CN110728093B - 一种大体积混凝土温控优化方法 - Google Patents

Abstract

一种大体积混凝土温控优化方法，即采集混凝土浇筑全过程的温度和位移历程数据；浇筑试验用混凝土试件；模拟大体积混凝土温度和位移变化历程；进行不同约束度的温度应力试验，获取混凝土约束应力历程及混凝土材料参数；建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元模型，反演混凝土材料参数；建立大体积混凝土有限元模型，仿真计算混凝土当期开裂风险系数；若计算的开裂风险系数不满足抗裂要求，调整混凝土约束应力试验设备输出的温度，重复上述步骤，直至开裂风险系数满足抗裂要求为止；将满足混凝土抗裂要求的温度历程数据返回至大体积混凝土现场温控系统，调整大体积混凝土温度历程与优化结果一致，保证大体积混凝土浇筑全过程的抗裂安全性。

Description

一种大体积混凝土温控优化方法

技术领域

本发明涉及一种大体积混凝土温控优化方法，考虑到大体积混凝土温度变化对混凝土材料参数以及开裂风险系数的影响，本发明提出了一种优化控制大体积混凝土温度变化的方法。

背景技术

众所周知，混凝土浇筑后会产生多种变形，特别是，对于大体积混凝土(例如大坝混凝土)而言，由于水化热引发的温度变形是影响大体积混凝土开裂的重要因素，混凝土开裂对混凝土浇筑形成的整体结构的安全性会产生严重的影响。

如图1所示，当前，对大体积混凝土温控措施的规范只规定了混凝土的允许最大温差，以及最高日降温速率限值。由于规范内容简单导致某些大体积混凝土工程在施工过程中仍然出现温度变化引发的开裂问题；且，业界内也没有更好的如何控制大体积混凝土温度变化避免引发开裂的方法。

同时，对于实际大体积混凝土温度超过标准要求的工程，其安全性的评价方法也不严谨，评价结果不准确。当前，人们对大体积混凝土安全性(即开裂风险)的评价方法主要采用数值计算的方法，即通过输入静态的大体积混凝土材料参数计算得出大体积混凝土开裂风险系数。这种方法的弊端是：忽视了大体积混凝土的温变历程对现场大体积混凝土材料性能发展的影响，导致评价结果(即开裂风险结果)不准确！

由于大体积混凝土的断面较厚，水化产生的热量难以及时散失，因此大体积混凝土内部温度历程与表面温度历程并不一致，而温度变化过程对混凝土材料参数(例如弹性模量、徐变系数、线膨胀系数和抗拉强度)的发展具有重要影响。而当前，评价大体积混凝土开裂风险的数值仿真计算采用的混凝土材料参数全部来源于实验室内的恒温养护条件下的试验结果，由此得到的大体积混凝土材料参数与实际养护温度条件下的大体积混凝土的性质存在较大的差异，这势必会影响对大体积混凝土开裂风险的评估精准度。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种大体积混凝土温控优化方法，该方法考虑到大体积混凝土温度变化对混凝土材料参数以及开裂风险系数的影响，不断地调整大体积混凝土的温度，从而使大体积混凝土的温度变化对其开裂风险影响降到最低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种大体积混凝土温控优化方法，它包括如下步骤：

S1：采集大体积混凝土浇筑全过程的温度历程数据和位移历程数据；

S2：按照现场大体积混凝土的实际配比向混凝土温度约束应力试验设备中浇筑试验用混凝土试件；

S3：将步骤S1采集的温度历程数据和位移历程数据输入到混凝土温度约束应力试验设备中，实验室模拟真实的大体积混凝土温度变化历程和位移变化历程；

S4：启动混凝土温度约束应力试验设备的位移约束系统，对温控条件下的混凝土进行不同约束度的温度应力试验，获取混凝土约束应力历程；对相同温控条件下的混凝土进行轴向拉伸试验，以获取大体积混凝土的抗拉强度参数f_t；

