CN113190060B - 一种大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，针对现有的利用人工手段监测温度从而对大型渡槽在施工阶段进行温控，出现数据收集质量差、温度调节效率低、智能化程度低等问题，通过模块化、自动化及系统化设计，可动态采集槽内混凝土目标点处的温度，并将温度信息反馈给仿真模块，计算冷却水通水方案，再由智能调控模块进行冷却水流量和流向、温度的智能调控，做到远程、同步、自动调控，实现槽体混凝土的精准控温防裂和预警的目的，避免大型渡槽在施工期出现“十槽九裂”的情况。

Description

一种大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置

技术领域

本发明属于水利水电工程的技术领域，尤其涉及一种大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置。

背景技术

裂缝问题是影响混凝土结构耐久性和安全性的主要因素，尤其是大型渡槽施工期槽体的温度裂缝，长期困扰着相关学者和工程建设者，甚至有“十槽九裂”的说法。目前，针对大型渡槽，国内常采用传统的通水冷却技术控温，利用人工手段监测温度从而对水管通水流量或者冷却水温进行调整，常常出现数据收集质量差、温度调节效率低、智能化程度低等问题，无法实时反映实际工程环境条件，进行即时预警，做到远程、同步、自动调控。

随着数据库应用技术、互联网应用技术、数字自动监测技术及计算机仿真技术的飞速发展，在数字监控的基础上，发展一种大型渡槽施工期槽体混凝土控温防裂智能方法，实现渡槽施工期各种施工和监测数据的自动化获取和高效管理、健康状况的实时评估和预测、渡槽质量与安全风险的预警，可以减少人为影响因素，保证工程质量。国内针对大型渡槽的智能温控技术十分少见，而目前已有混凝土智能通水技术相对单一、简单。

公开号为CN107256045A的专利申请文件公开了一种大体积混凝土智能温控的方法及装置，该大体积混凝土智能温控的方法包括实时检测大体积混凝土施工过程中的各个环节的施工温度，每个环节的施工温度均预设有预定阈值。若当前环节的施工温度与预定阈值有差值，则根据差值调节前一个环节的施工温度，以实现对前一个环节的施工温度的预警；或根据差值调节后一环节的施工温度，以实现对后一环节的施工温度的调控。但是该专利申请文件中的温控装置没有实现模块化及自动化，没有给出准确的温度边界条件和通水边界条件，仅是利用规定的温控指标预设温控阈值，不够精准；没有通水换向功能和水温调节设备，较难保证混凝土均匀降温，人为增大温度梯度；不能考虑外部气温、湿度和保温效果等重要温控要素的影响，较难得到真实的外部环境边界条件；在复杂施工环境条件和大范围应用上有待进一步检验。

另外，公开号为CN111103908A的专利申请文件公开了一种大体积混凝土智能温控装置，该温控装置在分水器管上设有等间距的上下支管、在上营营基式验下支管之间设有法兰盘，法兰盘上分别安装有电磁阀，分支管分别焊接在上支管上，在分水器管壁的末端设有安全泄水阀；每层弯曲状循环水管预埋在大体积混凝土承台内循环水管的进水管口和出水管口分别与进水管和水池进水口连接；大体积混凝土承台内每两层循环水管之间预埋有测温管，测温管内部填充有液体介质层；液体介质层内部插接有粘贴在外部环境测温管内壁的温度传感器，每只温度传感器通过导线均与PLC控制器连接。该温控装置主要利用智能控制系统中的热交换器温度控制系统自动调节循环水管入水的温度和利用电磁阀控制调节循环水管入水的流量，但没有仿真计算模块，不能随环境温度变化进行调节，精准度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，采用模块化、自动化及系统化设计，可动态采集槽内混凝土目标点处的温度，并将温度信息反馈给仿真模块，计算冷却水通水方案，再由智能调控模块进行冷却水流量和流向、温度的智能调控，实现槽体混凝土的精准控温防裂和预警的目的，避免大型渡槽在施工期出现“十槽九裂”的情况。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，包括仿真模块、信息采集处理模块、智能调控模块及监控平台：

所述信息采集处理模块用于在施工期实时采集渡槽内混凝土目标点处的温度信息并进行鲁棒性处理，将处理后的温度信息反馈给所述仿真模块；

所述仿真模块接收所述信息采集处理模块发送的温度新，根据温度场计算边值条件和应力场计算边值条件，结合早龄期混凝土的强度准则，提供可靠的冷却水通水方案给所述监控平台；

