CN114150588B - 一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统和方法，该系统在桥梁结构大体积混凝土结构关键部位预埋点式温度计监测混凝土内部和表面温度实时变化；将温度数据传输至一体智能温控柜，使其根据混凝土温度实时变化情况和温控标准，基于温流耦合控制模型自动调整冷却通水温度和流量；在供水系统的进水箱内布设温度计监测冷却水温实时变化，用于调节回流至进水箱的回水流量；通过供、回水系统管路设计，实现冷却水管内水流定时换向；利用现场实际施工和环境数据，数值模拟确定桥梁结构大体积混凝土温控标准，将其传输至一体智能温控柜，实现桥梁结构大体积混凝土施工期的智能温度控制，防止混凝土出现有害温度裂缝。

Description

一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统和方法
技术领域
本发明涉及钢筋混凝土智能温控技术领域，具体涉及一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统和方法。
背景技术
大体积钢筋混凝土是指配筋率大于0.5％的大体积混凝土结构。大体积混凝土结构的温度控制中，混凝土浇筑温度、水化热温升和稳定温度是三个关键要素。其中，混凝土浇筑温度和稳定温度是确定值，只有水化热温升主要通过在混凝土内部预埋水管通冷却水进行调节。混凝土浇筑温度与水化热温升之和为混凝土最高温度，混凝土最高温度与稳定温度之差为降温幅度。由此，混凝土浇筑完成后，水管冷却成为控制混凝土最高温度和降温幅度最有效的工程措施之一。工程中通常将混凝土最高温度作为最重要的温控指标。除了混凝土最高温度，还有内外温差和降温速率两个重要的温控指标，这两个温控指标也可通过冷却通水来控制。
在冷却通水技术方面，近年来随着人工智能技术的发展，智能通水和温控理论和技术开始用于大体积混凝土施工，尤其是混凝土坝施工。如：清华大学于2012年申请的国内专利CN201210289192.3，提出一种在建大坝混凝土智能温度控制方法及系统，能够依据预设目标温控曲线以及混凝土的实际温度变化历程动态调整通水流量与水温等，从而使混凝土温度发展历程满足设计要求；中国水利水电科学研究院于2011年申请的国内专利CN201110399271.5，提出一种混凝土坝的温控防裂监测方法，主要采用了支持向量机模型和仿真分析的方法，实现了混凝土温度场及温度应力的预测预警功能；之后中国水利水电科学研究院又于2013年申请国内专利CN201310716982.X，提出一种大体积混凝土的智能通水方法，该方法将含气象、水文、材料、施工信息的历史数据存储到数据库，作为基础数据资料，采用有限元方法确定不同分区混凝土的理想温度过程线；根据步骤实时水温、流量、混凝土内部温度、天气预报及理想温度过程线计算各仓下一阶段的通水冷却流量；将通水冷却流量的指令下达至通水系统，完成通水冷却流量的自动调控。在大体积混凝土智能温控技术方面，中国三峡建设管理有限公司和清华大学于2019年申请的国内专利CN201910258721.5，提供了一种一体流温通水集成控制柜。该控制柜具有功能模块化、现场移动性、稳定性和耐久性强的特点，可以实现对进出口水温、流量的监测及自身闭环控制，适应现场施工环境，实现高效循环作业。该通水集成控制柜已经用于多个混凝土坝工程的施工期温度控制。
为了实现大体积混凝土的智能通水和温度控制，关键温控指标如最高温度、降温幅度、内外温差、降温速率等的确定至关重要。对于混凝土坝，混凝土最高温度容许值为稳定温度和允许温差之和，其中，稳定温度可由计算得出，允许温差可参照混凝土坝设计规范(《混凝土拱坝设计规范》、《混凝土重力坝设计规范》等)确定。内外温差和降温速率通常参照上述行业规范以及工程重要程度确定。
上述现有技术中的大体积混凝土智能温控方法和技术主要用于水利工程中的大体积混凝土结构，尤其是混凝土坝工程。这种工程场地一般比较大，可以有充裕的空间用于智能通水和温控系统的布置，因此不用考虑智能通水柜以及相关设备的小型化。其次，用于智能温控的关键温控指标数值的确定也通常参照水工行业相关设计规范。
然而，对于桥梁工程，结构大体积混凝土施工场地有限，例如有的墩台还位于河道中间位置，大体积混凝土的智能通水冷却系统一般不配置专门的制冷机组，而是利用冷却系统中回水一定比例混合，一方面更好的控制了冷却水与混凝土之间的温差，另一方面节约了系统投资成本，以及工程施工现场的适应能力；其次，桥梁结构大体积混凝土从材料及结构上不同于大坝混凝土：在材料方面，大坝混凝土通常为素混凝土，不配置钢筋或仅在靠近上下游面和廊道位置配筋，设计时通常不考虑钢筋承受荷载；在桥梁结构方面，桥梁大体积混凝土相对水利工程而言，混凝土的体积相对较小，表面温度受外部环境温度影响较大，温控指标中内表温差也是极为重要的控制因素，无法直接参考水工行业的相关规范确定；第三，桥梁工程中，大体积混凝土部位一般包括桥墩基础、墩台、0#块、塔索和锚碇等，规模不等、位置分散、同步浇筑，因此智能温控系统需满足桥梁工程有限场地、动态位置施工要求，安装地点可依照施工现场条件选取变换，温控能力依照换热要求模块化组装。综上所述，以往的智能温控方法无法用于桥梁结构大体积混凝土。
发明内容
本发明旨在提供一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统和方法，真实还原通水过程中系统温度和流量共同影响换热效果的耦合作用，实现温度—流量联调和“端·边·云”协同控制；制定连续温控策略，基于所建立大体积混凝土应力模型，运用有限元方法进行混凝土应力计算，反推桥梁结构大体积混凝土目标温控曲线，使之切合桥梁大体积混凝土温控特点，做到混凝土温控数据可跟踪，全程可控制，并积累工程云数据；研发适用于桥梁施工现场的桥梁智能冷却系统装备，对以往的智能通水和温控系统进一步集成，实现小型化设计，模块化组装和移动式应用。减小柜体尺寸，节约安装所需空间，便捷多施工场地间轮换；同时减少从控制指令下达到控制指令完成的时间，即缩短温控指令执行时间，提高控制精度；
