CN103676997B - 一种基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，包括（1）根据工程所在地的实测气温，进行天气情况及气温影响分析；（2）根据实时采集的骨料温度和骨料砸石温度监测信息，对照规范指标进行骨料温度分析；（3）基于实时采集的出机口温度，对混凝土出机口温度进行计算；（4）依据实时采集的入仓温度和浇筑温度，对照工程设计要求对混凝土温度计算；（5）依据混凝土内部温度，得到混凝土最高温度，对照规范和设计技术要求得出符合率，对混凝土温控效果进行监控；（6）基于实时采集的通水冷却信息，依据规范和设计技术要求，计算通水冷却时的混凝土内部温度；（7）依据以上结果进行整体温控效果监控与反馈指导。

Description

一种基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法

技术领域

本发明属于水利水电工程的技术领域，具体地涉及一种基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法。

背景技术

大体积混凝土结构出现裂缝，后果严重，影响巨大，而温度是易导致大体积混凝土产生裂缝的主要因素，因此，防止混凝土产生裂缝的主要措施是施工过程中各个环节中的温度控制。施工过程中各环节的温度控制好坏与否，直接影响到大体积混凝土整体温控效果，进而影响到能否产生混凝土裂缝。一般而言，大体积混凝土施工过程中，各环节都布置有大量的温控监测仪器，用于监测气温、骨料温度、出机口温度、入仓温度、浇筑温度、通水冷却流量和水温、混凝土内部温度等。根据各环节的实时监测数据，混凝土温控效果会如何，是否需要对目前温控措施进行修改调整，需快速作出决定。因此，亟需一种快速准确地对大体积混凝土温度进行监控的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，能够快速准确地对大体积混凝土温度进行监控。

本发明的技术解决方案是：这种基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，该方法包括以下步骤：

（1）根据工程所在地的实测气温，进行天气情况及气温影响分析；

（2）根据实时采集的骨料温度和骨料砸石温度监测信息，对照规范指标进行骨料温度分析；

（3）基于实时采集的出机口温度，对混凝土出机口温度进行计算；

（4）依据实时采集的入仓温度和浇筑温度，对照工程设计要求，对混凝土温度计算；

（5）依据混凝土内部温度，得到混凝土最高温度，对照规范和设计技术要求得出符合率，对混凝土温控效果进行监控；

（6）基于实时采集的通水冷却信息，依据规范和设计技术要求，对当前通水条件下可能的混凝土温控效果进行监控，计算通水冷却时的混凝土内部温度；

（7）依据步骤（1）-（6）的结果，进行整体温控效果监控与反馈指导。

通过本方法能够确保气象信息、出机口温度、浇筑温度、混凝土内部温度和通水流量及水温等数据的及时性和准确性，且可实时计算各环节的设计技术指标，进而对比分析，为各环节的温控效果监控提供数据信息，也为混凝土整体温控效果监控打下基础，同时也为工程建设者对温控措施进行监督、整改提供了数据依据，能够快速准确地对大体积混凝土温度进行监控。

