CN104234431A - 一种大体积混凝土结构的温控冷却系统及其冷却控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大体积混凝土结构的温控冷却系统及其冷却控制方法，涉及大体积混凝土施工技术领域。针对现有方法冷却管布置盲目性大，不能很好结合混凝土内部温度分布规律；冷却管不能有效控制内部降温均匀性的问题。冷却水管单元水平布设于模板内，它包括两个冷却水管组，两个冷却水管组交错且相叠置，两个冷却水管组的冷却水管平行且间隔设置，相邻冷却水管内冷却循环水流向相反。方法：一、建立有限元模型，并进行水热化分析判定最高温差及温度梯度；二、初步确定冷却水管单元布置方案；三、将布置方案的信息代入有限元模型中进行仿真模拟，判断为是则按布置方案进行施工；判断为否则调整冷却水管单元布设及其流量，直至满足要求。

Description

一种大体积混凝土结构的温控冷却系统及其冷却控制方法

技术领域

本发明涉及大体积混凝土施工技术领域，特别涉及一种大体积混凝土结构的温控冷却系统及其冷却控制方法。 

背景技术

随着城市建筑规模越来越大，大体积混凝土施工技术的应用也越来越普遍。在大体积混凝土结构的施工过程中，水泥的水化反应会产生大量的水化热，综合混凝土自身材料的特殊性，在混凝土内部会产生一个不均匀的温度场，外部冷混凝土受到内部热混凝土的膨胀和收缩的约束，从而产生温度应力，导致大体积混凝土在硬化过程中易产生温度裂缝，降低了大体积混凝土的承载能力、防水性能及耐久性能，影响建筑结构的安全及正常使用。 

目前，采用较多的冷却控制方法是在待浇筑大体积混凝土结构内部埋设冷却水管，向冷却水管内通入循环冷却水来实现混凝土的降温。例如：中国发明专利申请号201310441732.X，发明名称为大体积混凝土水热化温度测试系统及方法，其中，布设于冷却水管附近的温度传感器实时检测混凝土内部的温度，中央处理器处理反馈来的温度信息，并通过变频器调节循环冷却水的流速，以降低混凝土内部温度。这种冷却方法不但计算量大，而且不能反映混凝土内部温度变化的真实过程，不能均匀控制混凝土降温，不均匀温度场的存在容易产生裂缝；另外，控温所采用的冷却水管多为盘管，盘管虽然能够减少管路接头，但由于循环冷却水在盘管内流动路径较长，导致循环冷却水在盘管入口侧和出口侧的温差较大，不能有效控制大体积混凝土结构的内部温差。 

发明内容

针对现有大体积混凝土结构的冷却控制方法计算量大，冷却水管布置盲目性大，不能很好结合混凝土内部温度分布规律；冷却水管不能有效控制内部降温均匀性的问题，本发明的目的是提供一种大体积混凝土结构的温控冷却系统及其冷却控制方法，能够有效控制因冷却水管内循环冷却水单一流向而造成混 凝土内部降温不均匀的现象，达到减小温度梯度、改变温度场不均匀的目的；通过有限元模型仿真模拟计算并分析冷却水管的温控效果，实现减小大体积混凝土结构内部温度差异，实现有效均匀温控的目的。 

本发明解决其技术问题所采用的大体积混凝土结构的温控冷却系统，包括循环冷却水系统、变频器、中央控制器、计算机及温度传感器，所述循环冷却水系统包括依次连接并形成回路的冷却水管单元、水箱及变频式水泵，至少一个所述冷却水管单元水平布设于所述大体积混凝土结构的模板内，每个所述冷却水管单元包括两个冷却水管组，所述冷却水管组是由若干两端分别连接进水管和出水管的冷却水管组成，所述冷却水管的进水口和出水口均设于所述大体积混凝土结构的模板外部，两个所述冷却水管组交错且相叠置，所述冷却水管分别平行且间隔设置，相邻所述冷却水管内冷却循环水流向相反。 