为了实现上述目的，本发明提供一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，包括供回水系统、换向系统、控制系统、热交换系统；所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统采用桥梁结构附近河流深部河水作为冷却水；所述供回水系统包括供水主管和设置在供水主管上的水箱和供水泵，利用供水泵将河水抽入水箱；供水主管路进水口安装过滤阀；所述供回水系统包括回水主管和设置在回水主管上的电动混水三通阀门(合流阀)装置，两进为河流水和回水，一通为系统供水；从供水主管上接出若干供水支管，供水支管经过一体智能温控柜后，连接至浇筑仓冷却水管入口，浇筑仓冷却水管出口连接回水支管，回水支管接入回水主管；所述回水主管中的水流经电动混水三通阀门，部分流入水箱，用于调节供水管中冷却水温，部分流入河中；所述换向系统包括连接在供水主管和回水主管之间的交叉管路、设置在回水主管上的回水阀门、以及设置在交叉管路上的换向阀门；所述换向系统通过在供水主管和回水主管之间设置交叉管路和回水阀门以及换向阀门控制实现，通过设定，使回水阀门和换向阀门周期性交替开启和关闭；所述水箱中安装有水箱温度计用于监测水箱中水温的实时变化，利用水箱水温采集装置采集水箱水温数据，利用水箱水温通讯模块将采集到的水箱水温数据传输至回水主管路三通阀门装置的回水通讯模块；所述控制系统包括云端控制、一体温流控制柜和移动端数据监测平台；所述云端控制按照上传温度和流量数据，依据目标温控曲线形成温度和流量控制指令；所述一体温流控制柜采集并传输供回水系统中冷却水温度和流量、热交换系统中混凝土相关温度参数；所述移动端数据监测平台为基于微信软件的远程数据查询监测平台，包括温控系统数据查询和分析功能；所述热交换体统包括浇筑混凝土内的冷却水管和预埋在混凝土内部温度计、表面温度计和数据采集装置，所述热交换系统中的内部温度通过导线集中至内部温度接口的位置，然后接入固定在桥梁结构侧面的数据采集装置，利用内部温度通讯模块将混凝土内部温度计和表面温度计采集的数据传输至控制系统一体智能温控柜的温控通讯模块和电动混水三通阀门的回水通讯模块，一体智能温控柜将混凝土内部温度计、表面温度计采集的数据、供回水系统冷却水温度和流量数据上传云端，并形成温度和流量指令，自动调节一体智能温控柜内部的温控阀门控制通水流量和混水三通阀门开度，控制供回水系统的系统流量和混水比例，确保浇筑混凝土的制冷效果和冷却水与混凝土温差满足规范要求，进而控制混凝土最高温度、内表温差和降温速率；所述的温控阀门连接在所述的供水支管上；所述电动混水三通阀门的回水通讯模块接收水箱水温和混凝土内部温度实时数据；所述回水支管中安装回水温度计用于监测回水温度实时变化，利用回水温度数据采集装置采集回水温度数据，利用回水支管通讯模块将回水温度数据传输至一体智能温控柜，调节通水流量确保冷却水管进、出口水温差满足规范要求；所述供水主管和回水主管上还设置有手动阀门，通过手动开启和关闭供回水系统阀门启闭整个通水管路；所述智能温控系统中，浇筑混凝土外冷却水管路外壁采用保温材料包裹。
所述的一体智能温控柜包括柜体、安装槽、一体流温智能监控装置、接线装置、采集模块、中央处理模块、通讯模块和供电模块；所述的一体智能温控柜利用采集模块，自动读取埋设在混凝土中的混凝土数字温度计的读数，以此作为混凝土当前温度，并将其反馈到中央处理模块，计算出应通过冷却水管的流量和水温，并进行调节；所述柜体为长方体框架；所述安装槽为柜体的一部分，固定于柜体内侧，是安装一体流温智能监控装置的柜内空间，位于柜体下部；所述接线装置、中央处理模块、通讯模块、采集模块和供电模块，位于柜体上部。
所述一体流温智能监控装置由第一连接对丝、介质流量测量装置、介质温度测量装置、第二连接对丝、介质流量控制装置、介质温度控制装置、第三连接对丝、连接线路、固定装置、一体智能流温采集控制模块和人机交互装置构成，该一体流温智能监控装置固定于柜体的安装槽内，利用该一体流温智能监控装置能够实现对管道内介质温度和流量的实时在线监测和控制，能够应用于大体积混凝土通水温控施工中冷却水的温度和流量的个性化调控；所述第一连接对丝、介质流量测量装置、介质温度测量装置、第二连接对丝、介质流量控制装置、介质温度控制装置和第三连接对丝依次连接形成一个一体管道，所述一体智能流温采集控制模块和人机交互装置通过固定装置固定于所述一体管道上，并通过所述连接线路与所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置和介质温度控制装置相连；所述一体流温智能监控装置的两端还设置有过滤装置，用于过滤流经所述一体管道的介质中的杂质。
所述介质流量测量装置采用涡轮流量计或超声波流量计，实时监测介质的流量；所述介质温度测量装置为温度计，所述温度计的探头长度和内插深度与所述一体管道的直径相匹配，实时测量介质温度；所述介质流量控制装置为电磁阀，所述电磁阀对所述一体管道内的介质流量进行开度式调节；所述介质温度控制装置为管道快速加热装置；所述一体智能流温采集控制模块为采集和控制所述一体管道内的介质温度和流量的集成电路板；所述一体智能流温采集控制模块通过与所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置和介质温度控制装置的实时数据交互，实现对所述一体管道内介质温度和流量的实时采集和控制，所述一体智能流温采集控制模块同时能与所述人机交互装置进行实时数据交互；所述人机交互装置为实现数据展示或输入的操作窗口或数据接口；所述人机交互装置与现场操控人员之间实现数据交互，同时将数据实时上传至云端服务器的数据接口；所述人机交互装置为触屏微型电脑或工控机。
