一种大体积混凝土分层浇筑过程监测与调控方法与流程

本发明涉及大体积混凝土施工监测调控，具体为一种大体积混凝土分层浇筑过程监测与调控方法。

背景技术：

1、大体积混凝土分层浇筑过程中，温度场和应变场随浇筑层逐层叠加而不断变化，温度梯度、收缩应变和约束状态差异可能引起层间裂缝。现有技术通常在浇筑层内埋设温度传感器和应变传感器，通过数据采集系统获取各测点的温度时序数据和应变时序数据，并根据预设的温度阈值、内外温差值或应变速率限值控制冷却管路中的冷却介质流量。部分方法还结合有限元仿真，以离散测点数据作为边界条件反演浇筑体温度分布。

2、现有技术中，温度传感器和应变传感器采集的数据多以单点或离散点形式存在，缺乏将水平方向的温度分布和应变分布按空间网格及时间顺序进行整体组织的手段，难以形成对浇筑层热-力状态的完整描述。在分层浇筑过程中，已完成浇筑层逐层堆叠，层间温度历史和应变状态差异显著，现有方法无法从热力学势场角度刻画已完成浇筑层的自由能密度变化和梯度分布。冷却控制策略多依赖局部温度阈值或单一测点温差，未将已完成浇筑层密实状态和热力学梯度离差作为反馈量，使得冷却管路调节滞后于分层浇筑体的实际热-力状态变化。现有方法缺少由整体热剖面和应变剖面获得热力学势场梯度的过程，也未将已完成浇筑层的回复力特征和密实度指数纳入冷却流量反馈，导致分层浇筑过程中的温度梯度离差和层间状态失配难以得到有效控制。

技术实现思路

1、针对现有大体积混凝土分层浇筑过程中监测数据以孤立测点为主、冷却调控依赖局部温度阈值、难以反映已完成浇筑层热力学状态和层内梯度离差的问题，本发明提供一种大体积混凝土分层浇筑过程监测与调控方法，利用各浇筑层内埋设的温度传感器阵列和光纤应变传感器阵列获取时序信号，构建整体热剖面张量和应变剖面张量，求解热力学势场梯度，并通过拟弹性回复力函数值和自致密密实度指数形成冷却流量反馈，调节当前浇筑层内部冷却管路调节阀开度。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种大体积混凝土分层浇筑过程监测与调控方法，包括：获取各浇筑层内埋设的温度传感器阵列所采集的温度时序信号和光纤应变传感器阵列所采集的应变时序信号；针对每一个已完成浇筑层，根据该浇筑层的温度时序信号构建该浇筑层的分层热剖面张量，并根据该浇筑层的应变时序信号构建该浇筑层的分层应变剖面张量；将所有已完成浇筑层的分层热剖面张量沿浇筑方向堆叠为整体热剖面张量，并将所有已完成浇筑层的分层应变剖面张量沿浇筑方向堆叠为整体应变剖面张量；以所述整体热剖面张量和所述整体应变剖面张量作为边界约束条件，求解预先建立的浇筑体瞬态热传导偏微分方程组，得到各已完成浇筑层的热力学势场梯度；根据各已完成浇筑层的热力学势场梯度计算各已完成浇筑层在其上表面处的拟弹性回复力函数值，并根据各已完成浇筑层的拟弹性回复力函数值计算已浇筑体的自致密密实度指数；以当前浇筑层的热力学势场梯度和已浇筑体的自致密密实度指数作为反馈输入量，计算当前浇筑层内部冷却管路的冷却介质流量调控值，并根据所述冷却介质流量调控值调节当前浇筑层内部冷却管路的调节阀开度。该方法将温度场和应变场作为整体边界约束条件，通过求解瞬态热传导偏微分方程组获得热力学势场梯度，并以拟弹性回复力和自致密密实度指数作为反馈输入，能够实时感知分层浇筑过程中混凝土内部热力学状态的变化，并对冷却管路进行闭环调节，降低大体积混凝土因温度梯度引起的开裂风险。

3、在本发明的一种实施方式中，构建分层热剖面张量时，数据采集与监视控制系统按照预设的空间采样间距，将每一个已完成浇筑层在水平方向离散化为多个热剖面网格单元；针对每一个热剖面网格单元，将该热剖面网格单元内所有温度传感器在同一采集时刻的温度时序信号取算术平均值，作为该热剖面网格单元的瞬时热响应值；将所有热剖面网格单元在同一采集时刻的瞬时热响应值按照其水平坐标排列为二维热响应矩阵；将连续多个采集时刻的二维热响应矩阵按照时间顺序堆叠，形成该已完成浇筑层的分层热剖面张量。分层应变剖面张量可采用相应的空间离散和时间堆叠方式形成。通过网格化和时间堆叠处理，能够将离散的传感器时序信号转化为可参与偏微分方程求解的张量边界条件，同时降低局部传感器异常波动对整体热状态判断的影响。