所述智能调控模块用于接收所述监控平台发送的冷却水通水方案，对包括电磁阀在内的施工设备进行智能调控，远程、同步、高效地实现所述仿真模块确定的冷却水通水方案；

所述监控平台用于实时接收大型渡槽施工期槽体混凝土温度场及应力场信息，以及所述信息采集处理模块反馈的信息，并将信息数据进行存储、计算及分析，从而生成相应的预警及调控指令，以图、表和线的方式动态、直观地显示各种温控信息，方便相关工作人员监督和管理。

根据本发明一实施例，所述信息采集处理模块包括温度传感器、数据传输电缆、温度测试记录仪、环境信息测量单元及数据处理单元；

所述温度传感器设于混凝土内，并通过数据传输电缆与所述智能调控模块内的温度测量单元相连，实时传输混凝土的温度信息至所述温度测量单元，进行存储与管理；

所述温度测试记录仪用于实时测量混凝土的出机口温度、入仓温度及浇筑温度，并自动录入所述信息采集处理模块，所述信息采集处理模块通过无线发射装置将温度信息传送至所述监控平台，为温控效果评估、预警预报及智能调控提供必需的数据基础；

所述环境信息测量单元用于监测渡槽工程所在地的湿度、气温及水温信息，通过总集成控制箱无线传输至仿真模块，为仿真模块提供真实的边界数据；

所述数据处理单元用于对所述温度传感器、所述温度测试记录仪及所述环境信息测量单元获取的数据进行分类、计算及共享。

根据本发明一实施例，所述仿真模块包括信息获取单元、应力场计算单元及通水方案生成单元；

所述信息获取单元用于收集渡槽工程所在地气温、气象、混凝土配合比及混凝土的热学、力学性能参数；

所述应力场计算单元用于接收所述信息获取单元传输的数据信息，采用三维有限元技术，计算渡槽槽体混凝土施工期的瞬态温度场和应力场；

所述通水方案生成单元用于在所述应力场计算单元得出的瞬态温度场和应力场的基础上，结合早龄期混凝土的强度条件及其绝热温升曲线，给出通水温度、通水流量和槽内混凝土温度之间的曲线或表格关系，为监控平台提供可靠的冷却水通水方案。

根据本发明一实施例，所述智能调控模块包括温度测量单元及水管流量测控单元；

所述温度测量单元通过温控电缆与温度传感器相连，采集冷却水温度；

所述水管流量测控单元通过温控电缆与水流量传感器相连，采集冷却水流量值和电磁阀开度值，同时通过总集成控制箱传递数据和接收监控平台的指令，以调节电磁阀开度、温控专用配电箱及通水换向装置，方便供电、信息传输和冷却流向调控。

根据本发明一实施例，所述监控平台包括温控信息存储与处理单元、分析单元、预警预报单元及指令发送单元；

所述温控信息存储与处理单元用于接收所述信息采集处理模块、所述仿真模块及所述智能调控模块传输的数据信息，对数据信息进行存储、计算，以图、表和线的方式动态、直观地显示各种温控信息；

所述分析单元根据所述温控信息，进行分析，判断是否达到预设条件；

所述预警预报单元用于根据所述分析单元的分析结果，进行预警预报；

所述指令发送单元根据所述温控信息存储与处理单元及分析单元的信息，启动智能调控模块，通过无线调控方式，将调控指令发送总集成控制箱，联通水管流量测控单元，调节水管通水流量和方向，实现混凝土降温。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明一实施例中的大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，针对现有的利用人工手段监测温度从而对大型渡槽在施工阶段进行温控，出现数据收集质量差、温度调节效率低、智能化程度低等问题，通过模块化、自动化及系统化设计，可动态采集槽内混凝土目标点处的温度，并将温度信息反馈给仿真模块，计算冷却水通水方案，再由智能调控模块进行冷却水流量和流向、温度的智能调控，做到远程、同步、自动调控，实现槽体混凝土的精准控温防裂和预警的目的，避免大型渡槽在施工期出现“十槽九裂”的情况。

附图说明

图1为本发明一实施例中的大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置结构示意图；

图2为本发明一实施例中的大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂原理图；

图3为本发明一实施例中的大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置连接示意图。

附图标记说明：

1：信息采集处理模块；2：仿真模块；3：智能调控模块；4：监控平台。

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型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