所述第一连接对丝为长对丝，所述第二连接对丝为短对丝，所述长对丝和短对丝的两端设有外螺纹，所述第一连接对丝和第二连接对丝的长短及螺纹型式可依据实际需要动态调整；所述长对丝的外丝与所述介质流量控制装置一端的内丝连接，所述介质流量控制装置另一端的内丝与所述短对丝一端的外丝连接，所述短对丝另一端的外丝与所述介质温度测量装置一端的内丝连接，所述介质温度测量装置另一端的内丝与所述介质流量测量装置的外丝连接；各所述长对丝和短对丝均为管件；所述连接线路为实现所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置、介质温度控制装置进行供电与数据交互的线路。
所述固定装置固定于所述一体管道的任一侧面，所述固定装置将所述一体智能流温采集控制模块和人机交互装置固定于所述一体管道上，采用焊接、铰接或丝扣固定方式。
所述接线装置固定于所述柜体的上部，用于安装一体流温智能监控装置、中央处理模块、通讯模块、采集模块和供电模块的外接线。
所述采集模块用于采集温湿度气象、光纤监测、保温监测、混凝土温度等与被监控对象有关的相关温控数据，是各类监测传感器引线的接口。
所述中央处理模块一方面对所述采集模块采集的数据进行数据处理并将处理后的所述数据传给通讯模块，由通讯模块将数据上传至云服务器进行数据交互；另一方面云服务器下达的控制指令由通讯模块接收后传给中央处理模块，由中央处理模块将控制指令下达给一体流温智能监控装置，实现对一体流温智能监控装置管道内冷却介质温度和流量的调控。
所述供电模块用于对柜内电子器件运行的供电与电路保护。
本发明还提供一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统的温控方法，包括以下步骤：
第一、所述的一体智能温控柜利用采集模块自动读取埋设在混凝土中的混凝土数字温度计的读数，以此作为混凝土当前温度，并将其反馈到中央处理模块；
第二、所述的中央处理模块将接收到的数据包括混凝土内部温度、冷却水供水温度、循环水温度和供水流量通过通讯模块发送给云端服务器，所述的云端服务器根据基于长短期记忆神经网络系统(Long Short-Term Memory，LSTM)与PID控制器相结合的控制模型，瞬时动态调整温控系统的温度和流量，解决传热控制过程中时间序列间隔和延迟相对较长的问题，控制模型运算过程如图6所示；其中，Tcon，Tsup，Trec，Fsup分别是混凝土内部温度、冷却水供水温度、循环水温度和供水流量，n代表混凝土龄期(从浇筑时刻算起)，和/>代表混凝土内部温度、新增河水流量和供水流量的预测值，Valr，Hpump表示三通阀门装置的开度和管道泵的扬程，用以调节系统中的新增水流量和系统供水速率，这两因素耦合作用，决定了混凝土内部的换热程度。式中⊙代表元素相乘，/>代表元素相加。
该算法较好地适应了冷却系统动态换热过程中的参数预测，在记忆混凝土不同龄期的温控时序数据的同时，为不同时间长度的数据分配相应权重，学习混凝土水化温升规律，提高流量智能控制精度。首先通过获取混凝土t时刻的数个特征参数，包括龄期(d)、t时段混凝土平均温度(℃)、t时段平均进口水温(℃)、t时段平均出口水温(℃)、t时段平均流量(L/min)及t+1时段预期混凝土温度(℃)等6种与流量控制相关性较密切的特征参数等，然后快速精准预测出该仓t+1时刻的最佳通水流量值，即建议流量，作为算法输出。模型结构为3层神经网络，先后为输入层、全连接层和输出层，这一过程完成温度到流量的映射，它也是PID控制器实现系统泵水头和三通阀开度调整的基础，调节阀门的开度控制混水比例，调节管道泵水头控制供水流量。
第三，智能温控系统实现“端·边·云”协同控制，分别部署在控制柜边缘计算和云计算两个位置，并通过运营商网络连接，如图7所示。
边缘计算包含两个层面，第一层包含感知层和控制层，第二层用于现场控制服务，通过相应的控制模块，采用Modbus协议获取现场水路压力表、流量计、进出水温度的测量值，并发送执行机构指令，控制阀门开度，达到调节流量值的目的。现场操作人员也可通过人机界面触摸屏检查传感器状态和发送执行器命令。
云计算部分由多个服务组成，包括用于接收报告数据和发出命令的MQTT服务，用于PC和APP功能的WWW应用服务、数据存储的数据库服务以及机器学习培训和部署的服务。系统首先根据目标温度和当前混凝土温度之间的差值计算当前控制要求，调用机器学习应用服务获取当前流量值设置，并通过MQTT服务通道发布流量值。控制柜利用MQTT订阅功能获取设定流量值，发送至PID控制器，然后根据实测流量反馈值对PID回路的开度值进行调整。
第四，制定连续控温策略，根据钢筋混凝土特性，通过第一公式计算出应通过冷却水管的流量和水温；所述的第一公式为：
其中，K为考虑徐变影响的混凝土应力松弛系数；R为基础约束系数，与混凝土与基础弹性模量比值、浇筑块形状，以及位置有关；E和α分别为混凝土弹性模量与热膨胀系数；β为考虑钢筋作用的混凝土变形折减系数；kr为考虑混凝土温升的折减系数；A为水化热温度应力系数，与浇筑块长度及弹性模量比有关；Tp、Tf、Tr分别为混凝土浇筑温度、稳定温度和水化热温升容许值；
所述的第一公式引入了考虑钢筋作用的混凝土变形折减系数；该混凝土变形折减参数通过考虑钢筋作用和不考虑钢筋作用的混凝土有限元应力对比分析得出；根据水化热温升容许值确定混凝土容许最高温度；除了混凝土容许最高温度，混凝土的降温速率控制由实际工程中考虑钢筋作用的钢筋混凝土有限元应力分析反推得到，即调节混凝土降温速率恒定为何值时，混凝土早期最大应力略低于允许最大拉应力；
第五、所述的云端服务器根据桥梁结构混凝土关键温控指标确定混凝土目标温控曲线，将该混凝土目标温控曲线反馈到一体智能温控柜，并根据计算出的流量和水温以及混凝土目标温控曲线生成控制指令，将该控制指令发送给所述的一体智能温控柜，由所述的一体智能温控柜进行通水调节，实现桥梁结构大体积混凝土的智能温控。
