大体积混凝土温度应力动态控制理论研究

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摘要：大体积混凝土的温度场及应力场随时间都是变化的，传统的理论分析基本忽略了时间效应的重要影响。本文从时效性角度出发，分析了影响混凝土时变温度应力因素，提出了大体积混凝土施工过程中信息化跟踪施工实现温度应力模糊动态控制的理论，得出了大体积混凝土时变温度应力动态控制方案。

关键词：大体积混凝土；温度应力；时效性；信息化；模糊动态控制理论

0 引 言

大体积混凝土自身温度场的瞬态性与应力场的时变性决定了大体积混凝土温度与温度应力的控制是项非常复杂的具有时变性、非线性的系统工程，运用精确的数学模型来描述是极困难的。目前在大体积混凝土的设计与施工中，对温度及温度应力的控制主要是依据工程技术人员的工程经验，缺少科学准确的预判并未能及时采取动态控制措施。

模糊动态控制理论是基于状态变量用于解决线性或非线性、定常或时变的多输入多输出系统问题[1]。与传统的以经验为主的温度应力控制方法相比，该方法以更为客观科学的控制原理来实现实时综合预判，使采取的控制措施更为到位，最后的控制效果更为准确有效。

1 模糊数学动态控制理论

模糊动态控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种非线性的、智能的计算机数字控制[2-3]。其动态控制的基本原理如图1所示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框部分所示。

图1 模糊控制原理框图 图2 模糊控制器

主要动态控制算法总结为以下四步：

（1）根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择系统的输入变量；（2）将输入变量的精确值变为模糊量；（3）根据输入变量及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量；（4）由上述得到的控制量计算精确的控制量。

2 影响混凝土时变温度应力因素

（1）瞬态温度场荷载影响因素

1）水化热生成率：混凝土水化热生成率是导致大体积混凝土温度场变化最根本的内在因素，其水化热生成的快慢程度直接影响着混凝土内外温差及升、降温速率。而影响混凝土水化热生成率的直接因素为水泥品种、水泥用量、混凝土组成及配合比。

2）初始温度：混凝土的初始温度即为浇筑温度，是混凝土水化热温升的基础。混凝土初始温度越高，它的温度峰值也越高。

3）大气温度：大体积混凝土施工要密切关注大气温度的变化。热量倒灌[4]会使混凝土的温度升高，且大气温度变化对混凝土结构内外温差影响较为显著。

4）几何尺寸的影响：大体积混凝土结构的厚度对温度变化影响较大，浇筑层越厚，中部散热越慢，热量堆积越高，降温所需时间亦越长，最高温度出现时间也越晚，内外最高温差可能更大。

5）混凝土边界条件：混凝土浇筑后上表面及四周的养护保温措施及程度、大气温度形成的对流边界、混凝土下表面与地基接触防水层影响传热等都对温度应力有重要影响，但是既要控制混凝土的时变温度应力不超过抗拉强度，又要保证混凝土强度的及时发展。

6）施工方案的影响：分段、分层浇筑方法可以有效减小混凝土的热量堆积，从而减小温差及温度应力，防止温度裂缝的产生。

（2）应力场自身时变参数影响：影响大体积混凝土应力场时变性的参数包括混凝土的弹性模量、混凝土的徐变度、结构的约束程度。

3 大体积混凝土时变温度应力动态控制原理

（1）大体积混凝土温度控制指标

1）大体积混凝土结构内外温差太大，产生的温度应力过高，超过对应龄期混凝土的抗拉强度，混凝土出现裂缝。

2）当大体积混凝土温度时程曲线处于降温阶段时，如果混凝土散热太快导致降温速率过快，混凝土会出现贯穿性温度裂缝。

因此，为控制大体积混凝土时变温度应力，确保不使温度应力过大而产生裂缝，设定如下控制指标作为动态模糊控制的控制指标：

a. 大体积混凝土内外最大温差不大于25℃；b. 降温速率不大于3℃/d。

（2）大体积混凝土温度模糊控制原理

自大体积混凝土浇筑开始，对混凝土内外温差进行实时监测，将监测数据通过模糊控制器与大体积混凝土温度的两项控制指标的极限值进行比较，并由模糊控制器判断，做出是否采取综合调整措施（如改变保温养护条件、用冷却水管降温等）的决策。从而实现在施工期间对大体积混凝土瞬态温度场及时变应力场的动态控制。