优选的，所述大体积混凝土结构的模板内由上至下设有至少两个平行的所述冷却水管单元，且上下相邻的两个所述冷却水管单元中的冷却水管相垂直。 

更佳的，所述冷却水管为直管。 

所述冷却水管内的水流流量通过设置于所述冷却水管单元管路上的调节阀控制。 

另外，本发明还提供了一种大体积混凝土结构的温控冷却系统的冷却控制方法，步骤如下： 

步骤一：建立所述大体积混凝土结构的有限元模型，并进行水热化分析得到最高温度及温度分布规律，进而判定最高温差及温度梯度； 

步骤二：对不同温度区域的冷却水管单元布置比例进行初步确定，得到冷却水管单元布置方案； 

步骤三：将经所述步骤二获得的所述冷却水管单元布置方案的信息代入所述有限元模型中进行仿真模拟，判断所述冷却水管的布设是否满足要求，当判断结果为是时，按所述冷却水管单元布置方案进行冷却水管施工；当判断结果为否时，调整所述冷却水管单元的布设及所述冷却水管内循环冷却水的流量，并重复所述步骤二，直至满足要求。 

优选的，所述步骤三后还包括步骤四，当所述大体积混凝土结构冷却降温结束后，压浆封堵所述冷却水管。 

所述步骤二具体如下： 

步骤a：在所述大体积混凝土结构的模板内布设所述冷却水管单元并固定，在各温度测点布设所述温度传感器并固定； 

步骤b：浇筑混凝土之前，完成冷却水管单元的布置，并连通进出水系统，浇筑混凝土并待其初凝后，所述中央控制器通过所述变频器驱动所述循环水冷却系统工作，同时所述中央控制器将所述温度传感器获得的所述实时信息传输给所述计算机。 

所述步骤a中，所述大体积混凝土结构内水平布设至少一个冷却水管单元，所述冷却水管单元包括位于同一水平层内的两个冷却水管组，相叠置的两个冷却水管组的所述冷却水管分别平行且间隔设置，且相邻两根冷却水管中的冷却循环水流向相反。 

所述大体积混凝土结构的模板内由上至下布设至少两个所述冷却水管单元，相邻的两个所述冷却水管单元中的冷却水管相垂直。 

所述大体积混凝土结构表层的温度测点与所述大体积混凝土结构上表面的距离D1为30mm～80mm，所述大体积混凝土结构底层的温度测点与所述大体积混凝土结构底面的距离D2为200mm～300mm。 

本发明的效果在于： 

一、本发明大体积混凝土结构的温控冷却系统，冷却水管的布设采用同层双向对流，这种布置方式能够有效避免同一水平层内循环冷却水单一方向进入大体积混凝土结构造成的进入侧温度降低快，而流出侧温度降低慢的现象，从而有效控制因冷却水管内循环冷却水单一流向而造成的混凝土内部降温不均匀的现象，达到减小水平温度梯度、改变水平降温温度场不对称的目的。 

二、本发明大体积混凝土结构的温控冷却系统，冷却水管单元的布设不但采用同层双向对流，而且沿大体积混凝土厚度方向设置至少两个冷却水管单元，且相邻两个冷却水管单元中的冷却水管相垂直，采用这种布置方式，能够保证大体积混凝土结构内部降温温度场对称，尤其能够有效避免超厚大体积混凝土结构竖向降温不均匀的弊端，达到减小大体积混凝土结构竖向温度梯度、改变竖向降温温度场不对称的目的。 

三、本发明大体积混凝土结构的冷却控制方法，通过有限元模型仿真模拟计算并分析冷却水管的温控效果，当冷却水管的布设及流量达不到施工要求时，则进行调整直至符合施工要求，工程技术人员能够提前预知混凝土水化热的最 高温度及其内部温度分布规律，并通过良好的人机交互界面随时了解大体积混凝土结构内部的温度场和应力变化，根据温度高低区域的不同，调整冷却水管布置的疏密程度，以及循环冷却水的流量等参数，从而减小大体积混凝土结构内部温度差异，实现有效均匀控温的目的。 

另外，本方法的实施还有助于改变冷却水管布置的盲目性，提高冷却水管的利用率，也能够避免冷却水管降温的不均匀性，进而有效控制大体积混凝土内部温差及应力，减少温度裂缝的产生。 

