CN107103130B - 根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，在实测的浇筑温度基础上，去除水化放热的影响因素，并根据有限元数据拟合平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均浇筑温度增量和实测浇筑温度增量的比值，综合考虑入仓温度、混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均浇筑温度增量与该铺筑层的实测点的实测浇筑温度增量的比值、外界环境温度引起的铺筑层平均温度变化量等因素，将平仓振捣结束时混凝土温度与外界环境温度引起的铺筑层平均温度增量之和作为有限元计算使用的浇筑温度。与直接使用实测浇筑温度作为有限元计算使用浇筑温度相比，本发明更为科学准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，属于水利水电工程技术领域。
背景技术
混凝土浇筑施工过程中，1.5～3.0m厚的浇筑层需要分成若干铺筑层，例如，铺筑层厚度为0.3m时，对于1.5m厚的浇筑层，需要分成5个铺筑层，逐层向上浇筑，设混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为T1，经平仓和铺筑层浇筑完毕，上层覆盖新混凝土时，已铺筑的老混凝土的温度即为浇筑温度。混凝土铺筑层厚度一般在0.3m～0.5m之间，铺筑的间歇时间一般在3～8小时之间。
控制浇筑温度是混凝土温控防裂的重要措施之一，在施工过程中，进行跟踪分析以指导后续的温控防裂措施具有非常重要的意义。跟踪分析是指根据实际工程的测量数据，进行温度场的反分析，在温度场和实际工程一致的基础上进行应力的分析计算。现有的跟踪分析方法，一般是以浇筑温度等参数为依据，模拟实际施工条件进行有限元计算分析，其中的浇筑温度参数采用铺筑层实测点(一般在铺筑层表面以下10cm位置)的实测浇筑温度值。然而，以实测的浇筑温度值直接作为有限元计算分析的依据，并不完全准确，这是因为：
1)混凝土浇筑过程中，由于混凝土是热的不良导体，局部点的浇筑温度和铺筑层的浇筑温度往往存在较大区别。如外界环境温度较高且铺筑层较厚时，铺筑层内部沿高程方向的温度梯度分布往往很不均匀，测点温度很可能与铺筑层的平均温度差异较大；
2)混凝土浇筑过程中，下层已浇筑的老铺筑层对新浇筑的铺筑层存在导热现象。有限元计算时，铺筑层的热交换浇筑后迅速平衡，并不会对混凝土热力学性能产生实质的影响，但新老铺筑层的热交换会对测点温度造成一定的影响；
3)混凝土浇筑过程中，混凝土水化放热会影响测点温度，但混凝土的水化放热总量是一定的，有限元计算中绝热温升设置已包括了浇筑过程中的水化放热因素，故需要从实测的浇筑温度中去除水化放热因素的影响。
因此，直接将实测点的浇筑温度值作为有限元分析计算的数据依据，会导致有限元分析结果出现误差，无法保证跟踪分析的科学准确性。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，综合考虑入仓温度、混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均浇筑温度增量与该铺筑层的实测点的实测浇筑温度增量的比值、外界环境温度引起的铺筑层平均温度变化量等因素，对实测的浇筑温度值进行处理与修正，以修正后的浇筑温度作为有限元分析计算的依据，保证有限元分析结果的科学准确性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，包括：
有限元分析计算用浇筑温度为：
Tpa＝kΔTpch+T1 (1)
其中，k为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均温度增量与该铺筑层的测量点的实测浇筑温度增量的比值，T1为混凝土平仓振捣结束时的混凝土温度，ΔTpch为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间，环境温度引起的铺筑层的测量点的浇筑温度增量；
k值的计算方法为，
k＝k1k2 (2)
k1＝k11(l)k12(t) (3)
k11(l)＝4l2-4.9l+2.14 0.3≤l≤0.5 (5)
其中，l为铺筑层厚度，t为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔，c为混凝土比热；λ为导热系数；
ΔTpch值的计算方法为：
其中，Tpc为新浇筑的铺筑层的测量点的实测浇筑温度值，为水化放热引起的温度回升，可采用试验数据直接分析也可采用拟合公式，ΔTP为老混凝土热传导引起的浇筑温度的修正项。
对于水化放热引起的温度回升使用等效水化放热时间的基础上采用绝热温升实测数据，缺少试验数据但具有绝热温升拟合公式时，依据拟合公式确定水化放热引起的温度回升量，包括：
采用指数形式拟合时，
采用双曲线形式拟合时，
其中，θ0为绝热温升终值；a和b、n均为常数，根据绝热温升曲线性质决定；
等效水化放热时间为：
其中，Tc为绝热温升试验块的初始温度；Δτ为铺筑薄层间歇时间。
由老混凝土热传导引起的浇筑温度修正项ΔTP，计算方法为：
其中，Tpco为老铺筑层的测量点的实测浇筑温度值，为老混凝土热传导影响系数。
值由有限元计算根据设定的计算条件确定。
本发明的优点是：
本发明的根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，综合考虑入仓温度、混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均浇筑温度增量与该铺筑层的实测点的实测浇筑温度增量的比值、外界环境温度引起的铺筑层平均温度变化量等因素，对实测的浇筑温度值进行处理与修正，以修正后的浇筑温度作为有限元分析计算的依据，保证了有限元分析计算结果的准确性，提高了跟踪分析结果的科学准确性，能够为施工现场采取具体的温控防裂措施提供依据。