本发明所述桥梁结构指：桥跨结构、桥墩、桥台或墩台基础等涉及大体积混凝土浇筑的结构。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统和方法采用温流耦合智能联调控制方法，研发的一体智能温控柜设备，集成化设计，减小柜体尺寸，缩短从控制指令下达到控制指令完成的时间，提高系统控制精度，标准化生产、模块化集约，提高了柜体的可扩展性和工作的稳定性，灵活现场安装及移动施工。
另外，本发明在桥梁智能温控中考虑钢筋对混凝土受力的影响，推导出基于钢筋和混凝土共同受力条件下混凝土关键温控指标最高温度和降温速率的容许值，将其反馈到一体智能温控柜，以实现桥梁结构大体积混凝土的智能温控。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明所述的一体智能温控柜的外部和内部正视图。
图2是本发明所述的一体智能温控柜的俯视图。
图3是本发明所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统实施方案示意图。
图4是本发明一个实施例的一体流温智能监控装置的结构示意图。
图5是本发明另一个实施例的一体流温智能监控装置的半剖示意图。
图6是温流耦合控制模型运算过程示意图。
图7是“端·云·边”控制实现过程示意图。
具体实施方式
在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。
如图3所示，本发明所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统包括供水系统、回水系统、水流换向系统、一体智能温控柜20、预埋在浇筑仓12混凝土内的冷却水管13、混凝土内部温度计10和表面温度计11；所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统采用桥梁结构附近河流深部河水作为冷却水；所述供水系统包括供水主管23和设置在供水主管上的水箱31和供水泵34，所述供水系统中，利用供水泵34将河水抽入水箱31，当河流与水箱所在位置高差较大或距离较远时，可在水箱31与供水泵34之间增加增压泵27，为防止杂物堵塞管路进水口，在所述供水系统的进水口安装过滤阀35；所述回水系统包括回水主管24和设置在回水主管上的电动混水三通阀门30(合流阀)，两进为河流水和回水，一通为系统供水；从供水主管23上接出若干供水支管，供水支管经过一体智能温控柜20后，连接至浇筑仓冷却水管入口，浇筑仓冷却水管出口连接回水支管，回水支管接入回水主管24；所述回水主管中的水流经电动混水三通阀门30，部分流入水箱31，用于调节供水管中冷却水温，部分流入河中；所述水流换向系统包括连接在供水主管23和回水主管24之间的交叉管路、设置在回水主管上的回水阀门25、以及设置在交叉管路上的换向阀门26；所述水流换向系统通过在供水主管23和回水主管24之间设置交叉管路和回水阀门25以及换向阀门26控制实现，通过设定，使回水阀门25和换向阀门26周期性交替开启和关闭；所述水箱中安装有水箱温度计32用于监测水箱中水温的实时变化，利用水箱水温采集装置37采集水箱水温数据，利用水箱水温通讯模块33将采集到的水箱水温数据传输至电动混水三通阀门的回水通讯模块29；所述浇筑仓混凝土内的混凝土内部温度计10和表面温度计11通过导线14集中至内部温度接口15的位置，然后接入固定在桥梁结构侧面的数据采集装置36，利用内部温度通讯模块16将混凝土内部温度计10和表面温度计11采集的数据传输至一体智能温控柜20的温控通讯模块19和电动混水三通阀门的回水通讯模块29，一体智能温控柜根据混凝土内部温度计10和表面温度计11采集的数据自动调节一体智能温控柜内部的温控阀门18控制通水流量，进而控制混凝土最高温度、内表温差和降温速率；所述的温控阀门18连接在所述的供水支管上；所述电动混水三通阀门的回水通讯模块29接收水箱水温和混凝土内部温度实时数据，根据水箱水温和混凝土内部温度实时数据，实时自动调节电动混水三通阀门内部的三通阀门28，控制进入水箱的回水流量，确保浇筑仓中的冷却水与混凝土温差满足规范要求；所述回水支管中安装回水温度计用于监测回水温度实时变化，利用回水温度数据采集装置22采集回水温度数据，利用回水支管通讯模块21将回水温度数据传输至一体智能温控柜20，调节通水流量确保冷却水管进、出口水温差满足规范要求；所述供水主管23上还设置有供水阀门38，通过同时开启和关闭电动混水三通阀门内部的三通阀门28和供水阀门38启闭整个通水管路；所述智能温控系统中，混凝土浇筑仓外冷却水管外壁采用保温材料17包裹，降低沿程气温和日照对水温的影响。
所述的一体智能温控柜20详图见图1～图2，包括柜体1、安装槽2、一体流温智能监控装置3、接线装置4、中央处理模块5、通讯模块6、供电模块7和采集模块8；所述的一体智能温控柜利用采集模块，自动读取埋设在混凝土中的混凝土数字温度计的读数，以此作为混凝土当前温度，并将其反馈到中央处理模块，计算出应通过冷却水管的流量和水温，并进行调节。
所述柜体为长方体框架；所述安装槽为柜体的一部分，固定于柜体内侧，是安装一体流温智能监控装置的柜内空间。
所述安装槽和一体流温智能监控装置位于柜体下部；所述接线装置、中央处理模块、通讯模块、供电模块和采集模块(用于采集温湿度气象、光纤监测、保温监测、混凝土温度等)位于柜体上部，为一体智能温控柜的控制核心；下部的一体流温智能监控装置通过导线接入上部的接线装置，与其他模块相连。
所述一体流温智能监控装置由第一连接对丝、介质流量测量装置、介质温度测量装置、第二连接对丝、介质流量控制装置、介质温度控制装置、第三连接对丝、连接线路、固定装置、一体智能流温采集控制模块、人机交互装置构成，该一体流温智能监控装置固定于柜体的安装槽内，利用该一体流温智能监控装置可实现对管道内介质温度和流量的实时在线监测和控制，可应用于大体积混凝土通水温控施工中冷却水的温度和流量的个性化调控。
