温度场。

本发明一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，技术效果如下：

1）、本发明算法采用一些有效合理的简化手段，在保证满足施工温控要求的前提下，减少了有限元前后处理工作量，提高了施工效率；

2）、本发明由于简化手段的使用，整个算法中需要的数据大大减少，只涉及基本的热力学参数，降低了对技术人员的要求，这对施工过程中温控的连续性和稳定性大有裨益；

3）、本发明算法能够从任一时刻开始，通过获得的该时刻浇筑块内各温度计测得的温度（即任一初始温度场）计算出此后一定时限范围内任一时刻的温度场，可以忽略利用算法计算的初始时刻之前的温度情况，该方式能够保证在施工出现不可控变化的情况下通过算法依然能够获取可靠地浇筑块温度场。

4）、本发明主要是针对单一浇筑块，而不是整个混凝土大坝或者整个坝段，有一定的工程实施灵活性。

5）、该计算方法在前期进行了模型的合理简化：由于施工现场环境多变，施工人员技术水平参差不齐，不能够完全保证所有的施工方案都是准确执行，这就使得在施工一线使用的分析工具并不是考虑的因素越多、计算越精准就越能更好的指导现场工作，而且工程现场需要考虑的因素都是多变的，几乎无法在整个施工期都保证都完全考虑。该计算方法进行了一定的模型简化，既保证了简化模型的合理性，又保证了理论数据与现场实际的相符。

6）、并在后期采用了反分析进行优化，保证了工程应用中数据的可靠性。分析工具只有进行合理地模型简化，摒弃一些并不直接影响或者影响较小的因素，然后通过后期优化，才能够保证最后获取的数据是可靠的。这样能够排除现场施工一定的随意性对结果的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本发明目标坝块模型转换图；

图2为本发明垂直截面在水管附近的网格划分示意图；

图3为本发明蛇形水管简化处理示意图。

具体实施方式

一、模型的建立：对于单一坝块1.1，其内部温度场受上、下相邻坝块的影响较大，而受左右岸相邻坝块的影响比较有限。考虑分别将将与其相邻的上部坝块1.2、下部坝块1.3部分融入，构成目标坝块模型1。如图1所示。由于坝块的厚度相对于其水平向尺寸而言很小，可视为薄板体。那么对于任一单一坝块1.1，其三维温度场受同一坝段上部坝块1.2和下部坝块1.3的影响较大，而受左岸和右岸相邻坝块的影响有限。在上部坝块1.2、下部坝块1.3接触面上没有温度测点的条件下，如果不对上部坝块1.2、下部坝块1.3进行考虑，那么单一坝块1.1在与上部坝块1.2、下部坝块1.3接触面处的边界传热情况就难以确定。因此考虑分别将上部坝块1.2、下部坝块1.3的一部分融入到目标坝块模型1中。应该在上部坝块1.2、下部坝块1.3取多大一部分，坝块内部埋置的温度测点对简化问题提供了条件。对于类似薄板体的坝块，其某一高程平面上的温度场较为均匀。那么在取得测点温度的情况下就可以近似地推测测点所在平面上节点的温度，这就形成了一个确定的边界条件。如图1所示，目标坝块模型1包括：下部坝块1.3中心温度测点B所在高程面以上部分；如果顶上相邻坝块已经浇筑，上部坝块1.2中心温度测点A所在高程面以下部分。

二、坝块模型网格划分：要实现坝块温度场的精细仿真，就需要将坝块中冷却水管2对温度场的影响如实反映。因此模型网格一要尽可能真实地定位冷却水管2的位置；二要能够提高冷却水管2周围沿半径方向上的混凝土温度梯度精度。对于冷却水管2，模型中应严格体现水管布置的高程、水平间距及竖直间距、水管直径等信息。在其他方面可以按照一般情况处理，比如冷却水管2与上下游坝面保持的距离等内容。这样可以有效减少施工一线的人员操作，同时又不会影响温度场仿真精度。为了提高温度梯度的精度，在模型网格上采取如下措施：冷却水管2周围的网格节点沿着冷却水管2的径向方向布置，同时网格单元逐渐从靠近冷却水管2处的较小体积过渡到远处较大的体积。模型网格中并未包含薄薄的水管壁部分。如图2所示，为一垂直于水管的平面的网格划分情况。从图中也可以看到，在平面温度场计算中一般采用三角形单元。

