大体积混凝土温度数字化仿真与监测技术开发与应用.pdf

2 0 1 4 年 7 月第 7 期 城 市道桥与 防洪 成果应用 3 6 5 大体积混凝土温度数字化仿真与监测技术 开发 与应用 冯 凯 ( 上海城建( 集团) 公司，上海市2 0 0 1 2 2 ) 摘要： 温度控制是大体积混凝土浇筑施工质量的关键因素。有效的温度监测和分析技术为混凝土施工措施提供 了有力依据。 随着电子和计算机应用技术的日益提高和广泛应用，数字化技术的开发和应用为大体积混凝土温度仿真分析和高效监测提供 了可靠基础。该文基于热力学原理和工况条件分析， 建立温度场有限元仿真分析方法 ， 并开发大体积混凝土监测系统和无线测 温技术 ， 实现了模拟分析和实测比较的系统手段， 对完善大体积混凝土温度分析与控制技术具有积极意义。 关键词 ： 大体积混凝土； 数字化仿真； 温度监测 中图分类号 ：T U 5 2 8 、T U 5 0 2 文献标识码：B 文章编号 ：1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 3 6 5 0 4 O 引言 大型地基基 础工程一般都有特 大的混凝土基 础底板或承台，厚度可达 4 m以上 ，体积超过上 万立方米 大体积混凝土结构截面大 ，水泥 的水化 热大。混凝土温度内高外低 ，形成了温度梯度 ， 使混凝土内部产生压应力 ，表面产生拉应力，表 面的拉 应力超过混凝土 的极 限抗拉强 度 ，产生表 面裂缝 ；在强度发展到一定程度 ，混凝土逐渐降 温 ，这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起 的体积收缩变形，受到地基和其它结构边界条件 的约束时，引起的拉应力超过混凝土极限抗拉强 度 时就可能产生贯通整个截面 的裂缝 。因此 ，在 大体积混凝土施工中，必须采用先进的技术手段 来监测和分析混凝土温度场 ，进而有针对性地选 择合适的温控措施 ，从而确保混凝土不开裂。 数字化模拟仿真分析是随着计算机技术和有 限元技术发展而发展起来的一门技术。数字化模 拟仿真分析借助计算机的计算分析具有效率高 、 先验性和解决问题能力强等优点。目前 ，各种大 型通用有限元软件如 A B A Q U S 、A D I N A，以及其 它大量的专业分析软件如 S A P 、M I D A S 等的发展 和应用为工程数字化模拟仿真分析提供 了条件 ， 尤其在设计上，解决了诸多问题，同时也为其工 程施工领域奠定 了基础 。 本文引入数字化仿真和监测技术 ，为大体积 混凝土温控措施的依据，以及温度控制效果分析 提供两种手段，从而使大体积混凝土技术和质量 收稿日期 ： 2 0 1 4 0 5 1 3 作者简介： 冯凯( 1 9 7 6 一 ) 男 ， 江苏苏州人， 博士， 高级经济师 从 事工 程施工 技术主 数据规划 和工程 管理数 字化工作 。 控制能力和效率得以提高，并为有关分析研究提 供理论和实践方法。 1 大体积混凝土温度场有限元仿真理论选择 混凝土的温度场首先基于热传导原理，并借 助有限元理论、采用有限元软件进行分析预测。 1 1 热传导方程 早 期混 凝土 内部温 度场分 布 随龄 期 的变化 ， 可以视混凝 土为均匀 、正交各 向同性材料 ，所 以 三维热传导方程可以表示为： = + + ) + = 口 I 十 十 u 式中：卜混凝土内部任一点( ， Y ， ) 在t 时刻的 温度 ； 导温系数，a = A ( p c ) ； c 为混凝土的比热 ； p 混凝 土的密度 ； 混凝土绝热温升函数 ； 时间 ； A 混凝土导热系数 。 