所述第一连接对丝、介质流量测量装置、介质温度测量装置、第二连接对丝、介质流量控制装置、介质温度控制装置和第三连接对丝依次连接形成一个一体管道，所述一体智能流温采集控制模块和人机交互装置通过固定装置固定于所述一体管道上，并通过所述连接线路与所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置和介质温度控制装置相连；所述一体流温智能监控装置的两端还设置有过滤装置，用于过滤流经所述一体管道的介质中的杂质。
所述介质流量测量装置采用涡轮流量计或超声波流量计，实时监测介质的流量。
所述介质温度测量装置为温度计，所述温度计的探头长度和内插深度与所述一体管道的直径相匹配，实时测量介质温度。
所述介质流量控制装置为电磁阀，所述电磁阀对所述一体管道内的介质流量进行开度式调节。
所述介质温度控制装置为管道快速加热装置。
所述一体智能流温采集控制模块为采集和控制所述一体管道内的介质温度和流量的集成电路板；所述一体智能流温采集控制模块通过与所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置和介质温度控制装置的实时数据交互，实现对所述一体管道内介质温度和流量的实时采集和控制，所述一体智能流温采集控制模块同时能与所述人机交互装置进行实时数据交互。
所述人机交互装置为实现数据展示或输入的操作窗口或数据接口；所述人机交互装置与现场操控人员之间实现数据交互，同时将数据实时上传至云端服务器的数据接口；所述人机交互装置为触屏微型电脑或工控机。
所述第一连接对丝为长对丝，所述第二连接对丝为短对丝，所述长对丝和短对丝的两端设有外螺纹，所述第一连接对丝和第二连接对丝的长短及螺纹型式可依据实际需要动态调整。
所述长对丝的外丝与所述介质流量控制装置一端的内丝连接，所述介质流量控制装置另一端的内丝与所述短对丝一端的外丝连接，所述短对丝另一端的外丝与所述介质温度测量装置一端的内丝连接，所述介质温度测量装置另一端的内丝与所述介质流量测量装置的外丝连接；各所述长对丝和短对丝均为管件。
所述连接线路为实现所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置、介质温度控制装置进行供电与数据交互的线路。
所述固定装置固定于所述一体管道的任一侧面，所述固定装置将所述一体智能流温采集控制模块和人机交互装置固定于所述一体管道上，采用焊接、铰接或丝扣固定方式。
在图4所示的实施例中，所述一体流温智能监控装置包括：从左至右依次连接的长对丝61、电磁阀62、短对丝63、三通64和涡轮流量计66，长对丝61右端的外丝与电磁阀62左端的内丝连接，电磁阀62另一端的内丝与短对丝63左端的外丝连接，短对丝63另一端的外丝与三通64左端的内丝连接，三通64右端的内丝与涡轮流量计66左端的外丝连接。
具体地，温度计65插设于三通64中，实时测量流体温度；长对丝61的左端和涡轮流量计6的右端部安装有过滤阀，用于过滤流体中的杂质，防止堵塞。
本实施例中，长对丝61和短对丝63均为双外丝，外丝长度为20mm，长对丝61长度为230mm，短对丝63的长度为100mm；电磁阀62为双内丝，内丝长度为27mm，电磁阀62的两端为八边形，固定安装于固定支架上；三通64为双内丝，内丝长度为15mm，温度计65外径为5.7-5.8mm，三通64接温度计65的孔口内径为6±1mm，涡轮流量计66为双外丝，外丝长度为18mm，涡轮流量计66中部为六边形，安装于固定支架上。
本实施例中，一体流温智能监控装置还包括智能流温采集控制模块610、人机交互装置611、连接线路613、固定装置69和温度控制装置612，所述智能流温采集控制模610和人机交互装置611通过所述固定装置69固定于管道上，并通过连接线路613与流量采集装置、温度采集装置、流量调节装置和温度控制装置相连。
本实施例中，一体流温智能监控装置还包括电源管理单元、单片机及外围电路、存储单元和通讯单元，所述一体智能流温采集控制模块与上位机进行通讯，所述一体流温智能监控装置提供485和M-BUS接口；一体流温智能监控装置还包括显示及操控单元，所述显示单元为显示屏，所述显示屏显示当前各所述装置和单元的状态，通过按键来切换显示模式；所述通讯单元为有线或无线通讯单元；所述管道上设置有观察窗，用于观察介质流量及介质的气泡。
在图5所示的实施例中，所述一体流温智能监控装置包括：从左至右依次连接的对丝67、电磁阀62、超声波流量计68，对丝67右端的外丝与电磁阀62左端的内丝连接，电磁阀62另一端的内丝与超声波流量计68左端的外丝连接。
具体地，温度计65插设于超声波流量计68中，实时测量流体温度，超声波流量计68和温度计65为一体结构；超声波流量计68仅设计有探头，不深入管道内部，其检测精度不会受到流体中通过管道的杂质的影响。
本实施例中，对丝67双外丝，双外丝长度为25mm；电磁阀62为双内丝，内丝长度为27mm，电磁阀62的两端为八边形，固定安装于固定支架上；超声波流量计68为双外丝，双外丝长度为25mm，超声波流量计68的探头开口布置在其直管段的侧面；温度计65外径为5.7-5.8mm，超声波流量计68接温度计65的孔口内径为6±1mm，温度计开口布置在超声波流量计八面体管道上方；整个流温单元控制装置两端可开模改进为快换接头。
与图4所示的实施例类似，本实施例中，一体流温智能监控装置还包括智能流温采集控制模块610、人机交互装置611、连接线路613、固定装置69和温度控制装置612，所述智能流温采集控制模610和人机交互装置611通过所述固定装置69固定于管道上，并通过连接线路613与流量采集装置、温度采集装置、流量调节装置和温度控制装置相连。