本实施例针对现有的利用人工手段监测温度从而对大型渡槽在施工阶段进行温控，出现数据收集质量差、温度调节效率低、智能化程度低等问题，提供了一种大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，通过模块化、自动化及系统化设计，可动态采集槽内混凝土目标点处的温度，并将温度信息反馈给仿真模块，计算冷却水通水方案，再由智能调控模块进行冷却水流量和流向、温度的智能调控，做到远程、同步、自动调控，实现槽体混凝土的精准控温防裂和预警的目的，避免大型渡槽在施工期出现“十槽九裂”的情况。

通常，大型渡槽的槽体在施工时，需要浇筑大面积的混凝土，混凝土在施工过程中主要包括：搅拌混凝土、混凝土入仓、混凝土浇筑、混凝土冷却。通过温度传感器实时检测大体积混凝土施工过程中的各个环节的施工温度，如出机口温度、入仓温度、浇筑温度、水化温度和冷却目标温度。其中，出机口温度为混凝土搅拌完毕后的温度，入仓温度为混凝土倒入仓中的温度，浇筑温度为混凝土入仓后使用仪器将混凝土推开的温度，水化温度为混凝土推好后慢慢冷却两三天后达到的最高温度，冷却目标温度为混凝土冷却更长一段时间后稳定的温度。为避免大型渡槽在施工期出现“十槽九裂”的情况，需要对上述混凝土施工过程中的温度进行有效地控制。

请参看图1，本实施例提供的大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，包括信息采集处理模块1、仿真模块2、智能调控模块3及监控平台4。其中，信息采集处理模块1用于在施工期实时采集渡槽内混凝土目标点处的温度信息并进行鲁棒性处理，将处理后的温度信息反馈给仿真模块2。仿真模块接收2信息采集处理模块1发送的温度新，根据温度场计算边值条件和应力场计算边值条件，结合早龄期混凝土的强度准则，提供可靠的冷却水通水方案给监控平台4。智能调控模块3用于接收监控平台4发送的冷却水通水方案，对包括电磁阀在内的施工设备进行智能调控，远程、同步、高效地实现仿真模块2确定的冷却水通水方案。监控平台4用于实时接收大型渡槽施工期槽体混凝土温度场及应力场信息，以及信息采集处理模块1反馈的信息，并将信息数据进行存储、计算及分析，从而生成相应的预警及调控指令，以图、表和线的方式动态、直观地显示各种温控信息，方便相关工作人员监督和管理。

上述通过动态采集渡槽槽内混凝土目标点处的温度，并将温度信息反馈给仿真模块2，计算冷却水通水方案，通过监控平台4控制智能调控模块3进行冷却水流量和流向、温度的智能调控，做到远程、同步、自动调控，实现槽体混凝土的精准控温防裂和预警的目的，避免大型渡槽在施工期出现“十槽九裂”的情况。

具体的，信息采集处理模块1包括温度传感器(如图1中的数字温度传感器)、数据传输电缆(如图1中的专用电缆)、温度测试记录仪、环境信息测量单元及数据处理单元等设备，可完成各种温控信息的采集，包括混凝土出机口温度、入仓温度、浇筑温度、混凝土内部温度、环境湿度及气温，为监控平台4及仿真模块2提供基本的数据支持。另外，在实际应用中，可通过基于MQTT协议的轻量化数据传输系统，与总集成控制箱对接，将信息采集处理模块1中的信息进行存储、分类、计算和共享，进行高效管理；同时，这些数据信息由总集成控制箱通过无线传输至监控平台4，在监控平台4以图、表和线的方式动态、直观显示各种温控信息，供参建单位参考。

其中，温度传感器可埋在混凝土内，并通过数据传输电缆与智能调控模块3内的温度测量单元相连，实时传输混凝土的温度信息至温度测量单元，进行数据存储与管理。

温度测试记录仪用于实时测量混凝土的出机口温度、入仓温度及浇筑温度，并自动录入信息采集处理模块1中，以便信息采集处理模块1通过无线发射装置将这些温度信息传送至监控平台4，为监控平台4进行温控效果评估、预警预报及智能调控提供必需的数据基础。

环境信息测量单元用于监测渡槽工程所在地的湿度、气温及水温信息，通过总集成控制箱无线传输至仿真模块2，为仿真模块2提供真实的边界数据。

数据处理单元用于对上述温度传感器、温度测试记录仪及环境信息测量单元获取的数据进行分类、计算及共享，对数据进行鲁棒性处理。

仿真模块2包括信息获取单元、应力场计算单元及通水方案生成单元，通过收集渡槽工程所在地气温、气象、混凝土配合比及其热学、力学性能参数等资料，在此基础上采用三维有限元技术，计算槽体混凝土施工期的瞬态温度场和应力场，并结合早龄期混凝土的强度条件及其绝热温升曲线，给出通水温度、通水流量和槽内混凝土温度之间的曲线或表格关系，为监控平台提供可靠通水方案。