对于上述抛物线型偏微分方程 ，基于加权残 数 ( Me t h o d o f We i g h t R e s i d u e s ) 或G e r k i n法进 行 离散得一阶常微分方程组 ： c + KT = P ( 2 ) dt 式中：C 比热容矩阵； 热传导矩阵； 卜温度荷载列阵； 卜结点温度列阵。 1 2 边值条件 由于热传导方程系初值问题，故求解上述方 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 6 成果应用 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 4 年 7 月第 7 期 程需要知道方程的边值条件。边值条件包括初始 条件和边界条件。 1 2 1 初始条件 初始条件为在初始瞬时物体内部的温度分布 规律。在初始瞬时，温度场是坐标 T ( x ， ) ， ， z ) 的己 知函数 死( ， ， ， ， z ) ，且 口 ： T ( x ， Y ， z ， 0 ) = T o ( ， y， z ) ( 3 ) 在很多情况下，大体积混凝土的初时温度分 布可以认为是常数( 人模温度) 。 1 - 2 _ 2 边界条件 大体积混凝土热传导方程有 四类边界条件， 即： ( 1 ) 混凝土表面温度是时间的已知函数。( 2 ) 混 凝土表面的热量是时间的已知函数。( 3 ) 假定经过 混凝土表面的热流量与混凝土表面温度和气温之 差成正比； ( 4 ) 当两种不同的固体接触时，如果接 触 良好 ，则在接触面上温度和热量都是连续的 ； 如果两固体之间接触不 良，则温度是不连续的 ， 假设接触缝隙中的热量是可以忽略的，那么接触 面上的热流量应保持平衡。 在采用有限元数字仿真模拟大体积混凝土施 工期温度场时一般采用第一类或第三类边界条 件 。即： a 第一类边界条件 ：混凝土表面温度 是时 间的已知函数 ，即 ( ) r ) ( 4 ) b 第三类边界条件 ：当混凝土与空气接触时， 经过混凝土表面 的热流量是 ： g ： 一 A 婴 ( 5 ) o n 假 定经过混凝 土表面 的热流量 与混凝 土表面 温度和气温之差成正 比，即： 一 A ( ) On 式中， 为表面放热系数。 当表面放热系数 _ 时 ， 温措施 ，即为第一类 边界条件 ， 温度相 同 ；当 3 = 0时 ，O T I o M= O ， 2 混凝土热学性能分析 ( 6 ) = ， 此时无保 表面与外界空气 即为绝热边界 。 大体积混凝土温度场仿真分析中，混凝土既 作为发热体 ( 水泥及掺和料与水的水化过程中放 热) ，又作为热的传导体。混凝土的热学性能分 析方法和依据直接影响温度场仿真计算的结果。 2 1 水化模型 水泥用量相同，但水泥品种不同的混凝土绝 热温升也不同，且水泥越细，发热速率越快 ，但 是 水泥细度不影 响最终发热量。水泥水化热模 型 是 龄期 的函数 ，常采用指数式 ： ( t ) = O o ( 1 - e x p ) ( 7 ) 式中， ( ) 为水泥随时间变化的温度； m为水 泥品种与放热速度有关的系数，对普通硅酸盐水泥 m = 0 4 3 + 0 0 0 1 8 W，早 强 水 泥 m = 0 6 3 + 0 0 0 1 8 W， 矿渣水泥 m = 0 5 5 + 0 0 0 1 W；W 为单位体积水泥用 量 ，k g m 。 2 2其他参数 2 2 1 材料特征 在进行大体积混凝土温度场有限元计算分析 中的材料特征如下 ： 比热 c = 0 9 6 k J ( k g h) ， 导 热 系数 A = 1 0 k J ( m h )，容 重 p = 2 4 0 0 k 咖 。 ，线 膨 胀 系 数 o t =1 0 1 0 。 