CN102393258B - 混凝土表面温度裂缝预警方法 - Google Patents

Abstract

混凝土表面温度裂缝预警系统及方法，涉及一种使用温度传感器及数据处理单元测算混凝土温度梯度以对危险工况进行报警的方法。本发明根据实际工程需要和混凝土性质预先设定报警判别位置以及该位置的温度梯度阈值，使用普通温度传感器、数据处理单元及报警器，通过测量距混凝土表面0.5m范围内的混凝土温度，按照公式计算混凝土各点温度梯度，当判别位置处的温度梯度超过预先设定的阈值时，报警器报警。该预警系统具有报警及时、准确，操作简便的特点，在防止大体积混凝土表面温度裂缝方面具有显著的效果。

Description

混凝土表面温度裂缝预警方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土表面裂缝预警系统及方法，特别涉及在大体积混凝土施工时对混凝土表面裂缝自动监测的方法及设备。 

背景技术

混凝土的表面裂缝是混凝土结构中一种极为普遍的现象，尤其在施工期和运行期，表面裂缝的产生主要受环境温度变化影响。在寒潮和越冬期间，温度骤降常会造成混凝土表面温度梯度过大，造成表面温度裂缝。目前，针对大体积混凝土表面温度裂缝的预警系统及方法多是依据工程经验，根据气温测量数据判断采取保温措施的时机，尚未有针对表层混凝土自动化测量温度、报警的方法。采用传统经验判断方法误差大、反应慢、并且不能根据不同坝形、不同部位判断需要采取保温措施的时机。 

发明内容

本发明的目的是针对表层混凝土温度梯度过大极易表面裂缝的问题，提供一种混凝土表面温度裂缝预警系统及方法，能够在恶劣情况下提醒施工采取保温措施，减小表面裂缝发生的几率。 

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)在距离混凝土仓表面0.50m以内的区域埋设三支以上温度传感器2，各温度传感器2的埋设深度不同，且在该区域内无冷却设施。 

2)根据工程实际需要和混凝土性质预先设定报警判别位置P、该位置的报警阈值ΔT_P阈值.将温度传感器[2]采集的数据信号输入到数据处理单元； 

3)数据处理单元按照下面式子，计算出混凝土内部各点的温度梯度ΔT_i+0.5： 

ΔT_i+0.5＝(T_i+1-T_i)/d_i，i+1

d_i，i+1＝H_i+1-H_i

式中，T₁，T₂，...，T_n为各支温度计测得的温度值，n为埋设的温度传感器2个数；H_i为第i只传感器的埋深，d_i，i+1为第i支与第i+1支传感器的埋设深度差，i＝1，2，...，n-1； 

4)按照下面式子计算出判别位置P处混凝土的温度梯度ΔT_P： 

ΔT_P＝b*x+a 

$b=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2}-\stackrel{\‾}{d})(\mathrm{\Δ}{T}_{i+0.5}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}))/\left((\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2}-\stackrel{\‾}{d})}^2\right)$

$\stackrel{\‾}{d}=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2})/n$

$a=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}-\stackrel{\‾}{d}*b$

式中，x为判别位置P的埋深，ΔT_1.5、ΔT_2.5、...、ΔT_n+0.5为已计算出的混凝土内部各点的温度梯度值， 

为混凝土内部各点的温度梯度值ΔT_i+0.5的平均值； 

特别地，当P位于混凝土表面，按下式进行计算： 

ΔT_P＝-b*d_v+a 

$b=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2}-\stackrel{\‾}{d})(\mathrm{\Δ}{T}_{i+0.5}-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}))/\left((\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2}-\stackrel{\‾}{d})}^2\right)$

$\stackrel{\‾}{d}=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2})/n$

$a=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}-\stackrel{\‾}{d}*b$

d_v＝λ/β 

式中，λ为混凝土热传导系数，β为混凝土表面散热系数； 

5)当ΔT_P超过设定的阈值ΔT_P阈值时，报警器报警。 

本发明所述的预警系统包括温度传感器、数据处理单元及报警器，数据处理单元包括放大器、模拟信号转换电路、显示器、电源电路和含计算程序的单片机；温度传感器采集的温度数据经放大器、模拟信号转换电路后，输入到单片机中；单片机进行计算后通过显示器显示计算结果，并且当计算结果大于报警阈值时，向报警器输出信号进行报警。 