附图说明

图1至图3为本发明一实施例中冷却水管单元的布置示意图； 

图4为本发明大体积混凝土结构温控冷却方法的流程图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种大体积混凝土结构的温控冷却系统及其冷却控制方法作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”、“左”、“右”与附图的上、下、左、右的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。需另外说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。 

实施例一：结合图1至图3说明本发明大体积混凝土结构的温控冷却系统(图中箭头方向为循环冷却水的流动方向)，它包括循环冷却水系统、变频器、中央控制器、计算机及多个温度传感器。其中，多个温度传感器布设于大体积混凝土结构的模板内部，并与中央控制器信号连接，中央控制器通过通信电缆连接计算机，中央控制器还通过变频器连接循环冷却水系统。循环冷却水系统包括依次连接并形成回路的变频式水泵、冷却水管和水箱，且变频式水泵与变频器连接。上述连接方式为现有技术内容，此处不再赘述。 

本发明的温控冷却系统与上述现有技术的不同在于大体积混凝土结构的模板内冷却水管的结构及布设，图1所示为大体积混凝土结构1水平层内布设的冷却水管单元一10，冷却水管单元一10包括两个冷却水管组，即冷却水管组A 11和冷却水管组B12，冷却水管组是由若干左右两端分别连接进水管和出水管的冷却水管组成，冷却水管的进水口和出水口均设于大体积混凝土结构1模板的外部，冷却水管组A11和冷却水管组B12交错且相叠置，冷却水管组A11和冷却水管组B12的冷却水管分别平行且间隔设置，相邻冷却水管内冷却循环水流向相反。上述仅是一个水平层设置一个冷却水管单元一10的示例，本领域技术人员根据上述技术内容及实际施工的需要，也可在同一水平层内设置多个冷却水管单元一10，在此不作限定。 

本发明大体积混凝土结构的温控冷却系统，冷却水管的布设采用同层双向对流，即相邻两根冷却水管内的循环冷却水流向相反，这种布置方式能够有效避免同一水平层内循环冷却水单一方向进入大体积混凝土结构造成的进入侧温度降低快，而流出侧温度降低慢的现象，从而有效控制因冷却水管内循环冷却水单一流向而造成的混凝土内部降温不均匀的现象，达到减小水平温度梯度、改变水平降温温度场不对称的目的。 

进一步地，大体积混凝土结构1的模板内由上至下设有至少两个平行的冷却水管单元，且相邻的两个冷却水管单元中的冷却水管垂直设置。图2所示为大体积混凝土结构1中另一水平层内布设的冷却水管单元二20，冷却水管单元二20位于冷却水管单元一10的下方，与上述冷却水管单元一10的结构相类似，冷却水管单元二20包括冷却水管组C21和冷却水管组D22，冷却水管组是由若干上下两端分别连接进水管和出水管的冷却水管组成，且冷却水管的进水口和出水口均设于大体积混凝土结构1模板的外部。冷却水管组C21和冷却水管组D22交错且相叠置，使得冷却水管组C21和冷却水管组D22的冷却水管分别平行且间隔设置。图3所示为大体积混凝土结构1内纵向设置的冷却水管单元的示意图，由上至下依次为冷却水管单元一10、冷却水管单元二20、冷却水管单元三30和冷却水管单元四40，其中，相邻两个冷却水管单元中的冷却水管相垂直。 

综上所述，冷却水管单元的布设不但采用同层双向对流，而且沿大体积混凝土结构纵向设置至少两个冷却水管单元，且相邻两个冷却水管单元中的冷却水管相垂直，采用这种布置方式，能够保证大体积混凝土结构内部降温温度场对称，尤其能够有效避免超厚大体积混凝土结构纵向降温不均匀的弊端，达到减小大体积混凝土结构竖向温度梯度、改变竖向降温温度场不对称的目的。 