S5：通过仿真软件建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型并划分有限元网格；输入步骤S1采集的温度历程数据和位移历程数据，计算混凝土约束应力理论值，并与步骤S4得到的约束应力试验值比较，反演混凝土材料参数；

S6：建立大体积混凝土有限元分析计算模型，模型网格尺寸≤0.3m，将步骤S1得到的大体积混凝土温度历程数据，以及步骤S5得到的混凝土真实材料参数导入有限元模型，进行数值仿真计算混凝土当期开裂风险系数；

其中，P为混凝土约束应力计算值；f_t为第t龄期抗拉强度。

S7：若计算的开裂风险系数不满足抗裂要求，则调整混凝土约束应力试验设备输出的温度，重复执行步骤S4-S7，直至开裂风险系数满足抗裂要求为止；

若计算的开裂风险系数满足抗裂要求，则将满足混凝土抗裂要求的温度历程数据返回至大体积混凝土现场温控系统，调整大体积混凝土温度历程与优化结果一致，保证大体积混凝土浇筑全过程的抗裂安全性。

本发明的优点：本发明将混凝土约束应力试验和有限元数值计算的各自优势结合起来，在二次确认的条件下，获取最优的混凝土温控历程，反馈至大体积混凝土现场温控系统用以调整大体积混凝土的温控历程，保证大体积混凝土浇筑全周期的安全，克服目前大体积混凝土温控不严谨导致的开裂风险加大的弊端。

附图说明

图1是传统的大体积混凝土温控标准示意图；

图2是本发明提出的大体积混凝土温控优化方法流程图；

图3是实验室混凝土约束应力试验结果；

图4本发明建立的混凝土温度应力试验设备有限元分析计算模型；

图5是本发明建立的大体积混凝土有限元分析计算模型；

图6是根据本发明得到的大体积混凝土温度控制优化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

本发明公开的一种大体积混凝土温控优化方法是根据大体积混凝土温度变化对混凝土材料参数以及开裂风险系数的影响，不断地调整大体积混凝土的温度控制，使温度变化对大体积混凝土的开裂风险影响降到最低。如图2所示，本发明公开的一种大体积混凝土温控优化方法，包括如下步骤：

S1：采集大体积混凝土浇筑全过程的温度历程数据和位移历程数据。

根据大体积混凝土的浇筑进程，在每仓混凝土中同步埋入多支温度传感器及位移传感器，各传感器数据线连接至现场数据采集主机上，测量混凝土浇筑后的温度历程数据和位移历程数据，获取真实的大坝混凝土全过程数据，并将数据实时同步至云端服务器。

S2：按照现场大体积混凝土的实际配比向混凝土温度约束应力试验设备中浇筑试验用混凝土试件。

S3：将步骤S1采集的温度历程数据和位移历程数据输入到混凝土温度约束应力试验设备中，实验室模拟真实的大体积混凝土温度变化历程和位移变化历程。

S4：启动混凝土温度约束应力试验设备的位移约束系统，对温控条件下的混凝土进行不同约束度的温度应力试验，获取混凝土约束应力历程，即混凝土约束应力试验值，如图3所示；对相同温控条件下的混凝土进行轴向拉伸试验，以获取大体积混凝土的抗拉强度参数f_t。

S5：通过仿真软件建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型并划分有限元网格，如图4所示；输入步骤S1采集的温度历程数据和位移历程数据，计算混凝土约束应力理论值，并与步骤S4得到的约束应力试验值比较，反演混凝土材料参数，具体方法如下：

S5.1：建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型

本发明使用的混凝土温度应力试验设备为专利号ZL201610094440.7公开的混凝土温度应力试验设备，如图4所示，该混凝土温度应力试验设备包括金属框架和混凝土试件，本发明借助通用有限元分析软件建立与之等比例的混凝土温度应力试验设备数值模型，该模型包含金属框架和混凝土试件(模拟大体积混凝土)两部分。

