CN103556597A - 大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，包括：模型建立模块（10）、气象信息获取模块（20）、长周期应力计算模块（30）、短周期应力计算模块（40）、应力叠加模块（50）、表面状况评价模块（60）、预警干预模块（70）。这种结构是通过自动化软件系统对混凝土表面开裂进行预警和干预，实现了预警的自动化及干预的智能化，有效防止了混凝土的表面裂缝。

Description

大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统

技术领域

本发明涉及水利水电工程、核电工程及港口工程技术领域，尤其涉及一种大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统。

背景技术

大体积混凝土被广泛应用于水利水电工程、核电工程、港口工程、交通等基础设施建设中，特别是在混凝土大坝中被广泛应用。但是大体积混凝土裂缝问题却长期困扰着工程建设者，大体积混凝土结构内部一旦出现裂缝，通过采取修补等措施来恢复结构的整体性是较困难的，因此解决大体积混凝土的裂缝问题应以预防为主，尤其是大体积混凝土表面，受寒潮、蓄（过）水冷击等影响造成的表面开裂问题，随着计算机技术、自动化技术、天气预测预报等技术的迅速发展，亟需研发一种自动化的软件系统，对大体积混凝土表面开裂进行预警和干预，实现预警的自动化及干预的智能化，有效防止混凝土的表面裂缝。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，通过自动化软件系统对混凝土表面开裂风险进行预警和干预，实现预警的自动化及干预的智能化，有效防止混凝土的表面裂缝。

为实现上述目的，本发明提供了一种大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，包括：

模型建立模块，用于建立全坝模型，并每天对与外界接触暴露仓面进行搜索，自动获取仓面号、对应仓面号混凝土标号、混凝土龄期及对应龄期的混凝土弹性模量、混凝土抗拉强度信息；

气象信息获取模块，用于根据天气预报信息，获取气温日变化预测信息及寒潮预测（气温骤降）信息；

长周期应力计算模块，用于计算水化热应力σ_水，获得长周期温度应力过程线；

短周期应力计算模块，用于根据天气预报信息，获得气温日变化预测信息，计算气温日变化应力σ_日，根据获得的寒潮预测（气温骤降）信息，计算气温骤降应力σ_寒；

应力叠加模块，用于将长周期应力叠加短周期应力，获得表面应力，具体为：水化热应力σ_水叠加气温日变化应力σ_日与气温骤降应力σ_寒二者中的最大值；

表面状况评价模块，用于评价混凝土表面状况，具体为：通过计算相应龄期混凝土材料抗拉强度与表面应力的比值，得到安全系数k，作为混凝土表面开裂的预警准则及干预标准；

预警干预模块，用于根据安全系数k判断预警级别，给出预警仓面的具体信息，画出二维或三维图，将报警仓面在温控系统中用红色表示；判断安全系数k是否满足要求，当安全系数k小于1.8时，自动计算保温参数，得到对应保温材料的类型和保温层厚度，形成保温措施推荐方案；将该预警信息及保温措施推荐方案，按预警级别及预警类别进行发布，供参建方作为决策及人工干预参考。

进一步，该气象信息获取模块与天气预报系统对接，所获取的气温日变化预测信息包括气温变化周期P及气温日变幅A；所获取的寒潮预测（气温骤降）信息，具体为降温历时Q及气温降幅A。

进一步，该水化热应力σ_水采用有限元仿真分析方法计算，具体过程为：首先计算出温度变化引起的初应变

为两个时刻温度场的差值，α为线胀系数，进而求得相应的初应变引起的等效结点温度荷载

单元e的等效结点温度荷载

为：

$P_{{\mathrm{\ϵ}}_0}^e={\∫\∫\∫}_{\mathrm{\ΔR}}{B}^T{\mathrm{D\ϵ}}_0\mathrm{dR};$

[B]为应变与位移的转换矩阵；[D]为弹性矩阵；

K为刚度矩阵；

ε＝Bδ，B为几何矩阵；

计算温度应力σ_水＝D(ε-ε₀)+σ₀。

进一步，该气温日变化应力σ_日通过以下公式计算：

$f=\frac{1}{\sqrt{{1+2u+2u}^2}},u=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2P}};$

式中：

λ—混凝土导热系数；

ρ—考虑徐变影响的应力松弛系数，可取ρ＝0.90；

α—混凝土线膨胀系数，1/℃；

μ—混凝土泊松比；

P—气温变化周期，P＝1d；

A—气温日变幅；

E(τ)－不同龄期的混凝土弹性模量。

进一步，该气温骤降应力σ_寒通过以下公式计算：

${\mathrm{\ρ}}_1=\frac{{\text{0.830+0.051\τ}}_m}{1+0.051{\mathrm{\τ}}_m}{e}^{-0.095{(P-1)}^{0.60}};$

