一种大型混凝土水化热实时监测系统及方法与流程

本发明涉及混凝土结构工程施工，尤其涉及一种大型混凝土水化热实时监测系统及方法。

背景技术：

1、大型混凝土结构如水利大坝、高层建筑基础承台、跨海大桥墩柱因体积大、水化热释放集中，早期温度梯度易超过25℃，内应力突破混凝土抗拉强度约2.0~3.0mpa，导致结构开裂——据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（gb50204-2015）统计，传统监测方法下大型混凝土结构早期开裂率高达35%～50%，不仅影响结构承载力，还会缩短全寿命周期减少15～20年。

2、传统水化热监测技术通常仅监测温度数据，应力分析依赖施工后离线有限元仿真，仿真结果与实测温度的时间差可达4～8h，导致温度峰值已过，应力仿真才完成，无法捕捉两者的时空关联性如浇筑后6～12h的温度骤升与应力突变，导致监测维度单一，热－力耦合断裂；仿真模型的核心参数，基于设计阶段的混凝土配合比预设，施工中因骨料含水率波动±2%～5%、外加剂掺量偏差±0.5%等因素，实际参数与预设值偏差可达15%～20%，人工校准需2～3天，无法实时修正，导致模型参数固化，动态适配缺失。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种大型混凝土水化热实时监测系统及方法。

2、为解决上述提出的传统水化热监测技术通常仅监测温度数据，应力分析依赖施工后离线有限元仿真，仿真结果与实测温度的时间差可达4～8h，导致温度峰值已过，应力仿真才完成，无法捕捉两者的时空关联性如浇筑后6～12h的温度骤升与应力突变，导致监测维度单一，热－力耦合断裂；仿真模型的核心参数，基于设计阶段的混凝土配合比预设，施工中因骨料含水率波动±2%～5%、外加剂掺量偏差±0.5%等因素，实际参数与预设值偏差可达15%～20%，人工校准需2～3天，无法实时修正，导致模型参数固化，动态适配缺失的技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种大型混凝土水化热实时监测系统及方法，包括：

4、感知层，所述感知层由埋入式光纤光栅温度传感器、振弦式应力计、温湿度变送器、振捣设备变频器及养护喷淋流量计组成，用于采集混凝土水化热相关原始数据及施工环境、设备运行数据；

5、数据处理层，所述数据处理层与感知层通过边缘网关通信连接，包括异常值剔除模块、缺失值补全模块、数据标准化模块及数据校验模块，用于对原始数据进行完整性与一致性处理；

6、仿真校准层，所述仿真校准层内置水化热-应力场耦合仿真模型，所述模型支持自动调用实测数据执行参数校准，参数校准包括水化热速率系数、弹性模量及热膨胀系数；

7、决策预警层，所述决策预警层预设三级裂缝风险阈值，集成综合风险判别算法，根据校准后的仿真结果自动判定风险等级，并基于风险等级关联预设调控规则库生成施工指令；

8、可视化管控层，所述可视化管控层为web平台，所述平台内置数据曲线生成模块、指令追溯模块及角色权限管理模块。

9、优选的，所述感知层还集成混凝土电阻率传感器，用于采集混凝土密实度数据，辅助判断水化反应进程。

10、优选的，所述数据处理层将电阻率数据与温度数据关联。

11、一种大型混凝土水化热实时监测方法，以服务器为执行主体，包括以下步骤：

12、步骤一：服务器通过lorawan网关接收感知层上传的多维度数据，包括混凝土内部温度数据、应力数据、环境温湿度数据、振捣频率数据及养护喷淋流量数据；

13、步骤二：计算各数据序列的均值与标准差，剔除满足的异常值，对剔除异常值后的缺失数据，通过arima(2,1,1）模型预测补全，模型公式为：，对补全后的温度、应力、流量数据执行min-max归一化，得到标准化数据集；

14、步骤三：将中的温度初始值、环境温湿度输入水化热-应力场耦合仿真模型，基于非稳态热传导方程计算时刻混凝土内部温度分布，方程为：

15、，基于温度场计算结果，结合线弹性本构方程计算等效应力，方程为：；

16、步骤四：计算时刻仿真值与实测值的偏差：

17、温度偏差，

18、应力偏差；

19、基于偏差修正模型参数，公式为：

20、，

21、；

22、步骤五：基于校准后的与，通过综合风险指数公式计算：；

23、根据判定风险等级：＞1.2为高风险，1.0＜≤1.2为中风险，≤1.0为低风险；

24、步骤六：高风险：生成养护喷淋功率提升20%～30%、冷却水流量增加15～20m³/h、暂停区域后续浇筑指令；中风险：生成养护喷淋功率提升10%～20%、振捣频率降低5～10hz指令；低风险：生成维持当前养护参数，持续监测指令；

25、指令通过mqtt协议下发至施工终端，服务器实时接收终端反馈的指令执行结果，若10min内未收到反馈或风险未缓解，则重新生成强化指令。

26、优选的，步骤三中所述温度场计算采用有限元网格剖分技术，网格尺寸设为0.5m×0.5m×0.5m，边界条件设为对流换热边界。

27、优选的，步骤六中所述指令生成时，还需调用施工进度数据库，若当前区域处于浇筑后24h内，则在原有指令基础上额外增加覆盖20mm厚阻燃保温棉的补充指令。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、本发明通过热－力耦合实时监测与动态校准，裂缝风险预警准确率相对传统方法得到提升，避免误判与漏判；从数据采集-风险识别-指令下发的总耗时相对传统缩短，精准捕捉最佳调控窗口期；参数校准频率提升，模型与实际施工的偏差控制在小范围内。

30、本发明使得大型混凝土结构早期开裂率下降，避免裂缝修补成本；养护能耗降低；减少人工数据分析工作量；实现多角色实时共享数据，指令审核与反馈效率提升，避免信息不对称导致的工期延误；监测数据与施工指令自动存储至数据库，可追溯，为后期运维提供数据支撑；系统支持自定义混凝土参数与工程场景，可快速复制至不同项目。

1.一种大型混凝土水化热实时监测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的大型混凝土水化热实时监测系统，其特征在于，所述感知层还集成混凝土电阻率传感器，用于采集混凝土密实度数据，辅助判断水化反应进程。

3.根据权利要求2所述的大型混凝土水化热实时监测系统，其特征在于，所述数据处理层将电阻率数据与温度数据关联。

4.一种大型混凝土水化热实时监测方法，以服务器为执行主体，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的大型混凝土水化热实时监测方法，其特征在于，步骤三中所述温度场计算采用有限元网格剖分技术，网格尺寸设为0.5m×0.5m×0.5m，边界条件设为对流换热边界。

6.根据权利要求4所述的大型混凝土水化热实时监测方法，其特征在于，步骤六中所述指令生成时，还需调用施工进度数据库，若当前区域处于浇筑后24h内，则在原有指令基础上额外增加覆盖20mm厚阻燃保温棉的补充指令。