一种大体积混凝土施工温度裂缝安全预警方法与流程

本发明属于大体积混凝土施工温度裂缝安全预警，具体而言，涉及一种大体积混凝土施工温度裂缝安全预警方法。

背景技术：

1、大体积混凝土结构在水利、交通、工业建筑等领域广泛应用，其施工过程中水泥水化放热引发的温度梯度是导致温度裂缝的根本原因。现有技术通常采用埋设热电偶或光纤传感器采集温度数据，结合经验公式或简化有限元模型评估温度应力，依据固定阈值触发报警。上述方法在实际工程中已具备一定应用基础，能够实现基本的温度监测功能。

2、然而，传统方法存在明显局限性。水泥水化放热参数因批次差异而难以精确获取，固定参数的有限元模型与实际放热过程存在系统偏差；传感器布置区域以外的盲区缺乏物理约束的温度场预测手段，导致内部潜在异常区域无法被识别；动态抗拉强度随龄期演化的规律未被充分融入报警机制，报警阈值静态设定造成误报与漏报并存。

3、在当前的大体积混凝土施工监测中，由于水化参数在线辨识能力不足、传感器盲区温度场预测缺乏物理约束、内部热源异常空间分布无法反演溯源，导致裂缝萌生位置在贯通表面之前无法被精准定位，报警时机滞后且空间指向不明确。也就是说，现有技术中存在大体积混凝土施工过程中温度裂缝风险无法在萌生阶段实现精准空间定位与动态预警的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种大体积混凝土施工温度裂缝安全预警方法，能够解决现有技术中存在大体积混凝土施工过程中温度裂缝风险无法在萌生阶段实现精准空间定位与动态预警的技术问题。

2、本发明是这样实现的：本发明提供一种大体积混凝土施工温度裂缝安全预警方法，包括以下步骤：

3、在大体积混凝土浇筑体内及表面按三维网格布置温度传感器与应变传感器，采集各节点的温度数据、应变数据、龄期数据与三维坐标数据；

4、构建扩展卡尔曼滤波在线参数辨识框架，将终极放热量与时间参数作为状态向量分量，与温度状态联合估计，利用温度数据驱动参数动态收敛，输出收敛后的终极放热量与时间参数；

5、将收敛后的终极放热量与时间参数代入kelvin链模型常微分方程组，配合图形处理器并行有限元求解器，输出各节点的温度应力数据；

6、将温度数据、应变数据、龄期数据与三维坐标数据输入物理约束嵌入时空图注意力模型，输出预测温度场数据；同步将预测温度场数据输入热传导反问题梯度追踪裂缝溯源算法，输出热源空间分布异常区域坐标；

7、以温度等效龄期为索引建立动态抗拉强度演化模型，输出各节点的动态抗拉强度数据；计算温度应力数据与动态抗拉强度数据之比得到应力强度比值，结合贝叶斯置信区间动态调整报警阈值；

8、当应力强度比值超出报警阈值时，触发分级预警，将热源空间分布异常区域坐标推送至现场管理平台，并下发养护调控指令。

9、其中，所述温度传感器与应变传感器的布置，具体是按照三维网格形式布置，布置间距通过对同类工程历史数据的统计分析与现场预埋试验迭代确定。

10、其中，所述扩展卡尔曼滤波在线参数辨识框架，具体是对非线性系统方程进行一阶泰勒展开将非线性问题近似线性化，从而递推估计状态向量的均值与协方差，终极放热量与时间参数的初始先验值由同批次水泥矿物组成检测报告结合实验室绝热温升试验数据分析获取。

11、其中，所述kelvin链模型常微分方程组，具体是由dirichlet级数展开将徐变柔量函数表达为若干指数函数之和后得到，每个单元仅需维护一个内变量的常微分方程，将历史积分型本构关系转化为仅依赖当前内变量的递推格式。

12、其中，所述图形处理器并行有限元求解器，具体是将整体刚度矩阵的组装与求解分配至图形处理器的多个计算单元同步执行，单元刚度矩阵按节点编号分块存储于图形处理器显存，矩阵组装流与方程求解流分配至两条独立cuda流交替执行。