本发明具有以下优点及突出性效果：①预警方法能够通过自动化实时测算混凝土内部各点温度即温度梯度，较之人工测算方法准确。②预警方法能够根据计算结果，针对危险工况迅速报警，提示采取保温措施。较之依据工程经验采取保温措施的方法，更及时、更有效、更可靠。③预警方法使用的公式简洁，便于单片机的编程。④根据实际需要，预警系统及方法可以应用于大体积混凝土的任意关键部位，并可以在不同混凝土仓重复使用，大大地节省了预警成本。 

附图说明

图1为温度传感器2埋设示意图。 

图2为混凝土表面裂缝预警系统的硬件框图。 

图3为混凝土表面裂缝预警系统的软件流程框图。 

图4为混凝土内部温度梯度计算方法示意图。 

图中：1-混凝土仓表面；2-温度传感器。 

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： 

图2为混凝土表面裂缝预警系统的硬件框图。本发明所述的预警系统包括温度传感器2、数据处理单元及报警器，数据处理单元包括放大器、模拟信号转换电路、显示器、电源电路和含计算程序的单片机；温度传感器2采集的温度数据经放大器、模拟信号转换电路后，输入到单片机中；单片机进行计算后通过显示器显示计算结果，并且当计算结果大于报警阈值时，向报警器输出信号进行报警。 

在距离混凝土仓表面0.50m以内的区域埋设三支以上温度传感器2(如图1所示)，将温度传感器2的连线接入计算设备，计算设备与报警器相连；根据工程实际需要和混凝土性质预先设定报警判别位置P、该位置的报警阈值ΔT_P阈值。计算设备根据各点温度测量值T₁，T₂，...，T_n计算出混凝土P位置处的温度梯度ΔT_P，当ΔT_P超过设定的阈值ΔT_P阈值时，报警器报警。 

具体方式可按如下步骤实施： 

(1)在距离混凝土仓表面0.50m以内的区域埋设三支以上温度传感器2，各传感器的埋设深度不同，且在该区域内无冷却设施。 

(2)根据工程实际需要和混凝土性质预先设定报警判别位置P及其相应的报警阈值阈值ΔT_P阈值，并将温度传感器2采集的数据信号输入到数据处理单元。 

1)报警判别位置P的确定： 

使用数值试验求解热传导方程，使用二维模型求解此平面应变问题，热传导方程为： 

$\frac{\∂T}{\∂t}=a\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}$

边界条件为： 

T＝T₀，t＝0 

$\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}=-\mathrm{\β}(T-T_a),x=0$

T＝T₀，x＝l 

式中T为混凝土温度；T₀为混凝土初始温度；T_a为空气温度；t为时间；a为导温系数，a＝cρ， c为混凝土比热容，ρ为混凝土密度；λ为混凝土导热系数；β为混凝土表面散热系数；x为埋深。 

按照气温骤降、气温折线变化、气温正弦变化、日气温变化四种情况计算，相对应的数学表达式分别为： 

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=T_0,t=0\\ T_a=T_0-f\left(t\right),t=0\end{array}\right.$

气温骤降：f(t)＝A 

气温折线变化： $\left\{\begin{array}{c}f\left(t\right)=\frac{A}{Q}t,0<t\&le;Q\\ f\left(t\right)=A-\frac{A}{Q}(t-Q),Q<t\&le;2Q\end{array}\right.$

气温正弦变化： $f\left(t\right)=A\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{Q}\right),0<t<2Q$

日气温变化： $f\left(t\right)=A\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;t}}{Q}\right),0<t<2Q$ 且Q＝0.5天 

式中T_a为空气温度；t为时间；A为气温降幅；Q为降温过程持续时间。求解方法可以为数值差分、有限元等。当使用数值差分、有限元方法时，时间步长小于0.1天，空间步长小于0.1m。计算出温度场后，应用线弹性本构计算混凝土表面温度应力，计算公式如下： 

${\mathrm{\&sigma;}}_t=\frac{\mathrm{E\&alpha;}}{1-\mathrm{\&mu;}}[T_0-T_a]\mathrm{\&phi;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)$

$\mathrm{\&phi;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=1-e^{{\mathrm{\&epsiv;}}^2}(1-\mathrm{erf}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right))$

$\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_0^x{e}^{-x^2}\mathrm{dx}$