二、边界条件设定：对于温度场的仿真实际上就是求解一个偏微分方程组，对偏微分方程组的求解而言边界是极其重要的条件。经过大量的实地调研，总结混凝土坝块经常遇到的边界条件如下：

3.1、第一类边界条件：

3.1.1、在坝体施工后期，施工上游围堰可能已经拆除，坝体上游侧已有一定蓄水。此时在蓄水位以下的混凝土上游面与库水接触，表面温度始终保持与水温相同。

3.1.2、在模型设定中已经阐述了模型上顶面和下底面的边界也按照第一类边界条件计算，其温度值为测点温度值。

3.1.3、在某些特殊部位，冷却水管2材料会采用金属，由于金属材料具有良好的导热性能可以将其按照第一类边界条件计算：T=T_w。

3.2、第二类边界条件：

对于与左右岸方向的相邻坝块接触的横缝面，当相邻坝块已经浇筑时，按照绝热面处理.这主要是对于类似薄板体的坝块而言，目标单一坝块1.1与相邻坝块的混凝土间传递的热量少，对目标坝块的中心部位温度影响极其微小，故按照第二类边界条件中的绝热处理。

3.3、第三类边界条件：

3.3.1、坝块顶面养护：在仓面养护中经常能够见到覆盖保温被进行保温，在冬季，如果某一坝块的顶层相邻坝块浇筑时间较晚，则该坝块顶面需要铺设保温被进行保温，等效热交换系数β不高于10kJ/(m²·h·℃)。在夏季，如果仓内气温在混凝土浇筑收仓后高于23℃，则仓面上应该马上铺设保温被这一隔热措施，同样等效表面散热系数β应不高于10kJ/(m²·h·℃)，傍晚的时候掀开保温被并开展湿养护。另外在夏季遇到气温骤降时，也应该覆盖保温被保温，待气温回暖后，掀开保温被并开展层面湿养护。

3.3.2、坝块上下游面的养护：在浇筑初期，坝块上下游面处于钢模板的养护状态。一般在钢模板的骨架内部空间，填入类似泡沫板的材料进行保温。根据经验，采取这一措施后，一定程度上能够保证在此时在近上下游面部位的混凝土温度与坝块中心温度梯度较小。另外钢模板的拆除时间基本不早于浇筑后五天，遇到气温骤降时也是不允许拆模的。在拆除钢模板后，立即在上下游坝面上粘贴30mm～50mm后的聚苯乙烯泡沫板进行保温。所以如果某一单一坝块1.1刚浇筑不久，则该坝块与底层相邻坝块的上下游面可能处于不同的养护状态中，底层坝块的上游面粘贴的是聚苯乙烯泡沫板，而刚浇筑不久的坝块则是钢模板的养护状态。

3.3、非金属水管边界：

目前在混凝土坝施工中，除了某些特殊部位采用金属水管外，普遍采用的是非金属水管，前面已经阐述了金属水管属于第一类边界条件，而非金属水管则应该按照第三类边界条件计算：

其中，表示混凝土内表面的热流量，注意是温度沿水管径向的梯度；多项式第二项为水管径向热流量，其中λ₁为水管导热系数（kJ/(m·h·℃)），c为水管外半径（m），r₀为水管内半径（m）；T_w为冷却水温度（℃）。

初始条件设定：

对每一个单一坝块1.1而言，在混凝土入仓浇筑时均有一个浇筑温度。那么对于从浇筑时刻开始进行温度场仿真的目标坝块，其初始温度场即为均匀的温度场，大小为浇筑温度；对于目标坝块底面以下的相邻坝块，其加入目标坝块模型的部分以该坝块在目标坝块浇筑时刻的温度场作为初始温度场。

在目标坝块顶部已经覆盖新一层坝块时，这时顶层坝块中考虑进目标坝块模型的部分在其浇筑时刻，以其浇筑温度作为初始温度场加入目标坝块模型进行计算。此后的任意时刻作为温度场计算的起点时，初始温度场即应该为之前已经求得的该时刻温度场作为初始温度场。