混凝土弹性模量是龄期的函数 E ( 下 ) ，一般采 用下式 ： E( t ) - - E c ( 1 - e x p 吼) ( 8 ) 式中： 龄期 ，d ； 混凝土最终弹性模量，N m m ，可近 似取 2 8 d的弹性模量。 2 _ 2 2 放热 系数 当混凝土表面附有模板或保温层时，按第三 类边界条件计算，但用选择放热系数的方法来考 虑模板或保温层的影响： 9 ) 式中： 最外面保温层在空气中的放热系数； h 保温层厚度； A 广一 保温层的导热系数。 3 温度参数 在大体积混凝土温度场仿真分析中，需要考 虑 的温度包括 ：绝热温升 、最高温升、人模温 度、环境温度。 3 1 绝热温升 在没有任何热损耗的情况下，水泥和水化合 后产生的反应热 ，全部转化为温升后的最大温 差，按下式计算 ： ( 1 0 ) 式中：Q 水泥最终水化热 ，k J & g ； 单位体积混凝土中水泥用量，k g m s ； 卜单位体积混凝土中混合材料的用量 ， k g m ； 混合材料水化热折减系数； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 成果应用3 6 7 C 混凝土 比热 ，k J &g C； p 混凝土的密度 ，k N m 。 3 2 最 高温度 大体积混凝土 内部 的最高温度是 由人模温 度、水泥水化热引起的温升和混凝土的散热温度 三部分组成。对于厚度较大的混凝土，内部最高 温度可以近似视为人模温度与绝热温升之和。厚 度较小的混凝土内部最高温度为人模温度与最高 温升之和 ，最高温升与厚度有关，为绝热温升与 散热温度之差 。 3 3 入模温度 混凝土的人模温度与环境温度 、混凝土运输 工具类型、运输时间、运输距离等有关。对人模 温度有直接影响的是浇筑当13 气温 ，气温通过影 响混凝土的组分温度而影响入模温度 。一般而 言，人模温度与 13 平均气温相当。 3 4 环境温度 环境温 度需 根据 当地季 节 、天气情 况确 定 ， 一 般可取浇筑期间的平均气温。另一方面，环境 温度对混凝土表面温度影响较大 ；对于混凝土块 体核心区域温度影响很小，可以忽略不计。如果 十分注重环境温度对温度场影响，可以视环境温 度变化为时间的正弦( 或余弦 ) 函数 。通常情况 下 ，可 以忽略环境温度变化的影响 。 4 大体积混凝土温度监测技术的开发 大体积混凝土结构在施工及养护期间将主要 产生两种变形 ：因降温而产生的温度收缩变形及 因水泥水化作用而产生的水化收缩变形，这些变 形在受到约束的条件下 ，将在结构 内部及其表面 产生拉应力 。当拉应力超过 混凝土相应龄期 的抗 拉强度时，结构开裂。因此 ，在大体积混凝土施 工过程中，为避免产生过大的温度应力，防止温 度裂缝的产生或把裂缝控制在某个界限内，必须 进行现场温度实测 ，掌握混凝土结构的温度场分 布 ，预测混凝土结构的温度变化趋势。常用的测 温方法有人工测温 、电子测 温仪测 温 、全 自动温 度记录仪测温等。为整合多种测温技术并应对复 杂环境的测温需要 ，进行如下计算机温度监测系 统开发和无线测温系统开发。 4 1 大体积混凝土温度监测系统 为实现全数字式方式对大体积混凝土水化热 过程中温度变化状况进行监测 ，掌握混凝土的温 差波动情况，以指导混凝土的保温措施 ，系统采 用上下位机方案，即：下位机主要负责大体积混 凝土的温度采集与汇总，而上位机则根据采集数 据进行数据分析、处理、存储 ，以图形、声音等 多媒体方式表现大体积混凝土的温度变化状况 ， 并在温度超限时提供恰当的报警方式。在操作平 台方面努力做到界面友好 ，提供较丰富的软件功 能和数据交换功能 ，满足二次开发需要 。整个体 系结构如 图 1 所示。 