其中，信息获取单元用于收集渡槽工程所在地气温、气象、混凝土配合比及混凝土的热学、力学性能参数；应力场计算单元用于接收所述信息获取单元传输的数据信息，采用三维有限元技术，计算渡槽槽体混凝土施工期的瞬态温度场和应力场；通水方案生成单元用于在应力场计算单元得出的瞬态温度场和应力场的基础上，结合早龄期混凝土的强度条件及其绝热温升曲线，给出通水温度、通水流量和槽内混凝土温度之间的曲线或表格关系，为监控平台提供可靠的冷却水通水方案。

智能调控模块3包括温度测量单元及水管流量测控单元，并通过专用电缆接入总集成控制箱。其中，温度测量单元通过温控电缆与温度传感器相连，采集冷却水温度；水管流量测控单元通过温控电缆与水流量传感器相连，采集冷却水流量值和电磁阀开度值，同时通过总集成控制箱传递数据和接收监控平台的指令，以调节电磁阀开度、温控专用配电箱及通水换向装置，方便供电、信息传输和冷却流向调控。

监控平台4包括温控信息存储与处理单元、分析单元、预警预报单元及指令发送单元，主要负责数据的存储、计算、分析和管理、预警预报及指令发射，并以图、表和线的方式动态、直观地显示各种温控信息，方便相关工作人员监督和管理。该监控平台4可根据需要，提供不同的客户端接口，供多方实时掌握温控信息。

其中，温控信息存储与处理单元用于接收信息采集处理模块1、仿真模块2及智能调控模块3传输的数据信息，对数据信息进行存储、计算，以图、表和线的方式动态、直观地显示各种温控信息。分析单元根据上述温控信息，进行分析，判断是否达到预设条件；该预设条件可以是与温度相关的阈值，根据不同的目标测试点，设置不同的阈值，将温度传感器采集到的各温度数据与预设的阈值进行比较，若大于阈值，则视为异常，需进行预警及处理。预警预报单元用于根据分析单元的分析结果，进行预警预报。也就是当温度传感器采集到的各温度数据出现异常时，进行相应的预警预报。

指令发送单元根据温控信息存储与处理单元及分析单元的信息，启动智能调控模块3，通过无线调控的方式，将调控指令发送给总集成控制箱，联通水管流量测控单元，调节水管通水流量和方向，实现混凝土降温。

此外，该监控平台4还可以通过温度梯度仪和保温效果监测设备，调用预警预报单元，对温控效果进行预警预报，并反馈到智能调控模块3，再启动水管流量测控单元，反馈及干预控温。

在实际应用中，该监控平台4可集成信息采集处理模块1及仿真模块2，并通过总集成控制箱与智能调控模块3实现无线互联。

下面简要介绍一下本实施例大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置的工作原理：

请参看图2，在渡槽槽体的施工阶段，在目标点处预置无线温度传感器，该目标点可以是混凝土出机口、混凝土入仓口、浇筑槽体的混凝土中等等。信息采集处理模块1通过这些无线温度传感器实测目标点处的温度，结合早龄期混凝土目标点的容许最高温度(即预设阈值)一起传输至智能调控模块3，智能调控模块3实时与监控平台4通信，将温控数据传输给监控平台4。仿真模块2通过获取渡槽施工地的环境温度、湿度、风速及槽体混凝土外温度、混凝土配合比、混凝土入仓温度及水管冷却水效应等温度场边值条件，通过内置的仿真分析模型通过三维有限元技术，计算槽体混凝土施工期的瞬态温度场和应力场，并结合早龄期混凝土的强度条件及其绝热温升曲线，给出通水温度、通水流量和槽内混凝土温度之间的曲线或表格关系，为监控平台4提供可靠通水方案。监控平台4根据信息采集处理模块1、仿真模块2及智能调控模块3上传的数据，进行数据分析，输出明确的调控指令，调节水管的通水流量及方向实现混凝土的降温。

