大體積混凝土溫度應力動態控制理論研究

邊真 王丹 史貴強

摘要：大體積混凝土的溫度場及應力場隨時間都是變化的，傳統的理論分析基本忽略了時間效應的重要影響。本文從時效性角度出發，分析了影響混凝土時變溫度應力因素，提出了大體積混凝土施工過程中信息化跟蹤施工實現溫度應力模糊動態控制的理論，得出了大體積混凝土時變溫度應力動態控制方案。

關鍵詞：大體積混凝土；溫度應力；時效性；信息化；模糊動態控制理論

0 引 言

大體積混凝土自身溫度場的瞬態性與應力場的時變性決定了大體積混凝土溫度與溫度應力的控制是項非常復雜的具有時變性、非線性的系統工程，運用精確的數學模型來描述是極困難的。目前在大體積混凝土的設計與施工中，對溫度及溫度應力的控制主要是依據工程技術人員的工程經驗，缺少科學準確的預判并未能及時采取動態控制措施。

模糊動態控制理論是基于狀態變量用于解決線性或非線性、定常或時變的多輸入多輸出系統問題[1]。與傳統的以經驗為主的溫度應力控制方法相比，該方法以更為客觀科學的控制原理來實現實時綜合預判，使采取的控制措施更為到位，最后的控制效果更為準確有效。

1 模糊數學動態控制理論

模糊動態控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種非線性的、智能的計算機數字控制[2-3]。其動態控制的基本原理如圖1所示，它的核心部分為模糊控制器，如圖中虛線框部分所示。

圖1 模糊控制原理框圖 圖2 模糊控制器

主要動態控制算法總結為以下四步：

（1）根據本次采樣得到的系統的輸出值，計算所選擇系統的輸入變量；（2）將輸入變量的精確值變為模糊量；（3）根據輸入變量及模糊控制規則，按模糊推理合成規則計算控制量；（4）由上述得到的控制量計算精確的控制量。

2 影響混凝土時變溫度應力因素

（1）瞬態溫度場荷載影響因素

1）水化熱生成率：混凝土水化熱生成率是導致大體積混凝土溫度場變化最根本的內在因素，其水化熱生成的快慢程度直接影響著混凝土內外溫差及升、降溫速率。而影響混凝土水化熱生成率的直接因素為水泥品種、水泥用量、混凝土組成及配合比。

2）初始溫度：混凝土的初始溫度即為澆筑溫度，是混凝土水化熱溫升的基礎。混凝土初始溫度越高，它的溫度峰值也越高。

3）大氣溫度：大體積混凝土施工要密切關注大氣溫度的變化。熱量倒灌[4]會使混凝土的溫度升高，且大氣溫度變化對混凝土結構內外溫差影響較為顯著。

4）幾何尺寸的影響：大體積混凝土結構的厚度對溫度變化影響較大，澆筑層越厚，中部散熱越慢，熱量堆積越高，降溫所需時間亦越長，最高溫度出現時間也越晚，內外最高溫差可能更大。

5）混凝土邊界條件：混凝土澆筑后上表面及四周的養護保溫措施及程度、大氣溫度形成的對流邊界、混凝土下表面與地基接觸防水層影響傳熱等都對溫度應力有重要影響，但是既要控制混凝土的時變溫度應力不超過抗拉強度，又要保證混凝土強度的及時發展。

6）施工方案的影響：分段、分層澆筑方法可以有效減小混凝土的熱量堆積，從而減小溫差及溫度應力，防止溫度裂縫的產生。

（2）應力場自身時變參數影響：影響大體積混凝土應力場時變性的參數包括混凝土的彈性模量、混凝土的徐變度、結構的約束程度。

3 大體積混凝土時變溫度應力動態控制原理

（1）大體積混凝土溫度控制指標

1）大體積混凝土結構內外溫差太大，產生的溫度應力過高，超過對應齡期混凝土的抗拉強度，混凝土出現裂縫。

2）當大體積混凝土溫度時程曲線處于降溫階段時，如果混凝土散熱太快導致降溫速率過快，混凝土會出現貫穿性溫度裂縫。

因此，為控制大體積混凝土時變溫度應力，確保不使溫度應力過大而產生裂縫，設定如下控制指標作為動態模糊控制的控制指標：

a. 大體積混凝土內外最大溫差不大于25℃；b. 降溫速率不大于3℃/d。

（2）大體積混凝土溫度模糊控制原理

自大體積混凝土澆筑開始，對混凝土內外溫差進行實時監測，將監測數據通過模糊控制器與大體積混凝土溫度的兩項控制指標的極限值進行比較，并由模糊控制器判斷，做出是否采取綜合調整措施（如改變保溫養護條件、用冷卻水管降溫等）的決策。從而實現在施工期間對大體積混凝土瞬態溫度場及時變應力場的動態控制。