$f_1=\frac{1}{\sqrt{1+1.85u+{1.12u}^2}},\mathrm{\Δ}=0.4\mathrm{gQ};$

P＝Q+Δ；

$u=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{Qa}}};$

$g=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{1+1/u}\right);$

式中：

Q—降温历时；

λ—混凝土导热系数；

β—混凝土表面放热系数；

α—混凝土线膨胀系数，1/℃；

μ—混凝土泊松比；

a—导温系数；

A—气温降幅；

E(τ_m)—不同龄期的混凝土弹性模量。

进一步，该安全系数k通过下述公式计算获得：

进一步，该预警级别通过下式判断：

2.0>k>1.8   三级预警；

1.3<k<1.8   二级预警；

k<1.3       一级预警。

进一步，该预警类别分为两类，具体为：

一类预警为现场监理、施工及业主管理人员对应温控系统账号及手机号，对应接受所有级别预警信息。

二类预警为业主管理人员，设总，总监对应温控系统账号及手机号，对应接受一级预警、二级预警及未按要求实时处理的三级预警。

进一步，该保温参数，可利用下述公式推算获得：采取表面保温措施后，等效表面散热系数β如下所示：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{1}{\frac{h}{k_1{k}_2{\mathrm{\&lambda;}}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}_0}};$

式中：

k₁—风速修正系数；

k₂—潮湿程度修正系数，潮湿材料取3～5，干燥材料取1；

h—保温层厚度；

λ_s—保温材料的导热系数；

β₀—保温板的外表面与空气之间的放热系数，通常可取β₀＝40～80kJ/m²·h·℃。

进一步，该预警模块与显示系统相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过提供了一种大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，通过自动化软件对混凝土表面开裂进行预警和干预，实现了预警的自动化及干预的智能化，有效防止了混凝土的表面裂缝。

附图说明

图1为本发明大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1所示，图1为本发明大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统的示意图。

在本实施方式中，一种大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，包括：

模型建立模块10，用于建立全坝模型，并每天对与外界接触暴露仓面进行搜索，自动获取仓面号（包括顶面暴露仓位号、上下游面暴露仓位号及侧面仓位号）、对应仓面号混凝土标号、混凝土龄期及对应龄期的混凝土弹性模量、混凝土抗拉强度信息；

气象信息获取模块20，用于获取气温日变化预测信息及寒潮预测（气温骤降）信息；

该气象信息获取模块20与天气预报系统对接，所获取的气温日变化预测信息包括气温变化周期P及气温日变幅A；所获取的寒潮预测（气温骤降）信息，具体为降温历时Q及气温降幅A；

长周期应力计算模块30，用于计算水化热应力σ_水，获得长周期温度应力过程线；

水化热应力σ_水的计算宜采用有限元仿真分析方法：

温度变形只产生线应变，不产生剪应变，可以把这种线应变看作是物体的初应变。计算温度应力时首先计算出温度变化引起的初应变ε₀，

为两个时刻温度场的差值，α为线胀系数，进而求得相应的初应变引起的等效结点温度荷载单元e的等效结点温度荷载

为：

$P_{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}^e={\&Integral;\&Integral;\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;R}}{B}^T{\mathrm{D\&epsiv;}}_0\mathrm{dR};$

[B]为应变与位移的转换矩阵；[D]为弹性矩阵；

K为刚度矩阵；

ε＝Bδ，B为几何矩阵；

计算温度应力σ_水＝D(ε-ε₀)+σ₀。

短周期应力计算模块40，用于根据天气预报获取的气温日变化预测信息，计算气温日变化应力σ_日，根据寒潮预测（气温骤降）信息，计算气温骤降应力σ_寒；

该气温日变化应力σ_日通过以下公式计算：

$f=\frac{1}{\sqrt{{1+2u+2u}^2}},u=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&beta;}}\sqrt{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2P}};$

式中：

λ—混凝土导热系数；

ρ—考虑徐变影响的应力松弛系数，可取ρ＝0.90；

α—混凝土线膨胀系数，1/℃；

μ—混凝土泊松比；

P—气温变化周期（P＝1d）；

A—气温日变幅；

E(τ)－不同龄期的混凝土弹性模量。

该气温骤降应力σ_寒通过以下公式计算：

${\mathrm{\&rho;}}_1=\frac{{\text{0.830+0.051\&tau;}}_m}{1+0.051{\mathrm{\&tau;}}_m}{e}^{-0.095{(P-1)}^{0.60}};$

$f_1=\frac{1}{\sqrt{1+1.85u+{1.12u}^2}},\mathrm{\&Delta;}=0.4\mathrm{gQ};$

P＝Q+Δ；

$u=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&beta;}}\sqrt{\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{Qa}}};$