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{\mathrm{\&beta;}\sqrt{\mathrm{a\&tau;}}}{\mathrm{\&lambda;}}$

式中，E为混凝土弹模，μ为泊松比，α为线膨胀系数，T₀表示混凝土表面温度，T_a为气温，[T₀-T_a]表示混凝土表面温度与环境温度的最大理论温差，β为混凝土表面散热系数，a为混凝土导温系数，λ为混凝土热传导系数，τ为混凝土龄期，当τ＞5时， 且变化缓慢。实际计算中可取φ(ε)＝1.0。 

将四种工况下混凝土各点温度梯度按照不同埋深(如0cm(表面)、0.1m、0.2m、0.3m、0.4m...也可在细分)分别汇总，将汇总结果与计算时段内表面温度应力最大值做线性最小二乘拟合，当 相关系数r＞0.9时，该位置即为报警判别位置P，此时表面最大温度应力与位置P处的温度梯度关系应为σ₀＝k*ΔT_P+m，式中k、m分别为斜率和截距，通过最小二乘拟合计算得到。 

2)报警阈值ΔT_P阈值的确定： 

实际使用混凝土的极限拉应力标准σ_t已知或已经经过测量得到，将σ_t代替σ₀＝k*ΔT_P+m中σ₀，得到ΔT_p阈值＝ΔT_p＝(σ₀-m)/k 

阈值ΔT_P阈值也可以依据应变等其他控制标准进行转换确定。 

(3)温度传感器2采集的温度数据经放大器、模拟信号转换电路后，输入到单片机中；单片机附带有计算程序，能够采用中心差分法，按照下面的式子确定混凝土内部各点的温度梯度ΔT_i+0.5(即处于相邻两支温度计中间位置处的温度梯度等于两支温度计的温度差值除以两支温度计的埋设深度差)： 

ΔT_i+0.5＝(T_i+1-T_i)/d_i，i+1

d_i，i+1＝H_i+1-H_i

式中，T₁，T₂，...，T_n为各支温度计测得的温度值，n为埋设的温度传感器2个数；H_i为第i只传感器的埋深，d_i，i+1为第i支与第i+1支传感器的埋设深度差，i＝1，2，...，n-1； 

(4)数据处理单元计算得到混凝土判别位置P处的温度梯度ΔT_p。 

在距离混凝土表面0.5m范围内，混凝土内部各点的温度梯度按线性分布，即ΔT＝bx+a，式中，x为该点距离混凝土表面的距离，ΔT为该点的温度梯度，b、a分别是该表达式的斜率和截距，需要测量计算确定。当使用3支传感器时，经过步骤(3)可以得到ΔT_1.5、ΔT_2.5，b、a即可通过确解二元一次方程组确定。当传感器的个数在3支以上时，使用线性回归方法确定b、a： 

$b=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2}-\stackrel{\&OverBar;}{d})({\mathrm{\&Delta;T}}_{i+0.5}-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;T}}))/\left((\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2}-\stackrel{\&OverBar;}{d})}^2\right)$

$a=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;T}}-\stackrel{\&OverBar;}{d}*b$

式中，ΔT_1.5、ΔT_2.5、...、ΔT_n+0.5为步骤(3)中已经计算出的混凝土内部各点的温度梯度值， 

表示温度梯度为ΔT_i+0.5的点距离混凝土表面的距离， 

为混凝土内部各点的温度梯度值ΔT_i+0.5的平均值。 

根据P的埋深x_p可以得到ΔT_p＝bx_p+a 

特别地，当x＝0cm，即报警判别位置位于混凝土表面时，用x＝-d_v对公式进行修 

正，式中d_v为虚厚度，按照d_v＝λ/β确定，λ为混凝土热传导系数，β为混凝土表面 

散热系数。d_v的取值范围一般在0.1m～0.2m。此时ΔT_p＝ΔT₀＝-b*d_v+a。 

(5)当ΔT_p超过设定的阈值ΔT_p阈值时，单片机传递信号给报警器，报警器报警。 

下面举出一个实施例，以更好的了解本发明的实施情况。 

实施例： 

在本实施中，共使用三支普通温度传感器2(但并不限于三支温度传感器)，温度传感器2的测量精度均为±0.3℃，温度传感器2采集温度数据的时间间隔是1秒。三支温度传感器首先被固定在砂浆预制件中，预制件埋设于混凝土仓中，混凝土仓尺寸为20m×60m×3m。三支温度传感器2在混凝土仓内的实际埋深分别是0.05m、0.10m、0.15m。 

