專利名稱：基于冷卻通水監(jiān)測的計(jì)算大體積混凝土等效溫度場的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大體積混凝土施工期間對冷卻通水的監(jiān)測方法及對等效溫度場的計(jì)算模擬方 法。
背景技術(shù)：
鋪設(shè)冷卻水管作為大體積混凝土溫度控制中的一項(xiàng)重要措施，能夠有效地限制混凝土內(nèi)部的溫度峰值，控制溫度的發(fā)展過程，在現(xiàn)代化大體積混凝土施工中扮演著不可或缺的角色。大量學(xué)者曾開展了對其計(jì)算方法的相關(guān)研究，其中，國際上以美國墾務(wù)局為代表，在胡佛重力拱壩等早期大型混凝土壩的建設(shè)過程中推導(dǎo)了一系列長埋水管問題的理論角軍法(Bureau of Reclamation, Cooling of concrete dams:final reports, Bureau ofReclamation, 1949),國內(nèi)則以朱伯芳為代表,提出了水管冷卻的等效熱傳導(dǎo)方程(朱伯芳，考慮水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導(dǎo)方程，水利學(xué)報(bào)，1991)及有限元解法(ZHU Bofang,CAI Jianbo,Finite element analysis of effect of pipe cooling in concrete dams，Journal of Construction Engineering and Management，1989)等，在工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在上述工作的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者也對考慮冷卻水管的大體積混凝土的溫度場計(jì)算方法提出了一系列改進(jìn)。(劉寧，劉光廷等，水管冷卻效應(yīng)的有限元子結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)，水利學(xué)報(bào)，1997 ；Myers T，F(xiàn)owkes N，Ballim Y. Modeling the Cooling of Concrete by PipedWater, Journal of Engineering Mechanics，2009 ;Kim JK, Kim KH, Yang JK, Thermalanalysis of hydration heat in concrete structures with pipe-cooling system,Computers & Structures, 2001 ；Jian Yang, Yu Hu，Zheng Zuo，Thermal analysis ofmass concrete embedded with double-layer staggered heterogeneous cooling waterpipes，Applied Thermal Engineering，2012)傳統(tǒng)上，由于施工成本、技術(shù)水平的限制，對施工期大體積混凝土的監(jiān)測項(xiàng)目有限，冷卻信息方面并沒有一套系統(tǒng)成熟的監(jiān)測與數(shù)據(jù)應(yīng)用方法，大部分工程以往僅僅粗略地控制冷卻水源的溫度。上述提及的計(jì)算方法也基于此，這些計(jì)算方法通過建立混凝土溫度與冷水進(jìn)水溫度的熱傳導(dǎo)關(guān)系，理論推導(dǎo)或簡化求解得出水管帶走的熱量。由于推導(dǎo)過程中對一些條件進(jìn)行了假設(shè)，計(jì)算的精確性很大程度上取決于計(jì)算參數(shù)的選取。伴隨著現(xiàn)代大體積混凝土工程的溫度控制精細(xì)化、質(zhì)量管理過程化的發(fā)展趨勢，對冷卻通水信息的監(jiān)測內(nèi)容也逐步豐富，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)水、出水溫度的全程同步監(jiān)測已無技術(shù)阻礙，但如何正確監(jiān)測與應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，尚未有明確的規(guī)范與流程進(jìn)行系統(tǒng)指導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于冷卻通水監(jiān)測的計(jì)算大體積混凝土等效溫度場的方法，從而可以實(shí)現(xiàn)對施工期混凝土溫度場的模擬計(jì)算。