含冷却水管温度场的模型精细仿真：

首先假定水管内的全部冷却水温度都等于水管进水口处的水温。在沿着冷却水管方向取若干个垂直水管的截面，此时这些二维截面的所有边界条件都是确定的，可以求得截面的温度场。但是实际中由于冷却水在流动过程中不断与混凝土进行热量交换，沿程水温必定是变化的。那么初始假设冷却水温均等于进水口水温就不符合实际，需要采用迭代法去调整逼近真实的水温沿程变化。将冷却水管分成数段，某一段水管末端截面上的水温T_wi+1等于该段水管前端截面的水温T_wi加上两截面间由于吸收混凝土水化热而产生的水温增量△T_wi：

T_wi+1=T_wi+△T_wi （2）

其中，为水管截 面编号。

针对蛇形水管，沿程水温计算T_wi+1＝T_wi+ΔT_wi详细说明如下：

如图3所示，T_wA2＝T_wA1+ΔT_wA1，T_wA3＝T_wA2+ΔT_wA2，......

T_wB1=T_wB2+ΔT_wB2，T_wB2=T_wB3+ΔT_wB3，......

对于拐弯处的水管需要采取一定的简化措施，这主要有两方面的考虑。一是为了模型网格划分的简便性，如果要完整模拟拐弯处的水管，那么模型网格将非常复杂，网格的自动划分实现较难；二是拐弯段的冷却水对占有更大体积的坝块内部温度场影响较小，可以对直线段的水管采取延长一小段的措施来考虑拐弯段冷却水的影响。

那么在图3中拐弯处的水温则需要考虑相邻的水管，如T_wBn=T_wAn+△T_wAn。

其中，

又如T_wC1＝T_wB1+ΔT_wB1。

其中，

在初始假设下求得的温度场T⁽¹⁾可以进一步求解得到各个截面的进而求得沿程水温增量△T_wi及沿程水温T_wi，即得到沿程水温的第一次近似

以沿程水温的第一次近似值继续计算各截面的温度场，由求得的温度场可以进一步求解得到沿程水温的第二次近似如此循环计算，直到沿程水温趋向稳定，迭代过程结束。稳定指标为：

其中，k为迭代次数，ε为控制参数。

本***采用修正的最小二乘法——Marquardt方法来优化混凝土热学参数，此时目标函数为不同时刻计算得到的测点位置温度与测点实测温度之差的平方和。

其中，为将要优化的热学参数，为计算得到的τ时刻测点位置温度，为τ时刻测点实测温度，共有t个时刻的温度值，一般要求t≥n。

最后，参数优化完成的判定准则为：ε为设定的常数。

然后采用经过最小二乘法来优化的混凝土热学参数进行有限单元法求解温度场的计算，得到浇筑块的混凝土温度场。

Claims (1)

1.一种基于浇筑块的混凝土温度场仿真计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：对于单一坝块(1.1)，将与其相邻的上部坝块(1.2)、下部坝块(1.3)部分融入，构成目标坝块模型(1)；