更佳的，上述冷却水管单元中的冷却水管优选直管，以保证循环冷却水在冷却水管内的水流路径最短，另外，直管相比传统的盘管而言，管路间距调整的灵活性更强，更有利于通过控制冷却水管的间距来控制大体积混凝土结构内部降温不均匀的现象。 

并采用直径Φ15mm～Φ40mm的金属管或硬塑料管。 

冷却水管内的水流流量通过设置于冷却水管单元管路上的调节阀控制。 

实施例二：结合图1至图4说明本发明的大体积混凝土结构的冷却控制方法，步骤如下： 

S101：在计算机内建立大体积混凝土结构的有限元模型，进行网格划分，并进行水热化分析得到最高温度及温度分布规律，进而判定最高温差及温度梯度。 

S102：根据热能交换原理，以有效控制温度梯度为目的，对不同温度区域的冷却水管单元的布置比例进行初步确定，得到冷却水管单元布置方案。并选定冷却水管管径、流量等参数； 

S103：将上述冷却水管单元布置方案的信息代入有限元模型中进行仿真模拟，通过模拟结果分析冷却水管的布设是否满足要求，由于产生温度裂缝的理论温差值为25℃，因此，当判断结果为是时，即混凝土温度梯度之差小于25℃时，即可按上述冷却水管单元布置方案进行冷却水管施工；当判断结果为否时，即混凝土中心温度与表层温度之差大于等于25℃时，调整冷却水管的布设及循环冷却水的流量，并重复上述步骤S102，直至满足要求。 

进一步地，上述步骤S103后还包括步骤S104，即大体积混凝土结构冷却降温结束后，及时对冷却水管进行压浆封堵。 

上述步骤S101中有限元模型可通过ANSYS热分析软件建立，ANSYS热分析计算是基于能量守恒原理与热平衡方程，通过有限元分析方法计算各节点的温度，然后将ANSYS的温度数据和其他物理参数施加到大体积混凝土结构上，从而计算出温度应力。 

本发明大体积混凝土结构的冷却控制方法，通过有限元模型仿真模拟计算并分析冷却水管的温控效果，当冷却水管的布设及流量达不到要求时，则进行调整直至符合要求，工程技术人员能够提前预知混凝土水化热的最高温度及其内部温度分布规律，并通过良好的人机交互界面随时了解大体积混凝土结构内 部的温度场和应力变化，根据温度高低区域的不同，调整冷却水管布置的疏密程度，以及循环冷却水的流量等参数，从而减小大体积混凝土结构内部温度差异，实现有效均匀控温的目的。 

另外，本方法的实施还有助于改变冷却水管布置的盲目性，提高冷却水管的利用率，也能够避免冷却水管降温的不均匀性，进而有效控制大体积混凝土内部温差及应力，减少温度裂缝的产生。 

上述步骤S102具体如下： 

步骤a：在大体积混凝土结构的模板内布设冷却水管单元并固定，在各温度测点布设温度传感器并固定； 

步骤b：向模板内浇筑混凝土之前，完成冷却水管单元的布置，并连通进出水系统，浇筑混凝土并待其初凝后，中央控制器通过变频器驱动循环水冷却系统工作，同时中央控制器将温度传感器获得的实时信息传输给计算机。 

优选的，上述步骤a中，大体积混凝土结构1内水平布设至少一个冷却水管单元，冷却水管单元包括位于同一水平层内的两个冷却水管组，相叠置的两个冷却水管组的冷却水管分别平行且间隔设置，且相邻两根冷却水管中的冷却循环水流向相反。 

更佳的，大体积混凝土结构的模板内由上至下布设至少两个冷却水管单元，且相邻两个冷却水管单元中的冷却水管垂直设置。 

此外，在实际施工时，大体积混凝土结构的浇筑过程通常采用分块分层分批的形式，按施工进度每昼夜浇捣作业面宜布置1～2个测位，大体积混凝土结构厚度均匀时，测位间距一般为10m～15m，测位位于大体积混凝土结构的边缘、角部及中部等。根据混凝土厚度不同，每个测位布置3～5个温度测点。测位布置于相邻两根冷却水管的中间位置，并在冷却水管的进水口和出水口处分别布置温度测点。温度测点处的温度传感器可直接埋入混凝土内。 