在实际应用中，请参看图3。整个大型渡槽施工期的应用场景可分为三部分，分别是混凝土浇筑现场、智能通水设备连接现场及监控中心。其中，监控中心可以是一台专门配置的带服务器的计算机，在计算机上设置监控平台，该监控平台可兼容信息采集处理模块、仿真模块及智能调控模块，进行数据交互。智能通水设备连接现场包括了集成控制箱及通水设备(如水管、流量计、电磁阀、转换阀、进水箱、出水箱、温度传感器及电缆等)，集成控制箱通过流量计及温度传感器采集的数据通过无线传输装置发送给监控平台。而混凝土浇筑现场配置了用于环境因素测量的传感器(如温度传感器、湿度传感器、风速测量仪等)、用于混凝土温度测量的传感器及冷却水管，其中，冷却水管与通水设备连接，各传感器与集成控制箱连接。监控中心可控制智能调控模块进行冷却水流量和流向、温度的智能调控，做到远程、同步、自动调控，实现槽体混凝土的精准控温防裂和预警的目的，避免大型渡槽在施工期出现“十槽九裂”的情况。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，其特征在于，包括仿真模块、信息采集处理模块、智能调控模块及监控平台：

信息采集处理模块包括温度传感器、数据传输电缆、温度测试记录仪、环境信息测量单元及数据处理单元；温度测试记录仪用于实时测量混凝土的出机口温度、入仓温度及浇筑温度，环境信息测量单元用于监测渡槽工程所在地的湿度、气温；温度传感器采集渡槽内混凝土目标点处的温度信息，数据处理单元用于对上述温度传感器、温度测试记录仪及环境信息测量单元获取的数据进行分类、计算，对数据进行鲁棒性处；将处理后的温度信息反馈给所述仿真模块；

所述仿真模块接收所述信息采集处理模块发送的温度信息，根据温度场计算边值条件和应力场计算边值条件，结合早龄期混凝土的强度准则，提供可靠的冷却水通水方案并发送给所述监控平台；

所述仿真模块包括信息获取单元、应力场计算单元及通水方案生成单元；

所述信息获取单元用于接收所述信息采集处理模块发送的温度信息，以及收集混凝土配合比及混凝土的热学、力学性能参数；

所述应力场计算单元用于接收所述信息获取单元传输的数据信息，采用三维有限元技术，计算渡槽槽体混凝土施工期的瞬态温度场和应力场；

所述通水方案生成单元用于在所述应力场计算单元得出的瞬态温度场和应力场的基础上，结合早龄期混凝土的强度条件及其绝热温升曲线，给出通水温度、通水流量、通水方向和槽内混凝土温度之间的曲线或表格关系，为监控平台提供可靠的冷却水通水方案并发送给所述监控平台；

所述智能调控模块用于接收所述监控平台发送的冷却水通水方案，对包括电磁阀、温控专用配电箱及通水换向装置在内的施工设备进行智能调控，远程、同步、高效地实现所述仿真模块确定的冷却水通水方案；

所述监控平台用于实时接收大型渡槽施工期槽体混凝土温度场及应力场信息，以及所述信息采集处理模块反馈的信息，并将信息数据进行存储、计算及分析，从而生成相应的预警及调控指令，以图、表和线的方式动态、直观地显示各种温控信息和应力状态信息，方便相关工作人员监督和管理。

2.如权利要求1所述的大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，其特征在于，所述智能调控模块包括温度测量单元及水管流量测控单元；所述温度测量单元通过温控电缆与温度传感器相连，采集冷却水温度；所述水管流量测控单元通过温控电缆与水流量传感器相连，采集冷却水流量值和电磁阀开度值，同时通过总集成控制箱传递数据和接收监控平台的指令，以调节电磁阀开度、温控专用配电箱及通水换向装置，方便供电、信息传输和冷却流向调控。

3.如权利要求1所述的大型渡槽施工期槽体混凝土的控温防裂装置，其特征在于，所述监控平台包括温控信息存储与处理单元、分析单元、预警预报单元及指令发送单元；所述温控信息存储与处理单元用于接收所述信息采集处理模块、所述仿真模块及所述智能调控模块传输的数据信息，对数据信息进行存储、计算，以图、表和线的方式动态、直观地显示各种温控信息；所述分析单元根据所述温控信息，进行分析，判断是否达到预设条件；所述预警预报单元用于根据所述分析单元的分析结果，进行预警预报；

所述指令发送单元根据所述温控信息存储与处理单元及分析单元的信息，启动智能调控模块，通过无线调控方式，将调控指令发送总集成控制箱，连通水管流量测控单元，调节水管通水流量和方向，实现混凝土降温。

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