圈 1 大 体 积 混 凝 土 温 度 监 测 系统 结 构 图 4 2 无线测温系统 为应对施工现场的复杂条件 ，避免因大体积 混凝土的测温数据传输线缆扯断或砸断等导致的 测温过程中数据采集不全面，影响大体积混凝土 升温和降温阶段实时监测，开发了 “ 基于G P R S 的 大体积混凝土温度监测系统” 。 系统包括 G P R S采集模块和数据控制中心 ， G P R S 采集模块和数据控制中心通过 G P R S网络相 互通信 ，如图 2所示。在图 2中：1为 G P R S采 集模块 ；2为数据控制中心 ；1 1 为数据采集单 元；1 2 为 G P R S 无线数据传输单元。 短 信 平 台； ； G P I t s 及I t e e t 图 2 混凝 - 1- 无线温 度监测 系统示意 圈 G P R S采集模块 自动采集或接收来 自数据控 制中心的采集指令后采集大体积混凝土各点的温 度 ，并将该数据整理 、封包并发往数据控制中 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 8 成果应用 城 市道桥 与防 洪 2 0 1 4 年 7 月第 7 期 心 ，数据控制 中心对 G P R S采集模 块发 出控制 指 令，且接收来 自G P R S 采集模块的温度数据 ，并 对该数据封包、处理 、储存及输出。克服以往采 用 电缆线传输方式和通过射频技术无线传输方式 监 测的缺陷 ，实现大体积混凝土测温数据 的长距 离 、异地无线监测 ，用户可以在异地方便地监测 现场大体积混凝土的温度变化 ，以指导大体积混 凝土 的保温措施 。实现大体积 混凝 土测温数据 的 长距 离 、异地监测 ，监测具 有实 时性 、准 确性 、 完整性和灵活性 的优点。 采 集模 式 包 括 两种 两 种 ：主动 模 式 和被 动 模 式 ，模 式选 择 和切换 可 以在 数据 控 制 中 心通 过控制实现 ；在主动模式下 ，数据控制中心根 据用户需 要随时对 G P R S采集模块发送采集指 令主动获取温度数据 ；G P R S采集模块始终保持 等 待指 令状 态 ；在 被 动模式 下 ，数 据 控 制 中心 被 动 接 受 G P R S采集 模 块 主 动 发 送 的数 据 ， 当 采 集 间隔 时 间超过 预定 时 间时 ，在 数 据 发送 完 成 后 ，模 块 会 主 动关 闭 G P R S连 接 同 时进 入 省 电模式 。 5 仿真分析与监测案例 在某大型 基础 工程底板浇筑 ，应用仿 真技术 和实际监测技术分别进行 了比较分析 。 5 1 有 限元模型温度场分析 选择 M I D A S分析软件 ，建立有 限元模型 ，施 加边界条件 、温度荷载 。 ( 1 ) 两次浇筑方案：大体积混凝土温度场示例 如图 3 图 6所示。 图 3 浇筑后 1 d的温度 场 图 4 浇筑 后 3 d的温 度场 图 5 浇筑 后 1 0 d的温度场 图 6浇筑后 1 0 d的温 度场 ( 2 ) 布置可冷却水 管方案 ：根据 布置方式 、通 水温度、通水时间、通水流量等分析混凝土温度 场 ，无冷却水 管与有冷却 水管的温度场 比较如 图 7图 l 0所 示 。 图 7 无冷却 水管 3 d温度场 图 8 有冷却 水管 3 d温 度场 图 9 无冷 却水管 1 0 d温度 场 图 1 O 有冷却水 管 1 0 d温度场 ( 下转第 3 7 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 7 8 成果应用 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 7月第 7 期 表 2供 氧方式对 比表 环境控制效果好 较差 运行成本 剃、 欷 设备腐 蚀和 建能有效地 减少对设 备和对设 备和 建构筑 物腐蚀 构筑物腐蚀 建构筑物的腐蚀 较重 设 备 特 殊 要 求梁 嚣 嚣 叶 轮 需 采 用 风 机 无 特 殊 要 求 2 4 0 0 0 0 m 3 h 。 