步骤二：冷却水管(2)周围的网格节点，沿着冷却水管(2)的径向方向布置，同时网格单元逐渐从靠近水管处的较小体积、过渡到远处较大的体积；

步骤三：平面温度场仿真：

将冷却水管(2)分成数段，某一段水管末端截面上的水温T_wi+1等于该段水管前端截面的水温T_wi加上两截面间由于吸收混凝土水化热而产生的水温增量ΔT_wi：

T_wi+1＝T_wi+ΔT_wi

其中，为冷却水管(2)截面编号；

所述步骤一中，目标坝块模型(1)包括：下部坝块(1.3)中心温度测点(B)所在高程面以上部分，上部坝块(1.2)中心温度测点(A)所在高程面以下部分；

所述步骤二中，网格单元包括多个三角形单元，三角形单元为平面温度场；

所述步骤三中，平面温度场仿真包括三类边界条件：

3.1、第一类边界条件：

3.1.1、在坝体施工后期，表面温度始终保持与水温相同；

3.1.2、在模型设定中，已经阐述了目标坝块模型(1)的上顶面和下底面的边界，其温度值为测点温度值；

3.1.3、在某些特殊部位，冷却水管(2)材料会采用金属，由于金属材料具有良好的导热性能，T＝T_w；

3.2、第二类边界条件：

对于与左、右岸方向的相邻坝块接触的横缝面，当相邻坝块已经浇筑时，按照绝热面处理；

3.3、第三类边界条件：

3.3.1、坝块顶面养护：在冬季，如果某一坝块的顶层相邻坝块浇筑时间较晚，则该坝块顶面铺设保温被进行保温，等效热交换系数β不高于10kJ/(m²·h·℃)；

在夏季，如果仓内气温在混凝土浇筑收仓后高于23℃，则仓面上应该马上铺设保温隔热措施，同样等效表面散热系数β应不高于10kJ/(m²·h·℃)；

3.3.2、坝块上下游面的养护：在浇筑初期，在钢模板的骨架内部空间，填入泡沫板材料进行保温；

3.3.3、非金属水管边界：除了某些特殊部位采用金属水管外，普遍采用的是非金属水管，

非金属水管边界条件计算：

其中：表示混凝土内表面的热流量，是温度沿水管径向的梯度；

k(T-Tw)为水管径向热流量，其中λ为水管导热系数kJ/m·h·℃，

c为水管外半径m，r₀为水管内半径m；T_w为冷却水温度℃；

所述步骤三中，从浇筑时刻开始进行温度场仿真的目标坝块模型(1)，其初始温度场即为均匀的温度场，大小为浇筑温度；对于目标坝块模型(1)底面以下的下部坝块(1.3)，其融入目标坝块模型(1)的部分，以该坝块在目标坝块模型(1)浇筑时刻的温度场，作为初始温度场；

所述步骤三中，在目标坝块模型(1)顶部已经覆盖上部坝块(1.2)时，这时上部坝块(1.2)中融入进目标坝块模型(1)的部分在其浇筑时刻，以其浇筑温度作为初始温度场加入目标坝块模型(1)进行计算，此后的任意时刻作为温度场计算的起点时，初始温度场即为之前已经求得的该时刻温度场作为初始温度场；

所述步骤三中，冷却水管(2)为蛇形水管时，沿程水温计算T_wi+1＝T_wi+ΔT_wi，详细说明如下：T_wA2＝T_wA1+ΔT_wA1，T_wA3＝T_wA2+ΔT_wA2，……

T_wB1＝T_wB2+ΔT_wB2，T_wB2＝T_wB3+ΔT_wB3，……

对于拐弯处的水管，拐弯处的水温则需要考虑相邻的水管，：T_wBn＝T_wAn+ΔT_wAn，

其中，

T_wCl＝T_wBl+ΔT_wBl，

其中，

在初始假设下求得的温度场T^(l)可以进一步求解得到各个截面的进而求得沿程水温增量ΔT_wi及沿程水温T_wi，即得到沿程水温的第一次近似

以沿程水温的第一次近似值继续计算各截面的温度场，由求得的温度场可以进一步求解得到沿程水温的第二次近似如此循环计算，直到沿程水温趋向稳定，迭代过程结束，稳定指标为：

其中，k为迭代次数，ε为控制参数；

采用修正的最小二乘法——Marquardt方法来优化混凝土热学参数，此时目标函数为不同时刻计算得到的测点位置温度与测点实测温度之差的平方和，

其中，为将要优化的热学参数，为计算得到的τ时刻测点位置温度，为τ时刻测点实测温度，共有f个时刻的温度值，要求t≥n，

最后，参数优化完成的判定准则为ε为设定的常数；

然后采用经过最小二乘法来优化的混凝土热学参数进行有限单元法求解温度场的计算，得到浇筑块的混凝土温度场；

该仿真算法能够从任一时刻开始，通过获得的该时刻浇筑块内各温度计测得的温度，即任一初始温度场，计算出此后一定时限范围内任一时刻的温度场，能够忽略利用算法计算的初始时刻之前的温度情况，能够保证在施工出现不可控变化的情况下通过算法依然能够获取可靠地浇筑块温度场。