附图说明

图1为本发明的混凝土温控效果监控示意图；

图2为本发明的气温动态分析图；

图3为本发明的水管布置中的几何关系；

图4为本发明的当时X₁曲线；

图5为本发明的当时Y₁曲线；

图6为本发明的当时Z₁曲线；

表1为本发明的天气情况及实测气温；

表2为本发明的骨料温度统计表；

表3为本发明的骨料砸石温度统计表；

表4为本发明的出机口混凝土温度统计表；

表5为本发明的混凝土入仓温度、浇筑温度检测表；

表6为本发明的最高温度统计表；

表7为本发明的通水冷却统计表。

具体实施方式

这种基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，该方法包括以下步骤：

（1）根据工程所在地的实测气温，进行天气情况及气温影响分析；

（2）根据实时采集的骨料温度和骨料砸石温度监测信息，对照规范指标进行骨料温度分析；

（3）基于实时采集的出机口温度，对混凝土出机口温度进行计算；

（4）依据实时采集的入仓温度和浇筑温度，对照工程设计要求，对混凝土温度计算；

（5）依据混凝土内部温度，得到混凝土最高温度，对照规范和设计技术要求得出符合率，对混凝土温控效果进行监控；

（6）基于实时采集的通水冷却信息，依据规范和设计技术要求，对当前通水条件下可能的混凝土温控效果进行监控，计算通水冷却时的混凝土内部温度；

（7）依据步骤（1）-（6）的结果，进行整体温控效果监控与反馈指导。

通过本方法能够确保气象信息、出机口温度、浇筑温度、混凝土内部温度和通水流量及水温等数据的及时性和准确性，且可实时计算各环节的设计技术指标，进而对比分析，为各环节的温控效果监控提供数据信息，也为混凝土整体温控效果监控打下基础，同时也为工程建设者对温控措施进行监督、整改提供了数据依据，能够快速准确地对大体积混凝土温度进行监控。

根据工程所在地的实测气温，进行天气情况及气温影响分析，对混凝土温控效果可能产生的影响进行初步监控，监测气温变化对混凝土表面可能产生的影响。气温变化是引起混凝土裂缝的重要原因，也是计算温度应力和制定温控措施的重要依据，气温日变化应力是指由于对于气温日变化引起的应力，由于温度变化局限于表面很浅的一部分，故可按照弹性徐变半无限体分析其应力。优选地，步骤（1）中气温变化引起的混凝土表面的最大弹性徐变温度应力按照公式（1）、（2）计算：

σ=fρE(τ)αA/(1-μ) （1）

$f=\frac{1}{\sqrt{1+2u+{2u}^2}},u=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2P}}---\left(2\right)$

其中λ为混凝土导热系数，单位kJ/(m·h·℃)，ρ为考虑徐变影响的应力松弛系数，ρ=0.90，α为混凝土线膨胀系数，单位1/℃，μ为混凝土泊松比，P为气温变化周期1天，A为气温日变幅，单位℃，E(τ)为不同龄期的混凝土弹性模量，单位MPa。

优选地，步骤（1）中气温变化引起的混凝土表面的最大弹性徐变温度应力按照公式（1）、（2）计算：

σ=fρE(τ)αA/(1-μ) （1）

$f=\frac{1}{\sqrt{1+2u+{2u}^2}},u=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2P}}---\left(2\right)$

其中λ为混凝土导热系数，单位kJ/(m·h·℃)，ρ为考虑徐变影响的应力松弛系数，ρ=0.90，α为混凝土线膨胀系数，单位1/℃，μ为混凝土泊松比，P为气温变化周期1天，A为气温日变幅，单位℃，E(τ)为不同龄期的混凝土弹性模量，单位MPa。

优选地，步骤（1）中气温变化引起的混凝土表面的最大弹性徐变温度应力按照公式（1）、（3）、（4）、（5）计算：

σ=fρE(τ)αA/(1-μ) （1）

$f_1=\frac{1}{\sqrt{1+1.85u+{1.12u}^2}},\mathrm{\Δ}=0.4\mathrm{gQ}---\left(3\right)$

P=Q+Δ （4）

$u=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{Qa}}}---\left(5\right)$

其中Q为降温历时，单位d，λ为混凝土导热系数，单位kJ/(m·h·℃)，β为混凝土表面放热系数，单位kJ·(m²·h·℃)^-1，μ为混凝土泊松比，a为导温系数，单位m²/h。

优选地，设拌和前各种原材料的比热、重量和温度分别为c_i、W_i、T_i，步骤（3）中出机口温度按照公式（6）计算：

$T_0=\frac{(c_s+c_w{q}_s)W_s{T}_s+(c_g+c_w{q}_g)W_g{T}_g+c_c{W}_c{T}_c+c_w(W_w-q_s{W}_s-q_g\stackrel{\‾}{W_g})T_w}{c_s{W}_s+c_g{W}_g+c_c{W}_c+c_w{W}_w}---\left(6\right)$

其中T₀为混凝土出机口温度，单位℃，c_s为砂的比热，单位kJ/(kg·℃)，c_g为石的比热，单位kJ/(kg·℃)，c_c为胶凝材料的比热，为水泥和矿物掺合料比热的重量加权平均，单位kJ/(kg·℃)，c_w为水的比热，单位kJ/(kg·℃)，q_s为砂的含水量，q_g为石的含水量，W_s为每立方米混凝土中砂的重量，单位kg/m³，W_g为每立方米混凝土中石的重量，单位kg/m³，W_c为每立方米混凝土中胶凝材料的重量，单位kg/m³，W_w为每立方米混凝土中水的重量，单位kg/m³，T_s为砂的温度，单位℃，T_g为石的温度，单位℃，T_c为 胶凝材料的温度，为水泥和矿物掺合料温度的重量加权平均，单位℃，T_w为水的温度，单位℃。