附图说明
图1是本发明的系数k1的拟合值结果图。
图2是本发明的系数k1的拟合值和有限元计算结果值的误差分析图。
图3是本发明的系数k2的拟合值结果图。
图4是本发明的系数k2的拟合值和有限元计算结果值的误差分析图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作详细的说明。
本发明公开的根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，包括：
1、浇筑期间水化热温升。
等效水化放热时间为：
其中，Tc为绝热温升试验块的初始温度；T1为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔；为等效水化放热时间，即绝热温升试验进行的时间；Δτ为铺筑层间歇时间。
水化放热引起的温度回升为最好在使用等效水化放热时间的基础上由试验数据直接得到。缺少试验数据但拥有绝热温升拟合公式时候，可依据拟合公式确定水化放热引起的温度回升量。
采用指数形式拟合时，水化放热引起的温度回升为：
其中，θ0为绝热温升终值；a和b均为常数，根据绝热温升曲线性质决定。
采用双曲线形式拟合时，水化放热引起的温度回升为：
其中，θ0为绝热温升终值；n为常数，根据绝热温升曲线性质所决定。
使用式(1)～式(3)时应特别注意铺筑层间歇时间的单位，避免出现因时间单位而引起的错误。
2、由老混凝土热传导引起的浇筑温度修正项ΔTP。
计算方法为：
其中：Tpco为老铺筑层的测量点的实测浇筑温度值，为老混凝土热传导影响系数。
由有限元计算确定，有限元计算的计算条件为：浇筑温度按0℃考虑，外界温度按10℃考虑；混凝土浇筑模型底面散热，其余面绝热；导热系数为164kJ/m·d·℃，表面放热系数为100000kJ/m2·d·℃，计算混凝土比热为0.6-1.2kJ/kg·℃情况下，单位温度差引起的混凝土温升。计算结果见表1～表3，即为铺筑层厚度分别为0.3m、0.4m和0.5m情况下，老混凝土热传导引起的老混凝土热传导影响系数
表1铺筑层厚度0.3m时对应的值
| 比热/0.9 | 3小时 | 4小时 | 5小时 | 6小时 | 7小时 | 8小时 |
| 0.667 | 0.117 | 0.161 | 0.200 | 0.234 | 0.263 | 0.291 |
| 0.889 | 0.082 | 0.119 | 0.153 | 0.183 | 0.211 | 0.235 |
| 1.000 | 0.070 | 0.103 | 0.135 | 0.164 | 0.190 | 0.214 |
| 1.111 | 0.059 | 0.091 | 0.120 | 0.147 | 0.173 | 0.196 |
| 1.333 | 0.044 | 0.070 | 0.096 | 0.121 | 0.144 | 0.166 |
表2铺筑层厚度0.4m时对应的值
| 比热/0.9 | 3小时 | 4小时 | 5小时 | 6小时 | 7小时 | 8小时 |
| 0.667 | 0.036 | 0.060 | 0.084 | 0.108 | 0.132 | 0.155 |
| 0.889 | 0.020 | 0.036 | 0.054 | 0.072 | 0.091 | 0.109 |
| 1.000 | 0.015 | 0.028 | 0.044 | 0.060 | 0.076 | 0.093 |
| 1.111 | 0.012 | 0.022 | 0.036 | 0.050 | 0.065 | 0.080 |
| 1.333 | 0.007 | 0.015 | 0.025 | 0.036 | 0.048 | 0.060 |
表3铺筑层厚度0.5m时对应的值
| 比热/0.9 | 3小时 | 4小时 | 5小时 | 6小时 | 7小时 | 8小时 |
| 0.667 | 0.011 | 0.021 | 0.035 | 0.052 | 0.070 | 0.088 |
| 0.889 | 0.005 | 0.010 | 0.018 | 0.028 | 0.039 | 0.052 |
| 1.000 | 0.003 | 0.007 | 0.013 | 0.020 | 0.030 | 0.040 |
| 1.111 | 0.002 | 0.005 | 0.010 | 0.016 | 0.023 | 0.031 |
| 1.333 | 0.001 | 0.003 | 0.006 | 0.009 | 0.014 | 0.020 |
3、环境温度引起的实测点浇筑温度与环境温度引起的铺筑层平均浇筑温度的关系。
混凝土浇筑后，在外界环境的影响下，混凝土铺筑层温度逐渐升高。设混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均浇筑温度增量与该铺筑层的测量点的实测浇筑温度增量的比值为k，设定：
k＝k1k2 (5)
其中，
k1＝k11(l，λ，β)k12(t) (6)
其中，l为铺筑层厚度，t为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔，λ为导热系数，β为表面放热系数，c为混凝土比热。
1)k1值的确定
k1值由有限元计算确定，有限元计算条件为：浇筑温度按0℃考虑，外界温度按10℃考虑；混凝土浇筑模型顶面散热，其余面绝热；混凝土浇筑模型厚度为0.5m，导热系数为164kJ/m·d·℃，混凝土比热为0.9kJ/kg·℃，计算表面放热系数为300-1200kJ/m2·d·℃情况下，不同厚度混凝土铺筑层平均浇筑温度增量与实测浇筑温度增量的比值k。