S5.2：在有限元分析计算模型上划分出有限元网格

为提高数值计算精度，有限元分析计算模型中的金属框架和混凝土试件模型的网格尺寸应尽可能小，建议模型网格尺寸≤5cm。

S5.3：向有限元分析计算模型内导入大体积混凝土的温度边界。

将步骤S1测量的实际浇筑的大体积混凝土的温度历程数据导入混凝土试件网格中；同时，将金属框架网格的温度设定为定值，可取20℃。

S5.4：向有限元分析计算模型内输入大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，以及各参数的增量值；

先确定大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，再将大体积混凝土材料参数下限值P₀作为初始值，导入有限元分析计算模型的混凝土试件网格中；

所述大体积混凝土材料参数包括大体积混凝土弹性模量、线膨胀系数和徐变系数。

S5.5：根据实测大体积混凝土位移历程计算出的约束度确定金属框架材料参数，并输入有限元分析计算模型中。

根据步骤S1测量的实际浇筑的大体积混凝土的位移历程数据，采用公式(1)计算真实工况下大体积混凝土的约束度γ_R；

式中，E(t_i)是混凝土在t_i时刻的弹性模量，为步骤S4.4中的弹性模量数值；

是混凝土t_i时刻加载，在t_i+1/2时刻的徐变系数，为步骤S4.4中的徐变系数数值；ε(t_i+1/2)是实际工程中混凝土在t_i+1/2时刻的位移测量值；ε⁰(t_i+1/2，t₀)是实际工程中混凝土在t₀～t_i+1/2期间由温度历程产生的位移测量值；j＝1，2，…，i-1。

根据计算出的约束度γ_R按照公式(2)计算有限元分析计算模型中金属框架的弹性模量E_s(t_i)，目的是实现有限元分析计算模型中混凝土所承受的约束状态与实际工程一致

式中，E_s(t_i)是金属框架的弹性模量；Ac和As分别是ZL201610094440.7公开的混凝土温度应力试验设备中混凝土和金属框架的截面面积，Ac和As通过测量即可得到。

将公式(2)计算出的金属框架弹性模量导入有限元分析计算模型的金属框架网格中。

S5.6：根据步骤S4建立的有限元分析模型，和输入的混凝土材料参数及金属框架材料参数，计算不同温度和龄期下混凝土约束应力理论值P；

ΔP＝[K_i]{Δδ}＝{ΔP_i ^G}+{ΔP_i ^C}+{ΔP_i ^T} (3)

P＝∑ΔP (4)

式中，[K_i]是混凝土的弹性矩阵；Δδ是混凝土的位移增量；ΔP_i ^G是由混凝土第i龄期外荷载引发的荷载增量；ΔP_i ^C是由混凝土第i龄期徐变引发的荷载增量；ΔP_i ^T是由混凝土第i龄期温度引发的荷载增量；i是混凝土的龄期。

需要说明的是，ΔP_i ^G、ΔP_i ^C和ΔP_i ^T为本领域通用术语，其具体计算方法参见中国水利水电出版社出版的《大体积混凝土温度应力与温度控制》一书(页码：210-235)，在此不再赘述。

S5.7：校核混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω。

式中，Δ_i是第i个龄期混凝土约束应力理论值与混凝土温度应力试验中约束应力测量值的差值，C_i是第i个龄期混凝土温度应力试验中约束应力测量值；M是总的龄期个数。

S5.8：如果变异系数ω≤设定值(建议取3％～7％之间的任意值)，则认定步骤S4输入的大体积混凝土材料参数能够真实地反应实际浇筑后的大体积混凝土状态，作为大体积混凝土各项真实的材料参数；

如果变异系数ω＞设定值，则调整输入的大体积混凝土材料参数，跳转执行步骤S4～步骤S5，重新计算大体积混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω，直至变异系数ω≤设定值为止。