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，該方案包括如下步驟I)建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)包含混凝土材料信息表、混凝土燒筑信息表、冷卻通水記錄表和計(jì)算信息表；2)通過實(shí)驗(yàn)測得工程中使用的至少一種混凝土的材料編號(hào)、比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及水化熱參數(shù)，并錄入至混凝土材料信息表中；3)施工過程中，在燒筑每個(gè)混凝土倉時(shí)記錄其混凝土倉號(hào)、材料編號(hào)、燒筑時(shí)間、澆筑溫度和澆筑體積，并錄入至混凝土澆筑信息表中；4)設(shè)定數(shù)據(jù)采集時(shí)間步長A T，通過以下兩種技術(shù)手段對混凝土施工期的冷卻通水進(jìn)行監(jiān)測i)在每個(gè)混凝土倉的冷卻水管進(jìn)出口位置布設(shè)數(shù)字溫度傳感器與數(shù)字流量計(jì)，數(shù)字流量計(jì)采用具有雙向測流量功能的數(shù)字流量計(jì)，或采用兩個(gè)不同向的單向數(shù)字流量計(jì)，并通過數(shù)據(jù)線連接到工控機(jī)上，按照A T采集進(jìn)出口通水溫度和通水流量qw，水溫低的設(shè)定為進(jìn)口通水溫度Tw_in，水溫高的設(shè)定為出口通水溫度Tw_wt，并將混凝土倉號(hào)、測量時(shí)間T、進(jìn)口通水溫度Tw_in、出口通水溫度和通水流量qw錄入至冷卻通水記錄表中；·ii)在每個(gè)混凝土倉的冷卻水管進(jìn)出口位置布設(shè)水龍頭與水表，按照A T人工讀
取水表讀數(shù)，記錄T w時(shí)間內(nèi)水表增加的水量\，計(jì)算通水流量I =—，人工打開進(jìn)出水管
的水龍頭，利用溫度計(jì)測量進(jìn)出口通水溫度，水溫低的設(shè)定為進(jìn)口通水溫度Tw_in，水溫高的設(shè)定為出口通水溫度T ut，并將混凝土倉號(hào)、測量時(shí)間T、進(jìn)口通水溫度！；，、出口通水溫度和通水流量qw錄入至冷卻通水記錄表中；5)計(jì)算各個(gè)測量時(shí)間T上的吸收熱量速率p (T)
_ 4] Q^(T) = PwCw [Tw_m(r) — Tw^om(T)]qw(r)(a)其中^￥代表水的密度，(^代表水的比熱，1^(0、1；__(0 ^Pqw(T)分別代表測量時(shí)間T的進(jìn)口通水溫度、出口通水溫度和通水流量，將式(a)計(jì)算得到的(r)與混凝土倉號(hào)、測量時(shí)間T錄入至計(jì)算信息表中；6)基于吸收熱量速率(_) (D，利用式(b)，通過有限元方法或有限差分法，對大體積混凝土的等效溫度場進(jìn)行求解
「 n dT Xc (d2T d2T d2T~) dd{1) Q (t),— = ~￡--7+~7+~~—+(b)
dt PcCiXdx2 d}'2 dz2 J dt pcccVc1 ；其中，各符號(hào)的意義為T為混凝土溫度，t為時(shí)間，x、y、z為直角坐標(biāo)系，入c為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，P。為混凝土密度，C。為混凝土比熱，V。為混凝土倉的體積，(；)(/)為r = /時(shí)的吸收熱量速率，9 (t)為水化熱函數(shù)。本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對施工期間大體積混凝土的冷卻通水實(shí)現(xiàn)了全程監(jiān)測，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)提出的基于冷卻通水監(jiān)測的計(jì)算大體積混凝土等效溫度場的方法，能夠精確得到水管的吸收熱量，無需前處理時(shí)建立復(fù)雜的模型，為了解施工期大體積混凝土的溫度發(fā)展?fàn)顟B(tài)提供了理論基礎(chǔ)。


圖I為冷卻通水?dāng)?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖2為采用數(shù)字流量計(jì)的冷卻通水監(jiān)測系統(tǒng)布置圖。圖3為采用人工方式的冷卻通水監(jiān)測系統(tǒng)布置圖。圖4為實(shí)施例中的吸收熱量速率計(jì)算結(jié)果圖。圖5為實(shí)施例中的有限元網(wǎng)格模型圖，圖中尺寸單位為m。圖6為實(shí)施例中的計(jì)算溫度與實(shí)測溫度的對比圖。其中1-混凝土倉；2_混凝土內(nèi)部冷卻水管；3_進(jìn)水管；4_出水管；5_數(shù)字溫度傳感器；6_數(shù)字流量計(jì)；7_水龍頭；8-水表；9_工控機(jī)(數(shù)據(jù)采集單元)；10_數(shù)據(jù)連線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式I)首先建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)包含混凝土材料信息表、混凝土澆筑信息表、冷卻通水記錄表和計(jì)算信息表，各個(gè)數(shù)據(jù)表中的信息組織形式如圖I所示，圖中下劃線表示的是該表中的主鍵。