一体流温智能监控装置还包括电源管理单元、单片机及外围电路、存储单元和通讯单元，所述一体智能流温采集控制模块与上位机进行通讯，所述一体流温智能监控装置提供485和M-BUS接口；一体流温智能监控装置还包括显示及操控单元，所述显示单元为显示屏，所述显示屏显示当前各所述装置和单元的状态，通过按键来切换显示模式；所述通讯单元为有线或无线通讯单元；所述管道上设置有观察窗，用于观察介质流量及介质的气泡。
所述的一体流温智能监控装置的温度控制方法的步骤如下：
S1:设置流通介质温度；
S2:关闭电磁阀62；
S3:打开介质温度控制装置612；
S4:温度计65测量介质温度；
S5：介质达到预定温度，打开介质流量控制装置；
S6:继续测量，发现介质温度下降，减少电磁阀62开度，加大介质温度
控制装置612功率；
S7:如上步骤反复进行调节，达到实时流出介质的目标。
所述的一体流温智能监控装置的流量控制方法的步骤如下：
S1:设定介质流量F；
S2:设定初始电磁阀62的开度；
S3:介质流量测量装置测量当前流量F1，如果当前F1>F，减少电磁阀62开度，如果当前F1<F，增加电磁阀62的开度；
S4:介质流量测量装置继续测量，如果当前介质流量和设定的介质流量在
容许误差范围，停止调节，否则步骤S3循环进行；
S5:对于不能在限定时间内完成调节的，显示告警信息。
本发明中的一体流温智能监控装置产生的有益效果是：
(1)本发明中的一体流温智能监控装置通过设置介质流量测量装置和过滤装置，可将介质流体中的杂质充分过滤，提高介质流量测量装置对介质流体流量的测量精度，改进大坝建筑的水平，进一步提高大坝建筑的安全性能。
(2)本发明中的一体流温智能监控装置通过设置超声波流量计，也可提高介质流量测量装置对介质流体流量的测量精度，改进大坝建筑的水平，进一步提高大坝建筑的安全性能。
(3)本发明中的一体流温智能监控装置通过介质温度测量装置，实时测量介质流体的温度。
(4)本发明中一体流温智能监控装置的介质温度测量装置通过设置介质流量控制装置，可更精确的调控介质流体的流量。
所述接线装置固定于所述柜体的上部，用于安装所述一体流温智能监控装置、中央处理模块、通讯模块、采集模块和供电模块的外接线。
所述采集模块用于采集温湿度气象、光纤监测、保温监测、混凝土温度等与被监控对象有关的相关温控数据，是各类监测传感器引线的接口。
所述中央处理模块一方面对所述采集模块采集的数据进行数据处理并将处理后的所述数据传给通讯模块，由通讯模块将数据上传至云服务器进行数据交互；另一方面云服务器下达的控制指令由通讯模块接收后传给中央处理模块，由中央处理模块将控制指令下达给一体流温智能监控装置，实现对一体流温智能监控装置管道内冷却介质温度和流量的调控。
所述供电模块用于对柜内电子器件运行的供电与电路保护。
所述的一体智能温控柜仅需要实现对混凝土坝块相关数据的监测上传和冷却管道内介质的流温控制即可，所有数据的综合分析和控制指令的计算均由云端服务器完成后，通过通讯模块及中央处理模块与柜内的一体流温智能监控装置进行交互。
本发明所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统旨在利用一体智能温控柜，对桥梁结构大体积混凝土冷却通水进行调节。由于桥梁结构大体积混凝土相对水利工程较小，桥梁结构施工场地也比水利工程施工场地小，如果将以往用于水利工程大体积混凝土温度控制的智能温控柜直接用于桥梁结构大体积混凝土的温度控制，则现场没有足够的场地进行相关设备的布设，因此就必须对已有的智能温控柜进行进一步的小型化，将接线装置、采集模块、供电模块、通讯模块、中央处理模块加以集成，满足桥梁结构大体积混凝土通水控制的需要。智能温控柜的小型化，还可以减少从控制指令下达到控制指令完成的时间，即缩短温控指令执行时间，提高冷却通水调节的效率。一体智能温控柜详图如图1和2所示。
在对桥梁结构桥台大体积混凝土进行智能温控时，可将一体智能温控柜置于浇筑块10m范围内进行通水调节。一体智能温控柜利用采集模块，自动读取埋设在混凝土中的数字温度计读数，以此作为混凝土当前温度，并将其反馈到中央处理模块，计算出应通过水管的流量和水温，并进行调节。所述的一体智能温控柜布置如图3所示。
本发明所述的一体智能温控柜非常适用于桥梁工程大体积混凝土温度和通水控制。桥梁工程，一般有多个承台，但每个承台大体积混凝土施工场地相隔较远，且面积都不大。承台位于结构下部，所处位置一般位于或靠近地面，有利于一体智能温控柜的布设；当一个承台通水冷却控制结束后，一体智能温控柜也易于转移到下一个承台施工场地使用。
桥梁结构大体积混凝土关键温控指标是混凝土容许最高温度。
桥梁结构大体积混凝土配筋率较高，本质上属于钢筋混凝土结构，需要考虑钢筋和混凝土共同受力时的长期徐变效应。钢筋混凝土结构的长期徐变效应主要表现在变形和内力两方面：
一方面，钢筋约束限制了混凝土的徐变变形，当钢筋同混凝土共同工作性能良好时，整个构件的长期变形实际应为弹性的钢筋同长期刚度退化的混凝土间变形协调的结果，且这一变形随着时间的发展仍将不断变化；另一方面，钢筋对混凝土自由变形的限制，将引起构件内部应力的重新分配，一定程度上既卸载了混凝土承受的内力作用，又相应增长了钢筋所承担的应力。在通常合理的配筋率设计和加载条件下，钢筋的存在对于抑制钢筋混凝土构件的长期变形，并降低混凝土长期应力水平是有利的，忽视了钢筋的作用将高估构件的徐变变形，与实际规律不符；而当配筋率较高、或自由变形较大时，钢筋对混凝土的约束可能引起局部受拉裂缝。
由于钢筋的存在抑制了混凝土的长期变形，在混凝土应力模型中引入一个参量来考虑钢筋的这种作用。混凝土的长期应力σ可由式(5-1)表示如下。
式中，K为考虑徐变影响的混凝土应力松弛系数；R为基础约束系数，与混凝土与基础弹性模量比值、浇筑块形状，以及位置有关；E和α分别为混凝土弹性模量与热膨胀系数；β为考虑钢筋作用的混凝土变形折减系数；kr为考虑混凝土温升的折减系数；A为水化热温度应力系数，与浇筑块长度及弹性模量比有关；Tp、Tf、Tr分别为混凝土浇筑温度、稳定温度和水化热温升。公式(5-1)中第一项为由浇筑温度与稳定温度之差引起的拉应力，第二项为由水化热温升引起的拉应力。