根据表4～表6，在相同铺筑层厚度和相同混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔的情况下，不同的β/λ情况下，k值相同，可见，k1取值与β/λ无关。
假设k2取值与铺筑层厚度l无关，且k21(l，164，0.9)＝1，根据表7所示k值与混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t、铺筑层厚度l的关系，进行参数拟合可得：
k11(l)＝4l2-4.9l+2.14 0.3≤l≤0.5 (8)
表4混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为3小时
表5混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为4小时
表6混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为8小时
表7不同混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t下的k值
2)k2值的确定
k2值由有限元计算确定，有限元计算条件为：浇筑温度按0℃考虑，外界温度按10℃考虑；混凝土浇筑模型顶面散热，其余面绝热；混凝土浇筑模型厚度为0.5m，导热系数为164kJ/m·d·℃，混凝土比热为0.6～1.2kJ/kg·℃，计算表面放热系数为600kJ/m2·d·℃情况下，不同厚度混凝土铺筑层平均浇筑温度增量与实测浇筑温度增量的比值k。
根据表8～表11所示不同条件下对应的k值，结合式(5)、(8)、(9)，可得到k2值，见表12～表15。根据计算结果，在相同c/0.9(比热单位kJ/kg·℃)和相同混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t、不同的铺筑层厚度的情况下，k2值可以认为是相同的。
由此可见，前述式(8)、(9)中的假设条件k2取值与铺筑层厚度l无关是成立的。根据表16，并依据前述式(8)、(9)成立的条件k21(l，164，0.9)＝1，进行参数拟合，可得：
表8混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为3小时
表9混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为4小时
表10混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为5小时
表11混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为6小时
表12混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为3小时
表13混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为4小时
表14混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为5小时
表15混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t为6小时
表16不同混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔t下的k值
3)对k11 k12 k21 k22进行验证
对比有限元分析计算结果和式(8)～(11)拟合结果进行验证。
有限元计算条件为：浇筑温度按0℃考虑，外界温度按10℃考虑；混凝土浇筑模型顶面散热，其余面绝热；混凝土浇筑模型厚度为0.5m，导热系数为164kJ/m·d·℃，混凝土比热为0.6～1.2kJ/kg·℃，计算表面放热系数为300kJ/m2·d·℃情况下，不同厚度混凝土铺筑层平均浇筑温度增量与实测浇筑温度增量的比值。
根据有限元计算数据，在混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为3小时的情况下，有限元计算的铺筑层平均浇筑温度增量与实测浇筑温度增量的比值k结果见表17，利用式(5)、式(8)～(11)计算的拟合值见表18，有限元计算结果与按照式(5)、式(8)～(11)计算的拟合值之间的误差值见表19；在混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为4小时的情况下，有限元计算的铺筑层平均浇筑温度增量与实测浇筑温度增量的比值k结果见表20，利用式(5)、式(8)～(11)计算的拟合值见表21，有限元计算结果与按照式(5)、式(8)～(11)计算的拟合值之间的误差值见表22。对上述计算结果进行误差计算分析可知，两种计算条件下对应的平均误差率分别为2.6％和3.5％，最大误差也在6％以内。由此可见，对任意表面放热系数、任意比热和任意导热系数的混凝土，只要混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔在3～8小时之间，铺筑层厚度在0.3m～0.5m之间，式(5)、式(8)～(11)都是成立的，在这些条件下，均可按照式(5)、式(8)～(11)计算铺筑层平均浇筑温度增量与实测浇筑温度增量的比值k。
表17混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为3小时计算的k值
表18混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为3小时根据公式计算的拟合值