2)通過實(shí)驗(yàn)測得工程中使用的至少一種混凝土的材料編號(hào)、比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及水化熱參數(shù)，并錄入至混凝土材料信息表；其中，通過相關(guān)的測定儀器在室內(nèi)試驗(yàn)中可測得比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)，通過絕熱溫升試驗(yàn)可測得水化熱曲線，進(jìn)行一定的擬合后得到相關(guān)的水化熱參數(shù)，一般工程中，應(yīng)用指數(shù)形式的水化熱曲線較多，即0 (x)=0o(l-e-mT)(a)其中，0 (T)為T齡期的水化熱溫升值，Qtl為最終絕熱溫升值，m水化熱速率常數(shù)；得到上述的信息后，記錄至混凝土材料信息表中；3)施工過程中，在澆筑每個(gè)混凝土倉時(shí)記錄其混凝土倉號(hào)、材料編號(hào)、澆筑時(shí)間、澆筑溫度和澆筑體積，并錄入至澆筑信息表；4)設(shè)定監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集時(shí)間步長A T，一般取為ld，或6h，通過以下兩種技術(shù)手 段對混凝土施工期的冷卻通水進(jìn)行監(jiān)測i)經(jīng)濟(jì)條件充裕的話，在每個(gè)混凝土倉的冷卻水管進(jìn)出口位置布設(shè)數(shù)字溫度傳感器與數(shù)字流量計(jì)，如圖2所示，并將數(shù)據(jù)線連接到工控機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，需要注意的是，由于冷卻通水需要定時(shí)換向，此處的流量計(jì)要求具有雙向測流量的功能，否則可以設(shè)置兩個(gè)不同向的單向流量計(jì)或?qū)艿馈⒘髁坑?jì)進(jìn)行其它改造，以使其具備對正反向通水的測量能力；通過編制程序使其按照設(shè)定的時(shí)間步長△ T實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集進(jìn)出口通水溫度與通水流量qw，由于存在通水換向，每次讀取得到的兩個(gè)水溫值應(yīng)判斷大小關(guān)系，水溫低的設(shè)定為進(jìn)口通水溫度Tw_in，水溫高的設(shè)定為出口通水溫度Tw_wt，即存入數(shù)據(jù)庫的值應(yīng)滿足UT1^ut ;并將混凝土倉號(hào)、測量時(shí)間T、進(jìn)口通水溫度Tw_in、出口通水溫度Tw_wt與通水流量qw自動(dòng)錄入至數(shù)據(jù)庫中的通水冷卻信息記錄表；ii)如經(jīng)濟(jì)條件較緊張，則在每個(gè)混凝土倉的冷卻水管進(jìn)出口位置布設(shè)水龍頭與水表，如圖3所示，按照設(shè)定的時(shí)間步長△ T，人工讀取水表讀數(shù)，記錄一定時(shí)間Tw內(nèi)水表
增加的水量Vw，計(jì)算流量I =&，人工打開進(jìn)出水管的水龍頭，利用水銀溫度計(jì)測量進(jìn)出口
水溫，由于存在通水換向，應(yīng)判斷讀取得到的兩個(gè)水溫值的大小關(guān)系，水溫低的設(shè)定為進(jìn)口通水溫度Tw_in，水溫高的設(shè)定為出口通水溫度Tw_wt，準(zhǔn)確記錄在案，并將混凝土倉號(hào)、測量時(shí)間T、進(jìn)口通水溫度!；，、出口通水溫度Tw_wt與通水流量qw錄入至數(shù)據(jù)庫中的通水冷卻信息記錄表；5)計(jì)算各個(gè)測量時(shí)間T上的吸收熱量速率(} (r)O (r) = P,c.,[i'K ", (r) - Tv (r)] qH.{r)(b)其中，Pw代表水的密度，一般取1000kg/m3，Cw代表水的比熱，一般取4. 183kJ/kg° C，Tw_in( T ) ,Tw_out ( O和qw ( T )分別代表測量時(shí)間T的進(jìn)口通水溫度、出口通水溫度和通水流量，將上式計(jì)算得到的0—(r)按照測量時(shí)間存入計(jì)算信息表中，這里的0—(r)應(yīng)為負(fù)值，表示混凝土在單位時(shí)間內(nèi)被冷卻水管吸收的熱量；6)基于吸收熱量速率，利用下式，通過有限元方法或有限差分法，對大體積混凝土的等效溫度場能夠進(jìn)行求解 r n BT A.. rO2T Ci1T 約、() (I)— = ~￡--- + ~~~—+ ^(C)