4、在本发明的一种实施方式中，以整体热剖面张量和整体应变剖面张量作为边界约束条件求解浇筑体瞬态热传导偏微分方程组时，将整体热剖面张量中的各元素值分别赋值给边界温度约束矩阵中对应位置的元素；将整体应变剖面张量中的各元素值分别赋值给边界应变约束矩阵中对应位置的元素；采用交替方向隐式差分格式对赋值后的浇筑体瞬态热传导偏微分方程组进行数值离散化处理，并通过追赶法求解离散化后的三对角方程组，得到各已完成浇筑层内各节点处的温度场数值解；根据各节点处的温度场数值解，通过热弹性本构方程计算各已完成浇筑层的热力学势场梯度。交替方向隐式差分格式结合追赶法求解，能够在保证数值稳定性的同时提高计算速度，适应大体积混凝土分层浇筑过程中实时监测与调控的需求。

5、进一步的，根据各节点处的温度场数值解计算热力学势场梯度时，针对每一个已完成浇筑层，将该浇筑层内所有节点的温度场数值解代入预先标定的热弹性本构方程，计算各节点的自由能密度值；采用中心差分格式计算该浇筑层内各节点的自由能密度值在竖直方向上的偏导数；将该浇筑层内所有节点的竖直方向上的偏导数按节点坐标排列为三维梯度矩阵，作为该已完成浇筑层的热力学势场梯度。该三维梯度矩阵能够精细反映各浇筑层内部沿竖直方向的热力学势变化梯度，为判断浇筑层上表面的回复力状态提供基础。

6、在本发明的一种实施方式中，根据各已完成浇筑层的热力学势场梯度计算各已完成浇筑层在其上表面处的拟弹性回复力函数值时，针对每一个已完成浇筑层，从该已完成浇筑层的热力学势场梯度中提取该浇筑层上表面处所有节点的热力学势场梯度值；计算该浇筑层上表面处所有节点的热力学势场梯度值的弗罗贝尼乌斯范数，得到该已完成浇筑层的梯度综合幅值；将该梯度综合幅值与上一采集时刻该已完成浇筑层的梯度综合幅值相减，得到该已完成浇筑层的梯度变化速率；以该梯度综合幅值作为拟弹性模量因子，以该梯度变化速率作为黏滞阻尼因子，将拟弹性模量因子与黏滞阻尼因子的乘积作为该已完成浇筑层在其上表面处的拟弹性回复力函数值。通过拟弹性模量因子与黏滞阻尼因子的组合，能够同时考虑热力学势场幅值及其变化速率对浇筑层上表面回复力的影响，使回复力评价更加贴近混凝土的黏弹性力学行为。

7、在本发明的一种实施方式中，根据各已完成浇筑层的拟弹性回复力函数值计算已浇筑体的自致密密实度指数时，将各已完成浇筑层的拟弹性回复力函数值按照该已完成浇筑层的厚度进行加权求和，得到已浇筑体的加权回复力总和；将各已完成浇筑层的厚度之和除以已浇筑体的总高度，得到已浇筑体的高度归一化系数；将加权回复力总和与高度归一化系数相乘，得到已浇筑体的平均回复力密度；将当前采集时刻已浇筑体的平均回复力密度与初始采集时刻已浇筑体的平均回复力密度的比值作为已浇筑体的自致密密实度指数。该指数通过厚度加权和高度归一化处理，能够更准确地反映已浇筑体在热力学作用下的整体密实程度变化，为冷却调控提供稳定的反馈量。

8、在本发明的一种实施方式中，计算当前浇筑层内部冷却管路的冷却介质流量调控值时，从当前浇筑层的热力学势场梯度中提取当前浇筑层中心区域节点和边缘区域节点的热力学势场梯度值，将中心区域节点的热力学势场梯度值取平均得到中心梯度均值，将边缘区域节点的热力学势场梯度值取平均得到边缘梯度均值；将中心梯度均值与边缘梯度均值相减，得到当前浇筑层的层内梯度离差量；将层内梯度离差量乘以预设的梯度离差增益系数，得到第一流量调控分量；将已浇筑体的自致密密实度指数减去预设的密实度目标值，得到密实度偏差量，将密实度偏差量乘以预设的密实度增益系数，得到第二流量调控分量；将第一流量调控分量与第二流量调控分量相加，得到当前浇筑层内部冷却管路的冷却介质流量调控值。通过同时引入层内梯度离差量和密实度偏差量，能够兼顾当前浇筑层温度均匀性控制与已浇筑体整体密实度控制，提高冷却管路调节的针对性和稳定性。