表19混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为3小时的拟合误差值
表20混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为4小时计算的k值
表21混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为4小时根据公式计算的拟合值
表22混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔为4小时的拟合误差值
4、环境温度变化引起的铺筑层平均浇筑温度变化量。
混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间，环境温度引起的铺筑层测点温度增量，计算公式为：
其中：Tpc为新浇筑的铺筑层的测量点的实测浇筑温度值，为水化放热引起的温度回升，ΔTP为老混凝土热传导引起的浇筑温度的修正项，T1为混凝土平仓振捣结束时的混凝土温度。
5、确定有限元计算用的浇筑温度。
根据实测浇筑温度、入仓温度、混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均浇筑温度增量与该铺筑层的实测点的实测浇筑温度增量的比值、环境温度变化引起的铺筑层平均浇筑温度变化量等因素，最终确定用于跟踪分析的有限元分析计算用浇筑温度为：
Tpa＝kΔTpch+T1 (13)
其中，k为铺筑层平均浇筑温度增量与实测浇筑温度增量的比值，T1为混凝土平仓振捣结束时的混凝土温度，ΔTpch为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间，环境温度引起的铺筑层实测浇筑温度增量。
本发明的根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，在实测的浇筑温度基础上，去除了水化放热的影响因素，并综合考虑入仓温度、混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均浇筑温度增量与该铺筑层的实测点的实测浇筑温度增量的比值、外界环境温度引起的铺筑层平均温度变化量等因素，对实测的浇筑温度值进行处理与修正，以修正后的浇筑温度作为有限元分析计算的依据，保证了有限元分析计算结果的准确性，提高了跟踪分析结果的科学准确性，能够为施工现场采取具体的温控防裂措施提供指导与依据。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，其特征在于，
有限元分析计算用浇筑温度为：
Tpa＝kΔTpch+T1 (1)
其中，k为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间外界环境温度引起的铺筑层平均温度增量与该铺筑层的测量点的实测浇筑温度增量的比值，T1为混凝土平仓振捣结束时的混凝土温度，ΔTpch为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束期间，环境温度引起的铺筑层的测量点的浇筑温度增量；
k值的计算方法为，
k＝k1k2 (2)
k1＝k11(l)k12(t) (3)
k11(l)＝4l2-4.9l+2.14 0.3≤l≤0.5 (5)
其中，l为铺筑层厚度，t为混凝土平仓振捣结束至铺筑层浇筑结束的时间间隔，c为混凝土比热；λ为导热系数；
ΔTpch值的计算方法为：
其中，Tpc为新浇筑的铺筑层的测量点的实测浇筑温度值，为水化放热引起的温度回升，可采用试验数据直接分析也可采用拟合公式，ΔTP为老混凝土热传导引起的浇筑温度的修正项，为等效水化放热时间。
2.根据权利要求1所述的根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，其特征在于，对于水化放热引起的温度回升使用等效水化放热时间的基础上采用绝热温升实测数据，缺少试验数据但具有绝热温升拟合公式时，依据拟合公式确定水化放热引起的温度回升量，包括：
采用指数形式拟合时，
采用双曲线形式拟合时，
其中，θ0为绝热温升终值；a和b、n均为常数，根据绝热温升曲线性质决定；
等效水化放热时间为：
其中，Tc为绝热温升试验块的初始温度；Δτ为铺筑薄层间歇时间。
3.根据权利要求1所述的根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，其特征在于，由老混凝土热传导引起的浇筑温度修正项ΔTP，计算方法为：
其中，Tpco为老铺筑层的测量点的实测浇筑温度值，为老混凝土热传导影响系数。
4.根据权利要求3所述的根据浇筑温度测量值确定有限元计算用浇筑温度的方法，其特征在于，值由有限元计算根据设定的计算条件确定。
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Study of the Concrete Block Temperature Intelligent Prediction Model during the Construction;JIANG Kai, et al.;《Advanced Materials Reaearch》;20131231;第663卷;第68-71页 |
| 大体积混凝土温度场构成因素分析;李童;《四川建材》;20111231(第04期);第26-28页 |
| 大坝混凝土运输及浇筑过程中温度回升研究;韩燕 等;《水电能源科学》;20101130;第28卷(第11期);第100-102、63页 |
Also Published As
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