蔡云麗+秦忠國+黃天

摘要：針對涵閘工程混凝土溫控防裂需要，研制了全自動化數(shù)字測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分由數(shù)字式溫度傳感器、采集單元、GPRS DTU組成，軟件部分包括中心服務(wù)器軟件和客戶端軟件。系統(tǒng)實現(xiàn)了GPRS公用無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)無人值守、多測點遠(yuǎn)程測量和數(shù)據(jù)實時共享，具有體積小、無需布線、運行穩(wěn)定、精度高等特點。經(jīng)過實際工程多次應(yīng)用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達(dá)到預(yù)期性能?；谝陨舷到y(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，結(jié)合三維非穩(wěn)定溫度場數(shù)值計算，對特定工程的水化熱參數(shù)進(jìn)行了反演。規(guī)范給出普硅42.5水泥水化熱參數(shù)為m=0.69，n=0.56；而根據(jù)實測數(shù)據(jù)反演的結(jié)果為m=1.85，n=0.79。根據(jù)兩組參數(shù)分別進(jìn)行了三維溫度應(yīng)力計算，得到完全不同的計算結(jié)果，前者溫度應(yīng)力未超標(biāo)，后者多處超標(biāo)需要采用溫控防裂措施才能保證結(jié)構(gòu)防裂安全。因此對實際工程進(jìn)行溫度監(jiān)測和水化熱參數(shù)反演是非常必要的。

關(guān)鍵詞：涵閘工程；溫控防裂；自動化數(shù)字測溫系統(tǒng)；混凝土絕熱溫升；水化熱參數(shù)

中圖分類號：TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）03-0177-06

Abstract：To control the temperature and prevent cracks of concrete in culvert projects，we developed a fully automatic digital temperature measurement system.The hardware was composed of digital temperature sensors，an acquisition unit，and GPRS DTU.The software part included the central server and client software.The system has realized unattended operation，multi-point remote measurement，and real-time data sharing within the coverage of GPRS public wireless network.It is small in size，requires no wiring，runs steadily，and has high accuracy.Through several practical applications，it was proved to be stable and reliable.Based on the measured data and the numerical calculation of 3D unsteady temperature field，we retrieved the hydration heat parameters of a specific project.The specifications for P.O 42.5 were：m= 0.69，n= 0.56；and the inverted results were：m=1.85，n=0.79.According to these two groups of parameters，we calculated the 3D temperature stress，and obtained completely different results.The former did not exceed the standards，but the latter exceeded several standards and required crack-control measures to ensure the safety of the structure.Therefore，temperature monitoring and parameter inversion are very necessary for practical projects.

Key words：culvert project；temperature control and crack prevention；automatic digital temperature measurement system；adiabatic temperature rise of concrete；hydration heat parameter

中型水工涵閘工程面廣量大，經(jīng)常出現(xiàn)混凝土施工期溫度裂縫[1-3]。此類工程溫控防裂經(jīng)費投入非常有限，一般沒有條件針對具體工程進(jìn)行絕熱溫升試驗，溫度場溫度應(yīng)力計算所需要的絕熱溫升曲線一般采用規(guī)范公式[4]。近年來，由于水泥生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，水泥細(xì)度和比表面積增加，使得水化熱釋放速度加快，與規(guī)范推薦的計算公式相比較偏差很大。對于土基上的涵閘工程，底板部位一般不會出現(xiàn)裂縫，裂縫一般出現(xiàn)在底板以上具有強約束的墩墻部位[5]。為了準(zhǔn)確確定混凝土絕熱溫升，一般對先期澆筑的底板進(jìn)行混凝土溫度監(jiān)測，記錄其溫度變化過程，由此反推混凝土絕熱溫升，作為后期墩墻不穩(wěn)定溫度場和溫度應(yīng)力的計算條件。因此，開發(fā)高精度、高性價比的自動化測溫系統(tǒng)對涵閘溫控防裂設(shè)計是非常必要的。