（3）输入、输出向量的确定及模糊化

设定混凝土内外最大温差和降温速率为输入变量，采取综合调整措施为输出变量。

输入变量的隶属度函数均服从柯西分布

（1）

式中： 为常数，其中 ， 为正偶数， 。输入变量分别设为“小”、“中”、“大”三种描述。

输出变量隶属函数取为三角形分布，其语言取值为“微调”、“保持”、“大调”三种描述。根据大体积混凝土温度变化特征建立模糊控制系统，如图2。

（4）模糊算法器的生成

模糊算法器由模糊控制规则与模糊算法构成。其中模糊算法规则是控制经验的总结，由若干某条件语句构成[5]。

大体积混凝土温度模糊动态控制规则：

1. if （混凝土内外温差is小）and （降温速率is小）then （采取综合调整措施is保持）

2.if （混凝土内外温差is小）and （降温速率is中）then （采取综合调整措施is保持）

3.if （混凝土内外温差is小）and （降温速率is大）then （采取综合调整措施is微调）

4.if （混凝土内外温差is中）and （降温速率is小）then （采取综合调整措施is保持）

5.if （混凝土内外温差is中）and （降温速率is中）then （采取综合调整措施is微调）

6.if （混凝土内外温差is中）and （降温速率is大）then （采取综合调整措施is大调）

7.if （混凝土内外温差is大）and （降温速率is小）then （采取综合调整措施is微调）

8.if （混凝土内外温差is大）and （降温速率is中）then （采取综合调整措施is大调）

9.if （混凝土内外温差is大）and （降温速率is大）then （采取综合调整措施is大调）

4 大体积混凝土时变温度应力动态控制方案

（1）瞬态温度场的监控

大体积混凝土瞬态温度场控制不是根本目的，最终目的是控制因瞬态温度场产生的温度应力不应超过对应时刻混凝土的抗拉强度，温差小不一定应力场小，温差大不一定应力场大。瞬态温度场动态控制措施必须建立在科学的理论计算基础上。不仅要对温度控制，而且还应仿真出各龄期混凝土内的温度应力。只有采取双控的方法，才能使混凝土开裂的可能性降低到最小程度。

a.温度控制原则：温度动态控制就是要对混凝土的初始温度、混凝土内外最大温差、混凝土降温速率进行实时有效的控制。根据工程实践经验及理论分析成果，养护阶段的温度控制应遵循以下几点：第一，同前述大体积混凝土模糊动态控制指标，混凝土内外温差不应大于25℃；降温速率小于3℃/d。第二，混凝土的拆模时间应考虑大气温度等情况，必须有利于混凝土强度的正常增长，即拆模时混凝土的内外温差不应太大。

b.温度控制方法：混凝土养护时的温度控制方法，通常分为“抗”与“放”两类。第一类是降温法，混凝土浇筑以后，通过循环的冷却水转移混凝土的热量，减小混凝土内外的温差。第二类是保温法，通过保温材料（如模板、锯末、土工布、石棉毡等）、碘钨灯或定时喷浇热水等方法，以减少混凝土表面及四周散失的热量，同样可以减小混凝土内外温差，减缓降温速率。

（2）时变应力场监控

a. 监控目的：①随时掌握大体积混凝土施工时内部应力-温度两者之间变化的规律，从而为施工提供有利的指导依据；②根据监测结果，亦可及时调整施工综合措施，确保混凝土施工质量；③监测所得数据与计算资料，可作为混凝土施工质量评判依据；也可为今后类似的工程提供借鉴经验。

b.监控原则：在混凝土时变应力场监控过程中，尤其要把握混凝土应力的时变性变化，始终确保混凝土内部的第一主拉应力不应超过对应时刻混凝土的极限抗拉强度。

在大体积混凝土施工过程中，为确保每一施工环节科学合理，实时掌握大体积混凝土温度场及应力场的时变发展情况，需要制定合理的现场监控方案，及时掌握大体积混凝土的控制指标。根据监测控制指标，采用本文提出的大体积混凝土施工过程中动态模糊控制原理对施工过程中的各项措施进行评判，有重要偏差时可及时调整施工方案，实时有效的指导施工，实现了大体积混凝土施工过程中的动态控制，确保大体积混凝土结构耐久性及安全性。

参考文献

[1] 李士勇.工程模糊数学及应用[M].哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社， 2004

[2] 谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用（第3版）[M].武汉： 华中科技大学出版社， 2006

[3] 张正斌， 吴汝善等.模糊控制工程[M]. 重庆： 重庆大学出版社，1995

[4] 李潘武， 李慧民.大体积混凝土夏季施工防止热量倒灌的研究[J] .西安科技学院学报， 2004， 24 （1） ： 38-40

[5] 潘镇涛， 陈有亮等. 应用模糊控制理论进行大体积混凝土施工过程的温度控制[J]. 上海大学学报（自然科学版）， 2006，12（4）， 431-436