根据混凝土开裂的判断条件式(5-2)：
σ≤ftk/k (5-2)
对式(5-1)变换，得到以下公式：
由式(5-1)～式(5-3)，水化热温升容许值取决于混凝土的浇筑温度和稳定温度之差、抗拉强度以及结构约束度。水化热温升容许值确定之后，即可确定混凝土容许最高温度。
上述公式中与已有方法的不同之处在于引入了考虑钢筋作用的混凝土变形折减系数β。该参数可通过考虑钢筋作用和不考虑钢筋作用的混凝土有限元应力对比分析得出。
除了混凝土容许最高温度，混凝土的降温速率控制可由实际工程中考虑钢筋作用的钢筋混凝土有限元应力分析反推得到，即调节混凝土降温速率恒定为何值时，混凝土早期最大应力略低于允许最大拉应力。
由桥梁结构混凝土关键温控指标可确定混凝土目标温控曲线，将其反馈到一体化智能温控柜进行通水调节，可实现桥梁结构大体积混凝土的智能温控。
本发明还提供一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统的温控方法，包括以下步骤：
第一、所述的一体智能温控柜利用采集模块自动读取埋设在混凝土中的混凝土数字温度计的读数，以此作为混凝土当前温度，并将其反馈到中央处理模块；
第二、所述的中央处理模块将接收到的数据通过通讯模块发送给云端服务器，所述的云端服务器根据第一公式计算出应通过冷却水管的流量和水温；所述的第一公式为：
其中，K为考虑徐变影响的混凝土应力松弛系数；R为基础约束系数，与混凝土与基础弹性模量比值、浇筑块形状，以及位置有关；E和α分别为混凝土弹性模量与热膨胀系数；β为考虑钢筋作用的混凝土变形折减系数；kr为考虑混凝土温升的折减系数；A为水化热温度应力系数，与浇筑块长度及弹性模量比有关；Tp、Tf、Tr分别为混凝土浇筑温度、稳定温度和水化热温升容许值；
所述的第一公式引入了考虑钢筋作用的混凝土变形折减系数；该混凝土变形折减参数通过考虑钢筋作用和不考虑钢筋作用的混凝土有限元应力对比分析得出；
根据水化热温升容许值确定混凝土容许最高温度；
除了混凝土容许最高温度，混凝土的降温速率控制由实际工程中考虑钢筋作用的钢筋混凝土有限元应力分析反推得到，即调节混凝土降温速率恒定为何值时，混凝土早期最大应力略低于允许最大拉应力；
第三、所述的云端服务器根据桥梁结构混凝土关键温控指标确定混凝土目标温控曲线，将该混凝土目标温控曲线反馈到一体智能温控柜，并根据计算出的流量和水温以及混凝土目标温控曲线生成控制指令，将该控制指令发送给所述的一体智能温控柜，由所述的一体智能温控柜进行通水调节，实现桥梁结构大体积混凝土的智能温控。
以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。

Claims (11)

1.一种桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，包括供回水系统、换向系统、控制系统和热交换系统；所述的桥梁结构大体积混凝土的智能温控系统采用桥梁结构附近河流深部河水作为冷却水；所述供回水系统包括供水主管和设置在供水主管上的水箱和供水泵，利用供水泵将河水抽入水箱；供水主管进水口安装过滤阀；所述供回水系统包括回水主管和设置在回水主管上的电动混水三通阀门；从供水主管上接出若干供水支管，供水支管经过一体智能温控柜后，连接至浇筑仓冷却水管入口，浇筑仓冷却水管出口连接回水支管，回水支管接入回水主管；所述回水主管中的水流经电动混水三通阀门，部分流入水箱，用于调节供水管中冷却水温，部分流入河中；所述换向系统包括连接在供水主管和回水主管之间的交叉管路、设置在回水主管上的回水阀门、以及设置在交叉管路上的换向阀门；所述换向系统通过在供水主管和回水主管之间设置交叉管路和回水阀门以及换向阀门控制实现，通过设定，使回水阀门和换向阀门周期性交替开启和关闭；所述水箱中安装有水箱温度计用于监测水箱中水温的实时变化，利用水箱水温采集装置采集水箱水温数据，利用水箱水温通讯模块将采集到的水箱水温数据传输至回水主管上的电动混水三通阀门的回水通讯模块；所述控制系统包括云端控制、一体智能温控柜和移动端数据监测平台；所述云端控制按照上传温度和流量数据，依据目标温控曲线形成温度和流量控制指令；所述一体智能温控柜采集并传输供回水系统中冷却水温度和流量、热交换系统中混凝土相关温度参数；所述移动端数据监测平台为基于微信软件的远程数据查询监测平台，包括温控系统数据查询和分析功能；所述热交换系统包括浇筑混凝土内的冷却水管和预埋的混凝土内部温度计、表面温度计和数据采集装置，所述热交换系统中的内部温度通过导线集中至内部温度接口的位置，然后接入固定在桥梁结构侧面的数据采集装置，利用内部温度通讯模块将混凝土内部温度计和表面温度计采集的数据传输至控制系统一体智能温控柜的温控通讯模块和电动混水三通阀门的回水通讯模块，一体智能温控柜将混凝土内部温度计、表面温度计采集的数据、供回水系统冷却水温度和流量数据上传云端，并形成温度和流量指令，自动调节一体智能温控柜内部的温控阀门控制通水流量和电动混水三通阀门开度，控制供回水系统的系统流量和混水比例，确保浇筑混凝土的制冷效果和冷却水与混凝土温差满足规范要求，进而控制混凝土最高温度、内表温差和降温速率；所述的温控阀门连接在所述的供水支管上；所述电动混水三通阀门的回水通讯模块接收水箱水温和混凝土内部温度实时数据；所述回水支管中安装回水温度计用于监测回水温度实时变化，利用回水温度数据采集装置采集回水温度数据，利用回水支管通讯模块将回水温度数据传输至一体智能温控柜，调节通水流量确保冷却水管进、出口水温差满足规范要求；所述供水主管上还设置有手动阀门，供回水电动混水三通阀门通过手动开启和关闭，从而使整个通水管路开启和关闭；所述智能温控系统中，浇筑混凝土外冷却水管路外壁采用保温材料包裹。