实际使用的混凝土极限拉应力标准σ_t＝1.0MPa，取混凝土表面作为报警判别位置P。混凝土参数为λ＝141.1524kJ/(md℃)，E＝3.54e10Pa，μ＝0.18， 

φ(ε)＝1.0，β＝800kJ/(dm²℃)，a＝0.0022m²/h(其中，E为混凝土弹模，μ为泊松比，α为线膨胀系数，T₀表示混凝土表面温度，T_a为气温，β为混凝土表面散热系数，a为混凝土导温系数，λ为混凝土热传导系数，τ为混凝土龄期，当τ＞5时，φ(ε)＞0.9，且变化缓慢)。 

将混凝土参数代入下面公式来确定表面温度梯度阈值ΔT_0阈值： 

ΔT_0阈值＝β[T₀-T_a]/λ 

${\mathrm{\&sigma;}}_t=\frac{\mathrm{E\&alpha;}}{1-\mathrm{\&mu;}}[T_0-T_a]\mathrm{\&phi;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)$

$\mathrm{\&phi;}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)=1-e^{{\mathrm{\&epsiv;}}^2}(1-\mathrm{erf}\left(\mathrm{\&epsiv;}\right))---\left(1\right)$

$\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&pi;}}}{\&Integral;}_0^x{e}^{-x^2}\mathrm{dx}$

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{\mathrm{\&beta;}\sqrt{\mathrm{a\&tau;}}}{\mathrm{\&lambda;}}$

计算得到混凝土表面温度梯度阈值ΔT_0阈值＝20℃/m。报警判别位置处的温度梯度(表面温度梯度)为ΔT_p＝ΔT₀＝221.12T₂-100.56T₃-120.56T₁。报警器为地灯。当混凝土仓处于正常日气温变化情况(昼夜温差为＜7℃)时，报警器不报警。当混凝土仓经历3天降温7.9℃ 和14.5℃的两次寒潮时，由计算设备计算出的混凝土表面温度梯度超过阈值，即ΔT₀＞ΔT_0阈值＝20℃/m，地灯闪烁，提示报警。 

Claims (1)

1.一种混凝土表面温度裂缝预警方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）在距离混凝土仓表面（1）0.50m以内的区域埋设至少三支温度传感器（2），各温度传感器的埋设深度不同，且在该区域内无冷却设施；

2）根据工程实际需要和混凝土性质预先设定报警判别位置P、报警判别位置P的报警阈值ΔT_P阈值；将温度传感器采集的数据信号输入到数据处理单元；

3）数据处理单元按照下面式子,计算出混凝土内部各点的温度梯度ΔT_i+0.5：

                            ΔT_i+0.5=(T_i+1-T_i)/d_i，i+1

                            d_i，i+1=H_i+1-H_i

式中，T_i为各支温度传感器测得的温度值，H_i为第i支温度传感器的埋设深度，d_i，i+1为第i支与第i+1支温度传感器的埋设深度差，i=1,2，…,n-1，n为埋设的温度传感器的个数；

4）按照下面式子计算出报警判别位置P处混凝土的温度梯度ΔT_P：

               ΔT_P=b*x+a

$b=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2}-\stackrel{\&OverBar;}{d})(\mathrm{\&Delta;}{T}_{i+0.5}-\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;T}}))/(\left(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2}-\stackrel{\&OverBar;}{d})}^2\right)$

$\stackrel{\&OverBar;}{d}=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(H_i+\frac{d_{i,i+1}}{2})/n$

$a=\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&Delta;T}}-\stackrel{\&OverBar;}{d}*b$

式中，x为报警判别位置P的埋设深度，ΔT_i+0.5为已经计算出的混凝土内部各点的温度梯度值，

为混凝土内部各点的温度梯度值ΔT_i+0.5的平均值；

当报警判别位置P位于混凝土表面，温度梯度按下式进行修正：

                            ΔT_P=-b*d_v+a

                            d_v=λ/β

式中，λ为混凝土热传导系数，β为混凝土表面散热系数；

5）当温度梯度ΔT_P超过设定的报警阈值ΔT_P阈值时，报警器报警。

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