[發明專利]大體積混凝土結構的水化熱計算方法

在審

• 申請號: 201711374600.4
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108073769A
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發明（設計）人: 馮楚橋;申獻平;蘭光裕;羅代明;向國興;熊杰;付國棟
• 申請（專利權）人: 貴州省水利水電勘測設計研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;E02D15/02
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 劉楠;李余江

本發明公開了一種大體積混凝土結構的水化熱計算方法，該方法采用有限單元法實現：在求解混凝土綜合放熱量過程中，采用熱?化學耦合方法，以水化度作為化學反應系統的中間變量，并考慮實時溫度對水化速率的影響；同時，水管冷卻效應采用經典的傳熱學方法進行推導，結合有限元中的迭代方法求解水管冷卻水實時溫度及水管吸收的熱量。本發明的算法由數學方程推導，僅用到兩個基本假設，相比于基于經驗公式的算法，本發明的方法更加嚴密。此外，本發明給出了該方法的具體求解方法，易于在有限元方法中實現。

技術領域

本發明涉及一種水利水電工程大體積混凝土結構施工仿真技術領域的一種混凝土水化熱計算，主要針對采用水管冷卻的溫控方式的大體積混凝土結構。

背景技術

大體積混凝土結構在施工過程中往往出現裂縫，大量實際工程經驗表明，混凝土的溫度變形是誘導大體積混凝土結構產生裂縫的主要因素之一。因此，對于大體積混凝土結構，合理地預報結構內部溫度發展歷程，分析其開裂風險是研究熱點之一。建立合理的混凝土水化放熱量計算模型是準確預報大體積混凝土溫度場的基本前提。

混凝土溫度上升實質上來源于水泥與水結合形成水合物的化學反應。眾所周知，化學反應速率與其所處環境溫度有著緊密聯系，水泥水化反應也同樣如此，在溫度相當低的情況下，水化反應會非常緩慢甚至停止。對于相同齡期的大體積混凝土，在內部(通水冷卻)和外部邊界條件(環境溫度等)的影響下，不同部位的溫度不同，其水化反應速率也不同。因此，有必要考慮實時溫度對水化放熱的影響。

此外，大體積混凝土施工過程中，除了采用預冷卻技術，如預冷骨料和減少水泥含量等，通常還需在混凝土內部預埋冷卻水管并在混凝土澆筑后通過通水控制內部溫度，該方法在混凝土壩的施工中得到了廣泛的應用。事實上，通水冷卻是目前大體積混凝土溫度控制中最為有效的措施。因此，大體積混凝土內部冷源的冷卻效應，也是計算綜合放熱量和溫度上升情況中必須要考慮的重要因素。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種考慮混凝土內部化學反應速率與溫度之間關系以及水管冷卻效應的溫度場計算方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

該方法是采用有限單元法實現：在求解混凝土綜合放熱量過程中，采用熱-化學耦合方法，以水化度作為化學反應系統的中間變量，并考慮實時溫度對水化速率的影響；同時，水管冷卻效應采用經典的傳熱學方法進行推導，結合有限元中的迭代方法求解水管冷卻水實時溫度及水管吸收的熱量。

具體定，該方法包括如下步驟：

步驟1.混凝土瞬態熱傳導：

將瞬態熱傳導方程寫作：

其中，ρ為混凝土密度；C為混凝土比熱；λT為混凝土導熱；Q為單位質量混凝土放熱量；x,y,z為空間坐標；t表示時間；T表示溫度；△為拉普拉斯算子；

將包含冷卻水管的混凝土綜合放熱量分為兩個部分：

步驟2.混凝土水化放熱量：

引入水化度ξ作為化學反應系統的中間變量：