2.根据权利要求1所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述的一体智能温控柜包括柜体、安装槽、一体流温智能监控装置、接线装置、采集模块、中央处理模块、通讯模块和供电模块；所述的一体智能温控柜利用采集模块，自动读取埋设在混凝土中的混凝土数字温度计的读数，以此作为混凝土当前温度，并将其反馈到中央处理模块，计算出应通过冷却水管的流量和水温，并进行调节；所述柜体为长方体框架；所述柜体内设置安装槽，是安装一体流温智能监控装置的柜内空间，位于柜体下部；接线装置、中央处理模块、通讯模块、采集模块和供电模块位于柜体上部。
3.根据权利要求1所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，回水温度数据采集装置、水箱水温采集装置和采集混凝土温度数据的采集装置的外壳均为长方体，内部均设置介质流量控制装置、中央处理模块、通讯模块、采集模块和供电模块。
4.根据权利要求1所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述电动混水三通阀门的外壳为长方体，内部设置接线装置、中央处理模块、通讯模块、采集模块和供电模块。
5.根据权利要求2所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述一体流温智能监控装置由第一连接对丝、介质流量测量装置、介质温度测量装置、第二连接对丝、介质流量控制装置、介质温度控制装置、第三连接对丝、连接线路、固定装置、一体智能流温采集控制模块和人机交互装置构成，该一体流温智能监控装置固定于柜体的安装槽内，利用该一体流温智能监控装置能够实现对管道内介质温度和流量的实时在线监测和控制，能够应用于大体积混凝土通水温控施工中冷却水的温度和流量的个性化调控；所述第一连接对丝、介质流量测量装置、介质温度测量装置、第二连接对丝、介质流量控制装置、介质温度控制装置和第三连接对丝依次连接形成一个一体管道，所述一体智能流温采集控制模块和人机交互装置通过固定装置固定于所述一体管道上，并通过所述连接线路与所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置和介质温度控制装置相连；所述一体流温智能监控装置的两端还设置有过滤装置，用于过滤流经所述一体管道的介质中的杂质。
6.根据权利要求5所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述介质流量测量装置采用涡轮流量计或超声波流量计，实时监测介质的流量；所述介质温度测量装置为温度计，所述温度计的探头长度和内插深度与所述一体管道的直径相匹配，实时测量介质温度；所述介质流量控制装置为电磁阀，所述电磁阀对所述一体管道内的介质流量进行开度式调节；所述介质温度控制装置为管道快速加热装置；所述一体智能流温采集控制模块为采集和控制所述一体管道内的介质温度和流量的集成电路板；所述一体智能流温采集控制模块通过与所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置和介质温度控制装置的实时数据交互，实现对所述一体管道内介质温度和流量的实时采集和控制，所述一体智能流温采集控制模块同时能与所述人机交互装置进行实时数据交互；所述人机交互装置为实现数据展示或输入的操作窗口或数据接口；所述人机交互装置与现场操控人员之间实现数据交互，同时将数据实时上传至云端服务器的数据接口；所述人机交互装置为触屏微型电脑或工控机。
7.根据权利要求5所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述第一连接对丝为长对丝，所述第二连接对丝为短对丝，所述长对丝和短对丝的两端设有外螺纹，所述第一连接对丝和第二连接对丝的长短及螺纹型式可依据实际需要动态调整；所述长对丝的外丝与所述介质流量控制装置一端的内丝连接，所述介质流量控制装置另一端的内丝与所述短对丝一端的外丝连接，所述短对丝另一端的外丝与所述介质温度测量装置一端的内丝连接，所述介质温度测量装置另一端的内丝与所述介质流量测量装置的外丝连接；各所述长对丝和短对丝均为管件；所述连接线路为实现所述介质流量测量装置、介质温度测量装置、介质流量控制装置、介质温度控制装置进行供电与数据交互的线路。
8.根据权利要求5所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述固定装置固定于所述一体管道的任一侧面，所述固定装置将所述一体智能流温采集控制模块和人机交互装置固定于所述一体管道上，采用焊接、铰接或丝扣固定方式。
9.根据权利要求5所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述接线装置固定于所述柜体的上部，用于安装一体流温智能监控装置、中央处理模块、通讯模块、采集模块和供电模块的外接线。
10.根据权利要求5所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述采集模块用于采集与被监控对象有关的相关温控数据，包括温湿度气象、光纤监测、保温监测、混凝土温度，是各类监测传感器引线的接口。
11.根据权利要求2所述的桥梁结构大体积混凝土智能温控系统，其特征在于，所述中央处理模块一方面对所述采集模块采集的数据进行数据处理并将处理后的所述数据传给通讯模块，由通讯模块将数据上传至云服务器进行数据交互；另一方面云服务器下达的控制指令由通讯模块接收后传给中央处理模块，由中央处理模块将控制指令下达给一体流温智能监控装置，实现对一体流温智能监控装置管道内冷却介质温度和流量的调控。
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