混凝土施工期防裂自动温控模型

Jeffery007

1前言

混凝土结构是最常见的建筑结构，它广泛应用在交通、水利、海洋工程等重要领域。混凝土施工中，混凝土开裂问题一直是各国工程师关注的焦点。它不仅会从影响建筑结构的外观，严重的会影响结构后期正常使用的适应性，甚至会危及结构的安全性。从大量的研究结论和工程实践证明，施工中混凝土内外温差的温度应力是造成混凝土开裂主要原因[1]。朱伯芳、朱岳明、张国新等学者对大体积混凝土温度应力与温度控制进行了系统的研究，指出如何控制混凝土内外温差是解决这一问题关键[2-4]，得出只要方法得当就能有效解决混凝土开裂问题，公认混凝土结构内部水管通水降温和外部盖保温材料保温是应用最广的温控方法。但由于影响混凝土结构温度的控制因素较多，包括施工进度、混凝土特性、温控措施、施工气候条件等[5]。目前这些混凝土温控是多在人工的基础上，现场测温人员得出温度数据，对温度数据进行分析然后再在进行温控措施，由于在实际施工过程中混凝土的进度的变化，水泥特性变化，气候条件变化都会影响温控的效果，现场人员的决策水平和经验很重要，受人为因素干预较大。如何及时控制，动态仿真和实时监控，并采用自动分析和调节温度的功能显得很重要。近年计算和电子技术的飞速发展，自控在各个领域得到了广泛的应用，如桥梁的健康自动监测[6]、大坝的安全自动监控[7]，本文将计算机控制技术应用到混凝土结构施工温控防裂中，对混凝土结构动态仿真和实时监控，实现在施工过程中对混凝土内部温度的自动控制。

2温控系统主要技术

混凝土自动温控系统，涉及到土木工程与电子通讯、计算机等多个领域，主要技术包括温度传感器技术、无线电传输技术、输水管通水降温技术、数值仿真技术。
2.1温度传感器
温度传感器利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器，它是温度测量的核心部分，品种繁多。目前温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，如 DALLAS半导体公司DS1624型高分辨力智能温度传感器，测温精度为±0.2°C。在混凝土温度测量中，采用智能温度传感器具有高精度、高可靠性及安全性特点。
2.2.无线数据传输技术
无线数据传输是指利用无线传输模块将工业现场设备输出的各种物理量进行远程传输，由于施工现场环境复杂，采用无线数据传输由于不需要布设线缆和无线传输本身的许多优点，安装成本非常低廉，维护成本也低。近年公用无线通信事业发展，GPRS技术，使用非常灵活，只需在监测点和控制中心配有具GPRS技术功能的通信单元并进行适当连接调试即可，非常适合应用于混凝土温度自动化监测中。
2.3. 输水管通水降温技术
       由于混凝土施工中早期凝结，多种化学物质和水发生反应产生水化热，这些热量在混凝土内部集聚，使得内部混凝土温度不断升高，这样内外混凝土就形成了温度应力，到温度应力大于混凝土强度时，混凝土就会产生裂缝。为解决这一问题，在混凝土内部埋入一定量的水管，在水管内通入冷却水控制混凝土的温度，来消除温度应力形成的裂缝[8]。
2.4.数值模拟仿真技术
有限元技术现趋于成熟，它广泛应用在结构的仿真模拟，并在混凝土施工期温控的防裂方面取得了成功。它不仅能对施工现场进行真实模拟，而且仿真效果明显，同时很多学者不断提出新的算法并得到采用，如水管计算的精确算法等[9-10]。