dt pccc Iv Sr dy' dz J dt PcCcVc其中，各符號(hào)的意義為T為混凝土溫度，t為時(shí)間，\。為導(dǎo)熱系數(shù)，P。為混凝土密度，C。為混凝土比熱，V。為混凝土倉的體積，(7)代表T =t時(shí)的吸收熱量速率，由數(shù)據(jù)庫中的計(jì)算信息表得到，e (t)水化熱函數(shù)，具體的函數(shù)形式由步驟2)中決定，具體的參數(shù)可由混凝土材料信息表中得到；上述的等效溫度場指在平均意義上考慮水管冷卻效果的混凝土溫度場。利用上述基本公式，可以對大體積混凝土等效溫度場進(jìn)行求解，以有限元法為例，
在不考慮冷卻水管與水化熱源的常規(guī)熱傳導(dǎo)問題的基礎(chǔ)上，對每個(gè)混凝土單元考慮一個(gè)熱/■ * _ . \
源項(xiàng)AA，即可實(shí)現(xiàn)對大體積混凝土等效溫度場的求解計(jì)算。
I 出 PcCc^c J基于吸收熱量速率^—(r)，還可以對混凝土倉的平均溫度進(jìn)行計(jì)算或?qū)釋W(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析忽略邊界散熱條件的影響，利用式(d)對混凝土倉的平均溫度能夠進(jìn)行近似計(jì)算TJt + At) = TJt) + 0\t)M + O (t)At / pcccVc(d)其中，A t代表計(jì)算時(shí)間步長，Tm(t)、Tm(t+A t)代表t、t+A t時(shí)間的混凝土倉平均溫度，9 ’(t)代表水化熱函數(shù)在時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)；計(jì)算時(shí)自澆筑時(shí)間起開始計(jì)算，初始溫度定為澆筑溫度，澆筑時(shí)間、澆筑溫度由混凝土澆筑信息表中得到；上式中忽略了邊界散熱條件的影響，對于混凝土倉內(nèi)部的平均溫度而言，影響較?。粚τ谝恍釋W(xué)參數(shù)尚不清楚的工程情況，或欲對工程現(xiàn)場混凝土的熱學(xué)參數(shù)進(jìn)一步摸清，可通過在混凝土倉內(nèi)埋設(shè)混凝土測溫傳感器，選取若干組不同的熱學(xué)參數(shù)組，利用式(d)，分別進(jìn)行計(jì)算，比較不同參數(shù)組的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測溫度結(jié)果，最為接近的則為所需的熱學(xué)參數(shù)組，如具備一定的數(shù)學(xué)工具，也可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對上述結(jié)果進(jìn)一步分析。實(shí)施例在具體的實(shí)施中，針對某施工期大型混凝土壩工程中的一個(gè)混凝土倉，展開了相關(guān)試驗(yàn)，該倉混凝土澆筑體積4358m3，在該倉冷卻水管的進(jìn)、出口位置布設(shè)了水龍頭與水表，自該倉澆筑后，每6小時(shí)安排監(jiān)測人員人工采集進(jìn)出口的通水溫度及通水流量，記錄在案，隨后返回辦公室錄入數(shù)據(jù)庫中。試驗(yàn)時(shí)間自澆筑日期起，至該倉澆筑后237天止。對該工程混凝土的室內(nèi)試驗(yàn)，測得混凝土的比熱為0. 985kJ/kg ° C，密度為2663kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為7. 70kJ/mh° C，由于采用的配合比中含有一定參量的粉煤灰，試驗(yàn)測得水化熱曲線采用雙指 數(shù)形式擬合效果較好，即0 =⑷，其中，9 !=24. 0，In1=O. 392，9 2=12. 5，m2=0. 105。利用& (r) = p人[7:. ,,(T)-Tv ,)w(r)]c/ .(r)，可以通過數(shù)據(jù)庫中的冷卻通水記錄信
息，自動(dòng)計(jì)算各個(gè)測量時(shí)間點(diǎn)的吸收熱量速率，并自動(dòng)更新數(shù)據(jù)庫中的計(jì)算信息表，試驗(yàn)期間的(_) 0)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。采用有限元軟件，對該實(shí)際工程問題建模并按照基于冷卻通水監(jiān)測的計(jì)算大體積混凝土等效溫度場的方法求解，采用的有限元軟件為MSC. Marc，利用其中的熱源接口flux, f，將各增量步的水化熱產(chǎn)生的熱量與(「)作為熱源添加到各個(gè)混凝土單元上。本例中的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示，圖中單位為m，共劃分六面體單元756個(gè)，結(jié)點(diǎn)1064個(gè)，澆筑后22天內(nèi)上部表面裸露，設(shè)為對空氣的散熱條件，氣溫取自當(dāng)?shù)貙?shí)測資料。為了驗(yàn)證結(jié)果的正確性，在該倉混凝土中埋設(shè)了溫度傳感器對混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果錄入至數(shù)據(jù)庫中。輸出該倉混凝土內(nèi)部點(diǎn)的時(shí)間-溫度結(jié)果，并與監(jiān)測得到的實(shí)測結(jié)果對比，二者基本一致，如圖6所示，說明了基于冷卻通水監(jiān)測的計(jì)算大體積混凝土等效溫度場的方法的正確性與可行性。