所述大体积混凝土材料参数中的弹性模量下限值P₀和上限值P₁分别取0.5和60，线膨胀系数下限值P₀和上限值P₁分别取4和15，徐变系数下限值P₀和上限值P₁分别取0.1和5；

所述弹性模量增量取0.5GPa，线膨胀系数增量取0.1με/℃、徐变系数增量取0.01με/MPa。

S6：建立大体积混凝土有限元分析计算模型，模型网格尺寸≤0.3m，将步骤S1得到的大体积混凝土温度历程数据，以及步骤S5得到的混凝土真实材料参数导入有限元模型，进行数值仿真计算混凝土当期开裂风险系数；

其中，P为混凝土约束应力计算值；f_t为第t龄期抗拉强度。

S7：若计算的开裂风险系数不满足抗裂要求(ψ>1)，则调整混凝土约束应力试验设备输出的温度，重复执行步骤S4-S7，直至开裂风险系数满足抗裂要求为止；

若计算的开裂风险系数满足抗裂要求，则将满足混凝土抗裂要求的温度历程数据返回至大体积混凝土现场温控系统，调整大体积混凝土温度历程与优化结果一致，保证大体积混凝土浇筑全过程的抗裂安全性。

图6是根据本发明公开的大体积混凝土温控优化方法得到的大体积混凝土温度控制优化曲线。从该曲线可以看出，通过本发明温控优化方法得到的最优温控曲线(即冷却速率为1℃/天的温度曲线)对降低混凝土开裂风险效果最好(混凝土达到目标温度时刻的约束应力更低，开裂风险也更低)，验证了本发明的有效性。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种大体积混凝土温控优化方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：采集大体积混凝土浇筑全过程的温度历程数据和位移历程数据；

S2：按照现场大体积混凝土的实际配比向混凝土温度约束应力试验设备中浇筑试验用混凝土试件；

S3：将步骤S1采集的温度历程数据和位移历程数据输入到混凝土温度约束应力试验设备中，实验室模拟真实的大体积混凝土温度变化历程和位移变化历程；

S4：启动混凝土温度约束应力试验设备的位移约束系统，对温控条件下的混凝土进行不同约束度的温度应力试验，获取混凝土约束应力历程；对相同温控条件下的混凝土进行轴向拉伸试验，以获取大体积混凝土的抗拉强度参数f_t；

S5：通过仿真软件建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型并划分有限元网格；输入步骤S1采集的温度历程数据和位移历程数据，计算混凝土约束应力理论值，并与步骤S4得到的约束应力试验值比较，反演混凝土材料参数；

S6：建立大体积混凝土有限元分析计算模型，模型网格尺寸≤0.3m，将步骤S1得到的大体积混凝土温度历程数据，以及步骤S5得到的混凝土真实材料参数导入有限元模型，进行数值仿真计算混凝土当期开裂风险系数；

其中，P为混凝土约束应力计算值；ft为第t龄期抗拉强度；

S7：若计算的开裂风险系数不满足抗裂要求，则调整混凝土约束应力试验设备输出的温度，重复执行步骤S4-S7，直至开裂风险系数满足抗裂要求为止；

若计算的开裂风险系数满足抗裂要求，则将满足混凝土抗裂要求的温度历程数据返回至大体积混凝土现场温控系统，调整大体积混凝土温度历程与优化结果一致，保证大体积混凝土浇筑全过程的抗裂安全性。

2.根据权利要求1所述的一种大体积混凝土温控优化方法，其特征在于：所述步骤S5建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型、计算混凝土约束应力理论值、反演混凝土材料参数的具体方法如下：

S5.1：建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型；

S5.2：在有限元分析计算模型上划分出有限元网格；

S5.3：向有限元分析计算模型内导入大体积混凝土的温度边界；

S5.4：向有限元分析计算模型内输入大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，以及各参数的增量值；