（3）輸入、輸出向量的確定及模糊化

設定混凝土內外最大溫差和降溫速率為輸入變量，采取綜合調整措施為輸出變量。

輸入變量的隸屬度函數均服從柯西分布

（1）

式中： 為常數，其中 ， 為正偶數， 。輸入變量分別設為“小”、“中”、“大”三種描述。

輸出變量隸屬函數取為三角形分布，其語言取值為“微調”、“保持”、“大調”三種描述。根據大體積混凝土溫度變化特征建立模糊控制系統，如圖2。

（4）模糊算法器的生成

模糊算法器由模糊控制規則與模糊算法構成。其中模糊算法規則是控制經驗的總結，由若干某條件語句構成[5]。

大體積混凝土溫度模糊動態控制規則：

1. if （混凝土內外溫差is小）and （降溫速率is小）then （采取綜合調整措施is保持）

2.if （混凝土內外溫差is小）and （降溫速率is中）then （采取綜合調整措施is保持）

3.if （混凝土內外溫差is小）and （降溫速率is大）then （采取綜合調整措施is微調）

4.if （混凝土內外溫差is中）and （降溫速率is小）then （采取綜合調整措施is保持）

5.if （混凝土內外溫差is中）and （降溫速率is中）then （采取綜合調整措施is微調）

6.if （混凝土內外溫差is中）and （降溫速率is大）then （采取綜合調整措施is大調）

7.if （混凝土內外溫差is大）and （降溫速率is小）then （采取綜合調整措施is微調）

8.if （混凝土內外溫差is大）and （降溫速率is中）then （采取綜合調整措施is大調）

9.if （混凝土內外溫差is大）and （降溫速率is大）then （采取綜合調整措施is大調）

4 大體積混凝土時變溫度應力動態控制方案

（1）瞬態溫度場的監控

大體積混凝土瞬態溫度場控制不是根本目的，最終目的是控制因瞬態溫度場產生的溫度應力不應超過對應時刻混凝土的抗拉強度，溫差小不一定應力場小，溫差大不一定應力場大。瞬態溫度場動態控制措施必須建立在科學的理論計算基礎上。不僅要對溫度控制，而且還應仿真出各齡期混凝土內的溫度應力。只有采取雙控的方法，才能使混凝土開裂的可能性降低到最小程度。

a.溫度控制原則：溫度動態控制就是要對混凝土的初始溫度、混凝土內外最大溫差、混凝土降溫速率進行實時有效的控制。根據工程實踐經驗及理論分析成果，養護階段的溫度控制應遵循以下幾點：第一，同前述大體積混凝土模糊動態控制指標，混凝土內外溫差不應大于25℃；降溫速率小于3℃/d。第二，混凝土的拆模時間應考慮大氣溫度等情況，必須有利于混凝土強度的正常增長，即拆模時混凝土的內外溫差不應太大。

b.溫度控制方法：混凝土養護時的溫度控制方法，通常分為“抗”與“放”兩類。第一類是降溫法，混凝土澆筑以后，通過循環的冷卻水轉移混凝土的熱量，減小混凝土內外的溫差。第二類是保溫法，通過保溫材料（如模板、鋸末、土工布、石棉氈等）、碘鎢燈或定時噴澆熱水等方法，以減少混凝土表面及四周散失的熱量，同樣可以減小混凝土內外溫差，減緩降溫速率。

（2）時變應力場監控

a. 監控目的：①隨時掌握大體積混凝土施工時內部應力-溫度兩者之間變化的規律，從而為施工提供有利的指導依據；②根據監測結果，亦可及時調整施工綜合措施，確保混凝土施工質量；③監測所得數據與計算資料，可作為混凝土施工質量評判依據；也可為今后類似的工程提供借鑒經驗。

b.監控原則：在混凝土時變應力場監控過程中，尤其要把握混凝土應力的時變性變化，始終確保混凝土內部的第一主拉應力不應超過對應時刻混凝土的極限抗拉強度。

在大體積混凝土施工過程中，為確保每一施工環節科學合理，實時掌握大體積混凝土溫度場及應力場的時變發展情況，需要制定合理的現場監控方案，及時掌握大體積混凝土的控制指標。根據監測控制指標，采用本文提出的大體積混凝土施工過程中動態模糊控制原理對施工過程中的各項措施進行評判，有重要偏差時可及時調整施工方案，實時有效的指導施工，實現了大體積混凝土施工過程中的動態控制，確保大體積混凝土結構耐久性及安全性。

參考文獻

[1] 李士勇.工程模糊數學及應用[M].哈爾濱： 哈爾濱工業大學出版社， 2004

[2] 謝季堅，劉承平.模糊數學方法及其應用（第3版）[M].武漢： 華中科技大學出版社， 2006

[3] 張正斌， 吳汝善等.模糊控制工程[M]. 重慶： 重慶大學出版社，1995

[4] 李潘武， 李慧民.大體積混凝土夏季施工防止熱量倒灌的研究[J] .西安科技學院學報， 2004， 24 （1） ： 38-40

[5] 潘鎮濤， 陳有亮等. 應用模糊控制理論進行大體積混凝土施工過程的溫度控制[J]. 上海大學學報（自然科學版）， 2006，12（4）， 431-436