權(quán)利要求
1.一種基于冷卻通水監(jiān)測的計(jì)算大體積混凝土等效溫度場的方法，其特征在于該方法包括如下步驟 .1)建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)包含混凝土材料信息表、混凝土澆筑信息表、冷卻通水記錄表和計(jì)算信息表； .2)通過實(shí)驗(yàn)測得工程中使用的至少一種混凝土的材料編號(hào)、比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)以及水化熱參數(shù)，并錄入至混凝土材料信息表中； .3)施工過程中，在澆筑每個(gè)混凝土倉時(shí)記錄其混凝土倉號(hào)、材料編號(hào)、澆筑時(shí)間、澆筑溫度和澆筑體積，并錄入至混凝土澆筑信息表中； .4)設(shè)定數(shù)據(jù)采集時(shí)間步長△T，通過以下兩種技術(shù)手段對混凝土施工期的冷卻通水進(jìn)行監(jiān)測 i)在每個(gè)混凝土倉的冷卻水管進(jìn)出口位置布設(shè)數(shù)字溫度傳感器與數(shù)字流量計(jì)，并通過數(shù)據(jù)線連接到工控機(jī)上，按照A T采集進(jìn)出口通水溫度和通水流量qw，水溫低的設(shè)定為進(jìn)口通水溫度Tw_in，水溫高的設(shè)定為出口通水溫度Tw_wt，并將混凝土倉號(hào)、測量時(shí)間T、進(jìn)口通水溫度Tw_in、出口通水溫度和通水流量qw錄入至冷卻通水記錄表中； ii)在每個(gè)混凝土倉的冷卻水管進(jìn)出口位置布設(shè)水龍頭與水表，按照AT人工讀取水表讀數(shù)，記錄Tw時(shí)間內(nèi)水表增加的水量Vw，計(jì)算通水流量人工打開進(jìn)出水管的 Tw水龍頭，利用溫度計(jì)測量進(jìn)出口通水溫度，水溫低的設(shè)定為進(jìn)口通水溫度Tw_in，水溫高的設(shè)定為出口通水溫度Tw_wt，并將混凝土倉號(hào)、測量時(shí)間T、進(jìn)口通水溫度Tw_in、出口通水溫度Tw_out和通水流量qw錄入至冷卻通水記錄表中； .5)計(jì)算各個(gè)測量時(shí)間T上的吸收熱量速率(r); C)⑴=AA,.[7;, Jd'.馳⑴k,⑴(a、 其中，P w代表水的密度，Cw代表水的比熱，Tw_in (O、Tw_out ( O和qw ( T )分別代表測量時(shí)間T的進(jìn)口通水溫度、出口通水溫度和通水流量，將式(a)計(jì)算得到的(r)與混凝土倉號(hào)、測量時(shí)間T錄入至計(jì)算信息表中； .6)基于吸收熱量速率(_)(J)，利用式(b)，通過有限元方法或有限差分法，對大體積混凝土的等效溫度場進(jìn)行求解 其中，各符號(hào)的意義為T為混凝土溫度，t為時(shí)間，x、y、z為直角坐標(biāo)系，入。為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，P。為混凝土密度，Cc為混凝土比熱，Vc為混凝土倉的體積，(_)⑴為T =t時(shí)的吸收熱量速率，9 (t)為水化熱函數(shù)。
2.按照權(quán)利要求I所述的基于冷卻通水監(jiān)測的計(jì)算大體積混凝土等效溫度場的方法，其特征在于所述的數(shù)字流量計(jì)采用具有雙向測流量功能的數(shù)字流量計(jì)，或采用兩個(gè)不同向的單向數(shù)字流量計(jì)。
全文摘要
基于冷卻通水監(jiān)測的計(jì)算大體積混凝土等效溫度場的方法，涉及大體積混凝土施工期間對冷卻通水的監(jiān)測方法及等場的計(jì)算方法。本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過布設(shè)相關(guān)監(jiān)測儀器，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提出了一套冷卻水管吸收熱量的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對施工期混凝土等效溫度場的仿真模擬計(jì)算。該方法系統(tǒng)給出了混凝土工程冷卻通水的全程監(jiān)測—數(shù)據(jù)管理—計(jì)算模擬體系，在該方法的指導(dǎo)下能夠深入了解施工期大體積混凝土的溫度發(fā)展?fàn)顟B(tài)。
文檔編號(hào)G01K3/10GK102721480SQ20121021764
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者周紹武, 左正, 李慶斌, 林鵬, 汪志林, 羅丹旎, 胡昱 申請人:中國長江三峽集團(tuán)公司, 清華大學(xué)