优选地，步骤（4）中混凝土入仓温度按照公式（7）计算：

T₁=T₀+(T_a+R/β-T₀)×φ （7）

其中T₁为混凝土入仓温度，单位℃，T₀为混凝土出机口温度，单位℃，T_a为混凝土运输时的气温，单位℃，R为太阳辐射热，单位kJ/(m²·h)，β为表面放热系数，单位kJ·(m²·h·℃)^-1，φ为运输过程中温度回升系数，混凝土装、卸和转运时φ=0.032，混凝土运输途中φ=Aτ,τ为运输及等待时间以分计，A取值为：自卸汽车0.0016-0.0035，吊罐0.0004-0.0007；

混凝土浇筑温度是经过平仓、振捣后，覆盖上坯混凝土前在距混凝土表面10cm深处的温度，混凝土浇筑温度按照公式（8）计算：

T_p=T₁+(T_a+R/β-T₁)(φ₁+φ₂) （8）

其中T_p为混凝土浇筑温度，单位℃，T₁为混凝土入仓温度，单位℃，T_a为外界气温，单位℃，R为太阳辐射热，单位kJ/(m²·h)，β为表面放热系数，单位kJ·(m²·h·℃)^-1，φ₁为平仓过程的温度系数，φ₁=kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间，k为经验系数为0.0030（1/min），φ₂为平仓后的温度系数，φ₂在0-1.0之间。

优选地，步骤（5）中降温过程的降温速率在0.5℃/d以内。

大体积混凝土内的冷却水管基本呈梅花形排列，每一根水管担负的冷却体积为一中心有孔的正六角形棱柱，并且因为对称，棱柱表面无热源通过；中心孔边温度为水温。为了计算方便，用空心圆柱代替此空心棱柱。如果水管是梅花形排列的，如图3所示，水平管距为S₁，铅直管距为S₂，可以把它转换成一个外半径为b的混凝土空心圆柱体进行计算，根据面积 相等原则，外半径按下式计算。S₁为水平管距；S₂为垂直管距；D为冷却圆柱体直径；C为冷却水管外半径

S₂=1.547S₁ D=1.2125S₁=2b

对上述问题先求平面问题的严格解，然后再近似考虑空间的影响，优选地，步骤（6）中通水冷却时的混凝土内部温度按照公式（9）、（10）、（11）计算：

T_m=T_w+X₁T₀ （9）

T_lw=T_w+Y₁T₀ （10）

T_lm=T_w+Z₁T₀ （11）

其中T_m为沿水管全长L的混凝土平均温度，单位℃，T_lw为管长l处的水温，单位℃，T_lm为管长l处的混凝土截面平均温度，单位℃，T_w为冷却水初温，单位℃，T₀为混凝土冷却前的温度与冷却水温之差值，单位℃，X₁、Y₁、Z₁为函数，通过指定图查算。

X₁、Y₁、Z₁为函数，由图4、图5、图6查算。

图4-6是在的条件下给出的，当时，可用一个化引的混凝土导温系数α，代替α，仍用图4-6计算。α，的计算式如下：

$a^{,}={\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{1}b}{0.7176}\right)}^2\mathrm{\α}---\left(12\right)$

α₁b与的关系可由图4-6查出。

为了施工方便，水管多按矩形排列，在实用范围内，可将冷却水管承担的冷却面积增大10%；在进行冷却计算时，仍按梅花形排列的形式计算。

另外，应严格避免混凝土温度和冷却水温相差过大，从而在水管周围混凝土中产生裂缝。

优选地，步骤（7）中混凝土表面的边界条件按照公式（13）计算：

$\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=0}=\mathrm{\β}(T_0-T_{a0})---\left(13\right)$

表面散热系数由公式（14）计算：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\λ}\left(\frac{\∂T}{\∂x}\right){|}_{x=0}}{T_0-T_{a0}}---\left(14\right)$