3 温控系统的设计

图1  自动监控系统结构图

整个自动化监控系统结构如图1所示，由总控中心、GPRS通信单元、多点温度测量单元，通水开关单元组成。四个单位各自承担不同的任务，温度测量单元是测量混凝土内部温度点值 ，它将电信号转化成数字型号，并发送温度测量值和接收测量信息给通信单元。通水开关单元是控制混凝土内部水管通水控制，并发送水管的通水状态信息给通信单元。GPRS通信单元是连接总控中心、通水快关单元、温度测量单元，负责单元间通信联络。总控单元是分析单元实时结构的温度场和应力场状态，判断是否通水，发出和接收测量信息，以及是否结束测温等操作。
混凝土自动温控系统的工作时，刚开始由总控发出通水信息和测温信息，分别给通水控制单元和测温单元，当通水控制单元接收到通水命令后开始通水降温，而测温单元接收到测温信息后便开始测温。测温单位将测点的温度数据发送给总控，总控根据实测的温度值，反演计算出混凝土的实际热动参数，这样准确计算出混凝土结构实际温度场和应力场。然后自动选取出结构中的典型点，通过典型点的温度应力值与设定的值大小比较，当小于这个设定值时我们就停止通水，否则就继续通水重复以前工作。如果停止通水，我们就计算浇注时间是否已经达到了28天了，结束所有的温控工作，否则计算结构的应力场，再通过自动选取的典型点的混凝土强度值与温度应力值得出比较值，当比较值小于安全系数时，总控发出通水命令，相反则继续保持停水状态。如此循环直到，浇注时间达到28后，再结束所有的温控工作，混凝土自动监控系统工作简易流程如图2所示。

图2  自动监控系统工作流程图

总的说来，实现自动化监控从传感元件所测电信号经采集系统转化为数字信号，再通过无线通讯方式传输到总控中心处理分析的过程。总控中心，实时控制采集频率，根据监测对温度值，分析施工后结构温度场与应力场结构是否进行通水。

4 总结与建议

1.        目前混凝土温控防裂，一般都是在人工的基础上，自动化程度不高，本文将温度传感器技术、无线电传输技术、输水管通水降温技术、数值仿真技术结合起来建立了混凝土温控防裂自动监控系统模型，实现对混凝土温控防裂自动监控。
2.        温控过程中，混凝土外表面的适时覆盖保温材料，这样降温幅度不大，比单纯的只使用水管降温效果好，可有效降低混凝土开裂的风险。
3.        自动监控系统使用中可灵活变换，结合施工现场情况，例如在布线难度很小的地方，无线传输也可直接换用有线传输。
4.        自动温控系统对施工期监控混凝土防裂，可以拓展成全周期的混凝土温度监控，在运行期与其它监测手段并行对建筑物的健康监控。

参考文献:

[1] Schutter G D．Finite element simulation of thermal cracking in massive hardening concrete elements using degree of hydration based material laws[ J]．Computers and Structures，2002，80(27)：2035—2042．

[2] Zhu Bofang．Thermal Stresses and Temperature Control of  Mass Concrete [M]．Beijing：China Electric Power

Press．1998(in Chinese).

[3] ZHU Yue-ming ，HE Jin-ren，XIAO Zhi-qiao，etc．Calculation and experimental comparison of temperature field 0f embedded cooling water pipes and their application [J]．Journal of  Hohai University(Natural Science，2003，31(6)：626—630．

[4] Zhu Yue-ming，Liu You-zhi．etc．Analysis of water cooling pipe system in mass concrete[A]．In：Proceedings of the 4th International Conference on Dam Engineering[C]，Published by：A．A．Balkema Publishers，a member of Tabor &Francis Group plc，London，UK．2004．1105一l1l0．

[5] ZHU Bo-fang, ZHANG Guo-xin,  XU Ping，et1．Decision making support system for temperature and stress control of high concrete dams in construction period [J]．Journal of Hydraulic Engineering， 2008，39(1)：1—6．

[6] ZHANG  Qi-wei．Conception of Long-span Bridge Health Monitoring and Monitoring System Design [J]． Journal of  Tongji University， 2001，29(1)：66—69．

[7] Lu  Gang．Development of Automatic Safety Monitoring System for Dam in China[J]．Dam Observation and Geotechnical Tests， 1996，20(1)：3—7．

[8] ZHU Bo-fang. On pipe cooling of concrete dams [J]．Journal of Hydraulic Engineering.2010,41（05）.  505–513.

[9] ZHU Bo-fang. Finite element analysis of the effect of pipe cooling in concrete dams [J]．Journal of Hydraulic Engineering.1985,16（05）. 27–36.

[10] WANG Zhen-hong ，ZHANG Guo-xin，LIU Yi，etc，Study on Temperature Control and Crack Prevention of High-performance Slag Concrete Structureduring Construction [C]． International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), Wuhan, China. 2010．1219 - 1223