13、其中，所述物理约束嵌入时空图注意力模型，具体是将全部传感器节点构建为动态图，图注意力层的注意力权重由节点特征相似度与基于热传导方程推导的物理相关系数共同决定，物理相关系数作为注意力先验修正项叠加于标准注意力得分。

14、其中，所述物理约束嵌入时空图注意力模型的时间建模，具体是采用因果膨胀卷积，每层图注意力层之后并联一个基于有限差分算子的物理残差层，物理残差层根据当前预测温度场数据与热传导方程计算预测增量并以残差方式叠加至图注意力层输出。

15、其中，所述物理约束嵌入时空图注意力模型的训练，具体是训练损失函数由数据拟合损失、热传导方程物理残差损失与温度梯度连续性正则项三部分加权构成，学习率依据热场状态综合调节函数调整。

16、其中，所述热场状态综合调节函数，具体是基于应力强度比值、水化放热速率归一化值与验证集物理残差损失归一化值三项数据加权计算得到热场状态综合指数，依据的取值区间对学习率乘以对应系数进行调整。

17、其中，所述热传导反问题梯度追踪裂缝溯源算法，具体是基于tikhonov正则化框架，以三维非稳态热传导方程为正问题算子，将内部水化热源空间分布设为待反演量，采用共轭梯度法迭代求解，正则参数由l曲线法自动确定。

18、其中，所述热传导反问题梯度追踪裂缝溯源算法的迭代求解，具体是每步由正问题算子计算预测温度场数据，计算残差后求解伴随方程得到伴随变量，进而计算目标泛函梯度并沿负梯度方向更新热源空间分布，步长由线搜索确定，计算复杂度通过多重网格加速至量级。

19、其中，所述动态抗拉强度演化模型，具体是以温度等效龄期为时间索引，动态抗拉强度数据随温度等效龄期增长遵循fib规范推荐的时变函数形式，温度等效龄期基于成熟度理论计算。

20、其中，所述贝叶斯置信区间动态调整报警阈值，具体是以历史预警事件中的误报率与漏报率为先验信息，利用贝叶斯更新方法在施工过程中持续修正报警阈值的上下置信边界。

21、其中，所述分级预警分为三级：第一级为观察级，第二级为警告级，第三级为紧急级，三级阈值边界通过对历史工程裂缝事件数据库的统计分析确定。

22、其中，温度传感器与应变传感器的布置间距范围为0.5～2.0；终极放热量的初始先验值范围为200～420，时间参数的初始先验值范围为10～80；kelvin链单元个数范围为4～8个；报警阈值范围为0.7～0.9；观察级对应应力强度比值处于0.7～0.8范围，警告级对应应力强度比值处于0.8～0.9范围，紧急级对应应力强度比值超过0.9；热传导反问题梯度追踪裂缝溯源算法的收敛阈值范围为～，迭代次数上限范围为50～200次。

23、本发明通过将扩展卡尔曼滤波在线参数辨识、物理约束嵌入时空图注意力模型与热传导反问题梯度追踪裂缝溯源算法有机集成，构建了从参数动态收敛到热源异常空间反演的完整闭环，解决了大体积混凝土施工过程中温度裂缝风险无法在萌生阶段实现精准空间定位与动态预警的技术问题。

24、扩展卡尔曼滤波框架利用实测温度数据持续修正水化放热参数，消除了固定参数模型的系统偏差，使后续有限元计算所依赖的热源项更接近真实水化过程。物理约束嵌入时空图注意力模型在传感器盲区依然能够输出满足热传导方程的物理合理温度场，为反问题溯源提供了可靠的全场输入，避免了纯数据驱动方法在稀疏观测条件下的非物理性预测跳变。热传导反问题梯度追踪裂缝溯源算法通过tikhonov正则化框架反演内部热源空间分布异常区域，实现了裂缝萌生位置在贯通表面之前的空间超前预警，克服了传统方法仅依赖表面温度梯度判断而导致预警滞后的缺陷。

25、综上所述，本发明解决了背景技术中提到的大体积混凝土施工过程中温度裂缝风险无法在萌生阶段实现精准空间定位与动态预警的技术问题。