其中β为表面散热系数，kJ·(m²·h·℃)^-1，λ为混凝土导热系数，kJ/(m·h·℃)，为温度梯度，单位℃/m，T₀为混凝土表面温度，单位℃，T_a0为周围环境气温，单位℃。

表1

表2

备注：二次风冷的骨料温度均在骨料预冷仓卸料口进行抽检，特大石、大石只测内部温度。

表3

注：特大石、大石只测量内部温度，不测表面温度。

表4

表5

表6

表7

本方法既可以实时监测温控信息，以图、表、曲线和云图等方式显示温控情况，实现了数字大坝，又能确保气象信息、出机口温度、浇筑温度、混凝土内部温度和通水流量及水温等数据的及时性和准确性，且可实时计算各环节的设计技术指标，进而对比分析，为各环节的温控效果监控提供数据信息，也为混凝土整体温控效果监控打下基础，同时也为工程建设者对温控措施进行监督、整改提供了数据依据，确保工程各环节都能快速、高质量施工。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，其特征在于：

该方法包括以下步骤：

(1)根据工程所在地的实测气温，进行天气情况及气温影响分析；

(2)根据实时采集的骨料温度和骨料砸石温度监测信息，对照规范指标进行骨料温度分析；

(3)基于实时采集的出机口温度，对混凝土出机口温度进行计算；

(4)依据实时采集的入仓温度和浇筑温度，对照工程设计要求，对混凝土温度计算；

(5)依据混凝土内部温度，得到混凝土最高温度，对照规范和设计技术要求得出符合率，对混凝土温控效果进行监控；

(6)基于实时采集的通水冷却信息，依据规范和设计技术要求，对当前通水条件下可能的混凝土温控效果进行监控，计算通水冷却时的混凝土内部温度；

(7)依据步骤(1)-(6)的结果，进行整体温控效果监控与反馈指导。

2.根据权利要求1所述的基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，其特征在于：步骤(1)中气温变化引起的混凝土表面的最大弹性徐变温度应力按照公式(1)、(2)计算：

σ＝fρE(τ)αA/(1-μ) (1)

$f=\frac{1}{\sqrt{1+2u+2u^2}},u=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2P}}---\left(2\right)$

其中λ为混凝土导热系数，单位kJ/(m·h·℃)，ρ为考虑徐变影响的应力松弛系数，ρ＝0.90，α为混凝土线膨胀系数，单位1/℃，μ为混凝土泊松比，P为气温变化周期1天，A为气温日变幅，单位℃，E(τ)为不同龄期的混凝土弹性模量，单位MPa；σ为混凝土表面应力，单位MPa；β为混凝土表面放热系数，kJ/(m²·h·℃)；f为降温系数，无量纲。

3.根据权利要求1所述的基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，其特征在于：步骤(1)中气温变化引起的混凝土表面的最大弹性徐变温度应力按照公式(1)、(3)、(4)、(5)计算：

σ＝fρE(τ)αA/(1-μ) (1)

$f_1=\frac{1}{\sqrt{1+1.85u+1.12u^2}},\mathrm{\Δ}=0.4gQ---\left(3\right)$

P＝Q+Δ (4)

$u=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\β}}\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{Qa}}---\left(5\right)$

其中Q为降温历时，单位d，λ为混凝土导热系数，单位kJ/(m·h·℃)，β为混凝土表面放热系数，单位kJ·(m²·h·℃)^-1，μ为混凝土泊松比，a为导温系数，单位m²/h；σ为混凝土表面应力，MPa；f为降温系数，无量纲；ρ为考虑徐变影响的应力松弛系数，ρ＝0.90；E(τ)为不同龄期的混凝土弹性模量，单位MPa；τ为龄期，单位d；A为气温日变幅，单位℃；μ为混凝土泊松比，无量纲；u为特征方程系数，无量纲；λ为混凝土导热系数，单位kJ/(m·h·℃)；β为混凝土表面放热系数，单位kJ·(m²·h·℃)^-1；a为导温系数，单位m²/h；α为混凝土线膨胀系数，单位1/℃；Δ为过渡系数，无量纲；g为反正切函数值；P为气温变化周期1天，单位d；Q为寒潮降温历时，单位d。

4.根据权利要求2或3所述的基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，其特征在于：步骤(3)中出机口温度按照公式(6)计算：