9、在本发明的一种实施方式中，在采用交替方向隐式差分格式对赋值后的浇筑体瞬态热传导偏微分方程组进行数值离散化处理时，交替方向隐式差分格式的时间步长和空间步长的确定方式为：数据采集与监视控制系统获取当前已完成浇筑层的分层热剖面张量中时间维度的采样间隔，将采样间隔作为交替方向隐式差分格式的时间步长初始值；获取当前已完成浇筑层的分层热剖面张量中水平方向的网格间距和竖直方向的层间间距，将网格间距作为交替方向隐式差分格式的水平空间步长，将层间间距作为交替方向隐式差分格式的竖直空间步长；将当前已完成浇筑层的热剖面时间变化率张量的所有元素值取平方后求和再开方，得到当前已完成浇筑层的热剖面波动强度；根据热剖面波动强度对时间步长初始值进行缩放处理，将缩放后的时间步长值作为交替方向隐式差分格式的最终时间步长。根据热剖面波动强度自适应调整时间步长，能够在热状态变化剧烈时提高时间分辨率，在热状态平稳时提高计算效率，保证数值求解精度和稳定性。

10、优选的，热弹性本构方程中的材料热膨胀系数和弹性模量参数根据当前已完成浇筑层的实时龄期从预先存储的龄期-参数关系曲线中查表获得。通过使用随龄期变化的材料参数，能够更准确地模拟混凝土早龄期热力学性能的演变过程，提高热力学势场梯度的计算可靠性。

11、优选的，在将各已完成浇筑层的拟弹性回复力函数值按照该已完成浇筑层的厚度进行加权求和时，各已完成浇筑层的厚度权值还乘以与该浇筑层当前龄期相关的凝固程度修正系数，凝固程度修正系数随龄期增加而单调递增并趋于1。引入凝固程度修正系数后，能够计入不同浇筑层因龄期不同导致的凝固程度差异，使自致密密实度指数更合理地反映各层对整体密实度的实际贡献。

12、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

13、将各已完成浇筑层按温度时序信号构建为分层热剖面张量，将应变时序信号构建为分层应变剖面张量，并沿浇筑方向堆叠为整体热剖面张量和整体应变剖面张量，再作为边界约束条件求解浇筑体瞬态热传导偏微分方程组，得到各已完成浇筑层的热力学势场梯度。该方式将水平方向离散的传感器阵列数据按空间网格、时间序列和竖直层位进行张量组织，使温度场和应变场在空间与时间上形成连续约束，而不是以孤立测点值作为判断依据；求解得到的热力学势场梯度能够反映层内和层间的自由能密度变化，直接表征分层浇筑体的热-力耦合状态，冷却调控可直接利用与热力学状态关联的梯度量。相对于仅以单点温度或温差作为控制依据，该热力学势场梯度来自对温度场和应变场的整体张量约束，能够更完整地反映浇筑层内部的梯度分布和自由能密度变化，减小局部异常对调控过程的干扰。

14、以当前浇筑层的热力学势场梯度和已浇筑体的自致密密实度指数作为反馈输入量，计算冷却介质流量调控值并调节调节阀开度。其中，拟弹性回复力函数值由热力学势场梯度综合幅值与梯度变化速率相乘得到，自致密密实度指数由各已完成浇筑层拟弹性回复力函数值经厚度加权和高度归一化后与初始平均回复力密度比较得到，当前浇筑层层内中心梯度均值与边缘梯度均值之差形成层内梯度离差量，密实度偏差量由自致密密实度指数与目标值比较得到。冷却介质流量调控值由层内梯度离差量和密实度偏差量共同确定，使冷却管路调节能够同时响应当前层内部梯度分布和已完成浇筑层的密实状态变化。相对于仅依赖温度阈值的控制方式，该反馈调节过程将已完成浇筑层的热力学状态纳入当前层冷却控制，有利于降低分层浇筑过程中的温度梯度集中和层间状态失配，减小温度裂缝发生的可能性。