先确定大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，再将大体积混凝土材料参数下限值P₀作为初始值，导入有限元分析计算模型的混凝土试件网格中；

所述大体积混凝土材料参数包括大体积混凝土弹性模量、线膨胀系数和徐变系数；

S5.5：根据实测大体积混凝土位移历程计算出的约束度确定金属框架材料参数，并输入有限元分析计算模型中；

根据步骤S1测量的实际浇筑的大体积混凝土的位移历程数据，计算真实工况下大体积混凝土的约束度γ_R；

式中，E(t_i)是混凝土在t_i时刻的弹性模量，为步骤S4.4中的弹性模量数值；

是混凝土t_i时刻加载，在t_i+1/2时刻的徐变系数，为步骤S4.4中的徐变系数数值；ε(t_i+1/2)是实际工程中混凝土在t_i+1/2时刻的位移测量值；ε⁰(t_i+1/2，t₀)是实际工程中混凝土在t₀～t_i+1/2期间由温度历程产生的位移测量值；j＝1，2，…，i-1；

根据计算出的约束度γ_R计算有限元分析计算模型中金属框架的弹性模量E_s(t_i)，目的是实现有限元分析计算模型中混凝土所承受的约束状态与实际工程一致

式中，E_s(t_i)是金属框架的弹性模量；Ac和As分别是混凝土温度应力试验设备中混凝土和金属框架的截面面积，Ac和As通过测量即可得到；

将计算出的金属框架弹性模量导入有限元分析计算模型的金属框架网格中；

S5.6：根据步骤S4建立的有限元分析模型，和输入的混凝土材料参数及金属框架材料参数，计算不同温度和龄期下混凝土约束应力理论值P；

ΔP＝[K_i]{Δδ}＝{ΔP_i ^G}+{ΔP_i ^C}+{ΔP_i ^T}

P＝∑ΔP

式中，[K_i]是混凝土的弹性矩阵；Δδ是混凝土的位移增量；ΔP_i ^G是由混凝土第i龄期外荷载引发的荷载增量；ΔP_i ^C是由混凝土第i龄期徐变引发的荷载增量；ΔP_i ^T是由混凝土第i龄期温度引发的荷载增量；i是混凝土的龄期；

S5.7：校核混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω；

式中，Δ_i是第i个龄期混凝土约束应力理论值与混凝土温度应力试验中约束应力测量值的差值，C_i是第i个龄期混凝土温度应力试验中约束应力测量值；M是总的龄期个数；

S5.8：如果变异系数ω≤设定值；则认定步骤S4输入的大体积混凝土材料参数能够真实地反应实际浇筑后的大体积混凝土状态，作为大体积混凝土各项真实的材料参数；

如果变异系数ω＞设定值，则调整输入的大体积混凝土材料参数，跳转执行步骤S4～步骤S5，重新计算大体积混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω，直至变异系数ω≤设定值为止。

3.根据权利要求2所述的一种大体积混凝土温控优化方法，其特征在于：所述大体积混凝土材料参数中的弹性模量下限值P₀和上限值P₁分别取0.5和60，线膨胀系数下限值P₀和上限值P₁分别取4和15，徐变系数下限值P₀和上限值P₁分别取0.1和5；

后续调整计算时，弹性模量增量取0.5GPa，线膨胀系数增量取0.1με/℃、徐变系数增量取0.01με/MPa，抗拉强度增量取0.1MPa。

4.根据权利要求2所述的一种大体积混凝土温控优化方法，其特征在于：所述步骤S7中，如果开裂风险系数＜1，大体积混凝土结构满足抗裂要求；如果开裂风险系数≥1，大体积混凝土结构不满足抗裂要求。

5.根据权利要求2所述的一种大体积混凝土温控优化方法，其特征在于：所述步骤S5中的变异系数设定值为3％～7％之间的任意值。

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