$T_0=\frac{(c_s+c_w{q}_s)W_s{T}_S+(c_g+c_w{q}_g)W_g{T}_g+c_c{W}_c{T}_c+c_w(W_w-q_s{W}_s-q_g{W}_g)T_w}{c_s{W}_s+c_g{W}_g+c_c{W}_c+c_w{W}_w}---\left(6\right)$

其中T₀为混凝土出机口温度，单位℃，c_s为砂的比热，单位kJ/(kg·℃)，c_g为石的比热，单位kJ/(kg·℃)，c_c为胶凝材料的比热，为水泥和矿物掺合料比热的重量加权平均，单位kJ/(kg·℃)，c_w为水的比热，单位kJ/(kg·℃)，q_s为砂的含水量，q_g为石的含水量，W_s为每立方米混凝土中砂的重量，单位kg/m³，W_g为每立方米混凝土中石的重量，单位kg/m³，W_c为每立方米混凝土中胶凝材料的重量，单位kg/m³，W_w为每立方米混凝土中水的重量，单位kg/m³，T_s为砂的温度，单位℃，T_g为石的温度，单位℃，T_c为胶凝材料的温度，为水泥和矿物掺合料温度的重量加权平均，单位℃，T_w为水的温度，单位℃。

5.根据权利要求2或3所述的基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，其特征在于：步骤(4)中混凝土入仓温度按照公式(7)计算：

T₁＝T₀+(T_a+R/β-T₀)×φ (7)

其中T₁为混凝土入仓温度，单位℃，T₀为混凝土出机口温度，单位℃，T_a为混凝土运输时的气温，单位℃，R为太阳辐射热，单位kJ/(m²·h)，β为表面放热系数，单位kJ·(m²·h·℃)^-1，φ为运输过程中温度回升系数，混凝土装、卸和转运时φ＝0.032，混凝土运输途中φ＝Aτ,τ为运输及等待时间以分计，A取值为：自卸汽车0.0016-0.0035，吊罐0.0004-0.0007；

混凝土浇筑温度是经过平仓、振捣后，覆盖上坯混凝土前在距混凝土表面10cm深处的温度，混凝土浇筑温度按照公式(8)计算：

T_p＝T₁+(T_a+R/β-T₁)(φ₁+φ₂) (8)

其中T_p为混凝土浇筑温度，单位℃，T₁为混凝土入仓温度，单位℃，T_a为外界气温，单位℃，R为太阳辐射热，单位kJ/(m²·h)，β为表面放热系数，单位kJ·(m²·h·℃)^-1，φ₁为平仓过程的温度系数，φ₁＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间，k为经验系数为0.0030(1/min)，φ₂为平仓后的温度系数，φ₂在0-1.0之间。

6.根据权利要求5所述的基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，其特征在于：在所述步骤(4)的浇筑温度前提条件下的混凝土内部温度降温速率在0.5℃/d以内。

7.根据权利要求6所述的基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，其特征在于：步骤(6)中通水冷却时的混凝土内部温度按照公式(9)、(10)、(11)计算：

T_m＝T_w+X₁T₀ (9)

T_lw＝T_w+Y₁T₀ (10)

T_lm＝T_w+Z₁T₀ (11)

其中T_m为沿水管全长L的混凝土平均温度，单位℃，T_lw为管长l处的水温，单位℃，T_lm为管长l处的混凝土截面平均温度，单位℃，T_w为冷却水初温，单位℃，T₀为混凝土冷却前的温度与冷却水温之差值，单位℃，X₁、Y₁、Z₁为函数，通过指定图查算。

8.根据权利要求7所述的基于实时监测数据的大体积混凝土温度监控方法，其特征在于：在步骤(6)的通水冷却条件下的混凝土内部温度计算时所需的表面散热系数按照公式(13)计算：

$\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}{|}_{x=0}=\mathrm{\β}(T_0-T_{a0})---\left(13\right)$

表面散热系数由公式(14)计算：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\λ}\left(\frac{\∂T}{\∂x}\right){|}_{x=0}}{T_0-T_{a0}}---\left(14\right)$

其中β为表面散热系数，kJ·(m²·h·℃)^-1，λ为混凝土导热系数，kJ/(m·h·℃)，为温度梯度，单位℃/m，T₀为混凝土表面温度，单位℃，T_a0为周围环境气温，单位℃。