大体积混凝土结构表层的温度测点与大体积混凝土结构上表面的距离D1为30mm～80mm，大体积混凝土结构底层的温度测点与大体积混凝土结构底面的距离D2为200mm～300mm。 

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。 

Claims (10)

1.一种大体积混凝土结构的温控冷却系统，包括循环冷却水系统、变频器、中央控制器、计算机及温度传感器，其特征在于：所述循环冷却水系统包括依次连接并形成回路的冷却水管单元、水箱及变频式水泵，至少一个所述冷却水管单元水平布设于所述大体积混凝土结构的模板内，每个所述冷却水管单元包括两个冷却水管组，所述冷却水管组是由若干两端分别连接进水管和出水管的冷却水管组成，所述冷却水管的进水口和出水口均设于所述大体积混凝土结构的模板外部，两个所述冷却水管组交错且相叠置，所述冷却水管分别平行且间隔设置，相邻所述冷却水管内冷却循环水流向相反。 

2.根据权利要求1所述的大体积混凝土结构的温控冷却系统，其特征在于：所述大体积混凝土结构的模板内由上至下设有至少两个平行的所述冷却水管单元，且上下相邻的两个所述冷却水管单元中的冷却水管相垂直。 

3.根据权利要求1或2所述的大体积混凝土结构的温控冷却系统，其特征在于：所述冷却水管为直管。 

4.根据权利要求3所述的大体积混凝土结构的温控冷却系统，其特征在于：所述冷却水管内的水流流量通过设置于所述冷却水管单元管路上的调节阀控制。 

5.一种利用权利要求1至4任一项所述的大体积混凝土结构的温控冷却系统的冷却控制方法，步骤如下： 

步骤一：建立所述大体积混凝土结构的有限元模型，并进行水热化分析得到最高温度及温度分布规律，进而判定最高温差及温度梯度； 

步骤二：对不同温度区域的冷却水管单元布置比例进行初步确定，得到冷却水管单元布置方案； 

步骤三：将经所述步骤二获得的所述冷却水管单元布置方案的信息代入所述有限元模型中进行仿真模拟，判断所述冷却水管的布设是否满足要求，当判断结果为是时，按所述冷却水管单元布置方案进行冷却水管施工；当判断结果为否时，调整所述冷却水管单元的布设及所述冷却水管内循环冷却水的流量， 并重复所述步骤二，直至满足要求。 

6.根据权利要求5所述的冷却控制方法，其特征在于：所述步骤三后还包括步骤四，当所述大体积混凝土结构冷却降温结束后，压浆封堵所述冷却水管。 

7.根据权利要求5或6所述的冷却控制方法，其特征在于，所述步骤二具体如下： 

步骤a：在所述大体积混凝土结构的模板内布设所述冷却水管单元并固定，在各温度测点布设所述温度传感器并固定； 

步骤b：浇筑混凝土之前，完成冷却水管单元的布置，并连通进出水系统，浇筑混凝土并待其初凝后，所述中央控制器通过所述变频器驱动所述循环水冷却系统工作，同时所述中央控制器将所述温度传感器获得的所述实时信息传输给所述计算机。 

8.根据权利要求7所述的冷却控制方法，其特征在于，所述步骤a中，所述大体积混凝土结构内水平布设至少一个冷却水管单元，所述冷却水管单元包括位于同一水平层内的两个冷却水管组，相叠置的两个冷却水管组的所述冷却水管分别平行且间隔设置，且相邻两根冷却水管中的冷却循环水流向相反。 

9.根据权利要求7所述的冷却控制方法，其特征在于：所述大体积混凝土结构的模板内由上至下布设至少两个所述冷却水管单元，相邻的两个所述冷却水管单元中的冷却水管相垂直。 

10.根据权利要求5所述的冷却控制方法，其特征在于：所述大体积混凝土结构表层的温度测点与所述大体积混凝土结构上表面的距离D1为30mm～80mm，所述大体积混凝土结构底层的温度测点与所述大体积混凝土结构底面的距离D2为200mm～300mm。