$g=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{1+1/u}\right);$

式中：

Q—降温历时；

λ—混凝土导热系数；

β—混凝土表面放热系数；

α—混凝土线膨胀系数，1/℃；

μ—混凝土泊松比；

a—导温系数；

A—气温降幅；

E(τ_m)—不同龄期的混凝土弹性模量。

应力叠加模块50，用于将长周期应力叠加短周期应力，获得表面应力，具体为：水化热应力σ_水叠加气温日变化应力σ_日与气温骤降应力σ_寒二者中的最大值；

表面状况评价模块60，用于评价混凝土表面状况，具体为：通过计算相应龄期混凝土材料抗拉强度与表面应力的比值，得到安全系数k，作为混凝土表面开裂的预警准则及干预标准；

该安全系数k通过下述公式计算获得：

该预警级别通过下式判断：

2.0>k>1.8   三级预警；

1.3<k<1.8   二级预警；

k<1.3       一级预警。

表面保温材料的选择：

采取表面保温措施后，等效表面散热系数β如下所示：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{1}{\frac{h}{k_1{k}_2{\mathrm{\&lambda;}}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}_0}}$

式中：

k₁—风速修正系数，见表2

k₂—潮湿程度修正系数，潮湿材料取3～5，干燥材料取1；

h—保温层厚度；

λ_s—保温材料的导热系数，见表1

β₀—保温板的外表面与空气之间的放热系数，通常可取β₀＝40～80kJ/m²·h·℃。

不同的保温材料能得到不同的安全系数，当安全系数不达标的时候同步计算所需的保温材料类型与厚度，在预警信息发布的同时推荐保温措施方案。

表1    各种保温材料保温(导热)系数λ_s    kJ/(m·h·℃)

材料名称	λs	材料名称	λs
				泡沫塑料	0.1256	膨胀珍珠岩	0.1675
玻璃棉毡	0.1674	沥青	0.938
				木板	0.837	干棉絮	0.1549
木屑	0.628	油毛毡	0.167
				稻草或麦秸秆	0.502	干砂	1.172
炉渣	1.674	湿砂	4.06
				甘蔗板	0.167	矿物棉	0.209
石棉毡	0.419	麻毡	0.188
				泡沫混凝土	0.377	普通纸板	0.628

表2    风速修正系数k₁

预警干预模块70，用于根据安全系数k判断预警级别，给出预警仓面的具体信息（坝段号、高程、方位、保温参数等），画出二维或三维图，将报警仓面在温控系统中用红色表示；判断安全系数k是否满足要求，当安全系数k小于1.8时，自动计算保温参数，得到对应保温材料的类型和保温层厚度，形成保温措施推荐方案；将该预警信息及保温措施推荐方案，按预警级别及预警类别进行发布，供参建方作为决策及人工干预参考。

预警信息的发布分为两类：

一类预警为现场监理、施工及业主管理人员对应温控系统账号及手机号，对应接受所有级别预警信息。

二类预警为业主管理人员，设总，总监对应温控系统账号及手机号，对应接受一级预警、二级预警及未按要求实时处理的三级预警。

该预警干预模块70与显示系统相连接，可实现预警信息可视化显示。

混凝土开裂风险决策支持系统：

（1）结合现场的总体网络布局，根据监测系统方案，在施工过程中按照预定方案进行相关监测仪器的埋设和布置，现场检查完善各种施工、温控、监测数据自动采集设备的稳定性和网络接口的通畅性、适用性。

（2）对入库的所有监测资料进行真伪识别，将真实数据进行系统中心数据库相应的模块；并根据相关的预警准则进行诊断，必要时提出超标预警，发布给参建各方。

（3）各种施工、温控、监测数据正常入库后，同步执行前处理系统模块，形成大坝反馈分析所需要的计算网格和数据文件；待资料积累到一定程度后，开展关键热、力学参数的反演工作，将反演所得的参数作为初始计算边界条件，进行大坝温度场和应力场的反演分析，根据仿真计算成果，对大坝可能的开裂风险进行预警，并发布给参建各方，提出处理措施与建议。

本发明提供了一种大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，通过自动化软件系统对混凝土表面开裂进行预警和干预，实现了预警的自动化及干预的智能化，有效防止了混凝土的表面裂缝。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，包括：

模型建立模块（10），用于建立全坝模型，并每天对与外界接触暴露仓面进行搜索，自动获取仓面号、对应仓面号混凝土标号、混凝土龄期及对应龄期混凝土弹性模量、混凝土抗拉强度信息；