设 1 个除臭滤池， 处理能力 2 4 0 0 0 0 m3 h 。 除臭滤池分 4 个单元 ，每个单元设有引风机 、加 科仓及 I l 负 压 吸 风 干 管 气 流 方 向 l 混 料 区 l l璜 部 变 径 回 风 气 流 方 秸杆 区 f 1 f e 成 品 区 l l 负 压 吸 风 干 管 解 分区 l 隧风 风机 图 3 除 曼 通 风 设 计 圈 湿水泵等 。除臭滤池 主要考虑翻抛 、曝气时运 行，每天运行能耗约 2 7 6 o k w h 。 若按照传统正压曝气风量计算 ，考虑车间内 2次换风次数，则需要 3 2 9 0 0 0 m 3 h ，较负压曝气 风量增加约 3 7 0 ，每年需增加电费约 1 9 7 万元。 6结语 污泥堆肥工艺曝气方式的选择，对发酵车间 内环境质量控制、设备要求、运行成本等均有较 大的影响。从实际运行情况来看 ，采用负压曝气 方式的污泥厂 ，其车间内环境质量明显好于常规 正压曝气的污泥厂，大大改善工人的操作环境。 ( 上接 第 3 6 8页) 5 2 温度场的实际监测 测温点的布置原则为： ( 1 ) 能反映整个大体积 混凝土的温度场及温度变化规律 ； ( 2 ) 温度梯度大 的地方测点布置得密 ，反之温度梯度小 的地 方测 点布置得稀 。 根据混凝土的形状 、对称性及混凝土的浇筑 顺序等确定以先浇筑的上下两块为主布置监测 点；同时考虑到后浇筑的上下两块晚浇筑，受环 境温度变化的影响，温度可能略有不同，进而辅 助布置一些测点。 从实测保温效果来看 ，一次性浇筑的混凝土 保温效果明显要优于分层浇筑的保温效果。分层 浇筑由于大量竖向插筋的存在，第一次浇筑的混 凝土只能采用多块薄膜覆盖 ，保温效果较差。因 此，从温控角度 ，在其它条件允许的情况下，最 好一次性浇筑 。 6 结语 大体积混凝土的温度监测、分析和控制是确 保混凝土施工质量和结构安全的必要保障。采用 有效的分析技术和监测方法有利于混凝土施工的 预控措施的设计和实施。在计算机分析软件 日臻 完善和广泛应用的基础上 ，本文借助热力学理论 分析并选择有效的模拟仿真技术探讨了数字化仿 真技术的可行性。同时，利用智能温度采集模块 和温度传感器 ，设计开发了“ 大体积混凝土温度监 测系统” 和“ 基于G P R S 的大体积混凝土温度无线监 测系统” ，用以对混凝土施工阶段的温度实测，并 检验仿真分析结果。 通过上述数字化仿真和监测技术的应用 ，检 验了混凝土配合比、保温措施、一次性浇筑等对 温度裂缝的影响 ，并为施工的过程控制提供了科 学依据。 参考文献 【 1 1俞建勋_ 浅谈混凝土路面施工的裂缝防治方法【 J 】 城市道桥与防 洪， 2 0 1 4 ， ( 4 ) ： 1 4 8 1 5 8 2 】2 刘彦辉， 邵智杰 宋郎路北运河大桥大体积混凝土施工控制【 J 】 城市道桥与防洪， 2 0 1 4 ， ( 4 ) ： 1 6 8 1 7 0 【 3 】 建筑施工手册【 M 】 北京： 中国建筑工业出版社 4 】4 G B 5 0 4 9 6 2 0 0 9 ， 大体积混凝土施工规范【 S 】 大 散 的 溢 统 对 系 现 集 实 收 来 集 问 数 收 车 次 的 过 气 体 通 换 气 工 分 车 骱 螂 默 俐 实 收 问 统 时 的 车 系 同 体 到 集 氧 气 散 收 供 艺 溢 问 策 艺 式 工 方 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m