气象信息获取模块（20），用于根据天气预报信息，获取气温日变化预测信息及寒潮预测信息；

长周期应力计算模块（30），用于计算水化热应力σ_水，获得长周期温度应力过程线；

短周期应力计算模块（40），用于根据天气预报信息获取的气温日变化预测信息，计算气温日变化应力σ_日，根据寒潮预测信息，计算气温骤降应力σ_寒；

应力叠加模块（50），用于将长周期应力叠加短周期应力，获得表面应力，具体为：水化热应力σ_水叠加气温日变化应力σ_日与气温骤降应力σ_寒二者中的最大值；

表面状况评价模块（60），用于评价混凝土表面状况，具体为：通过计算相应龄期混凝土材料抗拉强度与表面应力的比值，得到安全系数k，作为混凝土表面开裂的预警准则及干预标准；

预警干预模块（70），用于根据安全系数k判断预警级别，给出预警仓面的具体信息，画出二维或三维图，将报警仓面在温控系统中用红色表示；判断安全系数k是否满足要求，当安全系数k小于1.8时，自动计算保温参数，得到对应保温材料的类型和保温层厚度，形成保温措施推荐方案；将所述预警信息及保温措施推荐方案，按预警级别及预警类别进行发布，供参建方作为决策及人工干预参考。

2.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述气象信息获取模块（20）与天气预报系统对接，所获取的气温日变化预测信息包括气温变化周期P及气温日变幅A；所获取的寒潮预测信息，具体为降温历时Q及气温降幅A。

3.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述水化热应力σ_水采用有限元仿真分析方法计算，具体过程为：首先计算出温度变化引起的初应变

为两个时刻温度场的差值，α为线胀系数，进而求得相应的初应变引起的等效结点温度荷载单元e的等效结点温度荷载为：

$P_{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}^e={\&Integral;\&Integral;\&Integral;}_{\mathrm{\&Delta;R}}{B}^T{\mathrm{D\&epsiv;}}_0\mathrm{dR};$

[B]为应变与位移的转换矩阵；[D]为弹性矩阵；

K为刚度矩阵；

ε＝Bδ，B为几何矩阵；

计算温度应力σ_水＝D(ε-ε₀)+σ₀。

4.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述气温日变化应力σ_日通过以下公式计算：

$f=\frac{1}{\sqrt{{1+2u+2u}^2}},u=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&beta;}}\sqrt{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2P}};$

式中：

λ—混凝土导热系数；

ρ—考虑徐变影响的应力松弛系数，可取ρ＝0.90；

α—混凝土线膨胀系数，1/℃；

μ—混凝土泊松比；

P—气温变化周期，P＝1d；

A—气温日变幅；

E(τ)－不同龄期的混凝土弹性模量。

5.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述气温骤降应力σ_寒通过以下公式计算：

${\mathrm{\&rho;}}_1=\frac{{\text{0.830+0.051\&tau;}}_m}{1+0.051{\mathrm{\&tau;}}_m}{e}^{-0.095{(P-1)}^{0.60}};$

$f_1=\frac{1}{\sqrt{1+1.85u+{1.12u}^2}},\mathrm{\&Delta;}=0.4\mathrm{gQ};$

P＝Q+Δ；

$u=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&beta;}}\sqrt{\frac{\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{Qa}}};$

$g=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}{\tan }^{-1}\left(\frac{1}{1+1/u}\right);$

式中：

Q—降温历时；

λ—混凝土导热系数；

β—混凝土表面放热系数；

α—混凝土线膨胀系数，1/℃；

μ—混凝土泊松比；

a—导温系数；

A—气温降幅；

E(τ_m)—不同龄期的混凝土弹性模量。

6.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述安全系数k通过下述公式计算获得：

7.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述预警级别通过下式判断：

1.8<k<2.0   三级预警；

1.3<k<1.8   二级预警；

k<1.3       一级预警。

8.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述预警类别分为两类，具体为：

一类预警为现场监理、施工及业主管理人员对应温控系统账号及手机号，对应接受所有级别预警信息；

二类预警为业主管理人员，设总，总监对应温控系统账号及手机号，对应接受一级预警、二级预警及未按要求实时处理的三级预警。

9.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述保温参数，可利用下述公式推算获得：采取表面保温措施后，等效表面散热系数β如下所示：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{1}{\frac{h}{k_1{k}_2{\mathrm{\&lambda;}}_s}+\frac{1}{{\mathrm{\&beta;}}_0}};$

式中：

k₁—风速修正系数；

k₂—潮湿程度修正系数，潮湿材料取3～5，干燥材料取1；

h—保温层厚度；

λ_s—保温材料的导热系数；

β₀—保温板的外表面与空气之间的放热系数，通常可取β₀＝40～80kJ/m²·h·℃。

10.根据权利要求1所述的大体积混凝土表面开裂风险预警与干预决策系统，其特征在于，所述预警干预模块（70）与显示系统相连接。

Images