自動化測溫系統(tǒng)在大壩工程中已經(jīng)普遍采用，一般由后方服務(wù)器、通訊光纖、信號轉(zhuǎn)換設(shè)備、NDA 數(shù)據(jù)采集模塊、自動化監(jiān)測專用電源線等組成[6-8]，但是這類系統(tǒng)并不適用于中型涵閘工程。大壩測溫系統(tǒng)服役時間長，往往需要數(shù)年的運行時間。為了確保傳感器的高可靠性，使用的傳感器多為熱敏電阻感溫元件[9]，一般是模擬信號輸出，在采集單元中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，精度較低。此類系統(tǒng)可靠性高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜[10-12]，鋪設(shè)線路工作繁瑣，投資大，對一般涵閘工程沒有條件也沒有必要。

涵閘工程施工期一般為1～2年，混凝土結(jié)構(gòu)的壁厚一般在0.8～2.5 m范圍內(nèi)，溫度變化過程從澆筑溫度上升到最高溫度再下降到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度一般在一個月左右，最長不超過三個月。本文針對涵閘工程的測溫需求，成功開發(fā)了一種高精度、高密度、高性價比的全自動測溫系統(tǒng)，并在工程中得到成功應(yīng)用。根據(jù)測量數(shù)據(jù)反演得到水化熱參數(shù)，在此基礎(chǔ)上溫控防裂數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)模結(jié)果采用相應(yīng)的溫控措施，取得了預(yù)期的防裂效果。

1 混凝土溫度自動監(jiān)測系統(tǒng)

本項目研制的混凝土全自動測溫系統(tǒng)由溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊，GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊，中心服務(wù)器軟件，桌面客戶端軟件構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。1.1 數(shù)字溫度傳感器

DS18B20數(shù)字溫度傳感器（圖2）在數(shù)字測溫計、測溫儀、倉庫溫度采集系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[13-15]，但用于混凝土溫度測量尚不多見。選用該傳感器的理由是其性能指標(biāo)符合混凝土短期溫度量測要求，高精度溫度測量范圍在-10 ～ +85℃之間，恰好在混凝土溫度變化范圍之內(nèi)，精度為，高于常用的熱電阻和熱電偶。另一優(yōu)勢是其內(nèi)部適配了微處理器，可將溫度信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)了與單片機的直接接口，從而省去了復(fù)雜模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，避免了線纜電阻對精度的影響。因此選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成混凝土測溫系統(tǒng)的一部分是比較理想的一個選擇。

1.2 溫度數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元

溫度數(shù)據(jù)采集模塊采用51系列單片機，模塊擁有LED四字?jǐn)?shù)碼管（圖3），可以循環(huán)顯示傳感器相關(guān)信息，包括傳感器總數(shù)量，有效編號傳感器數(shù)量，各個傳感器的編號及采集的溫度值等，現(xiàn)場也可以通過數(shù)碼管查看所測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊提供了RS485總線接口，可以達(dá)到多個模塊通過485總線共同組網(wǎng)的應(yīng)用，并且能夠?qū)崿F(xiàn)500 m（或更遠(yuǎn)距離）單總線數(shù)據(jù)傳輸，同時驅(qū)動30個單總線溫度傳感器。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元（GPRS DTU）是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將串口數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)互換進(jìn)行長距離傳送數(shù)據(jù)的無線終端設(shè)備。后臺不需要計算機支持，充分發(fā)揮了GPRS網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)在線、快速接入的優(yōu)勢，性價比很高，穩(wěn)定可靠。GPRS DTU的構(gòu)造見圖4。

1.3 中心服務(wù)器軟件

自主開發(fā)的中心服務(wù)器軟件TCP Water是一個TCP轉(zhuǎn)發(fā)程序，它運行在一個具有公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器上（項目長期租用阿里云的一臺云服務(wù)器）。TCP Water在監(jiān)測期間一直保持運行狀態(tài)，等待現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸模塊和桌面客戶端程序的主動連接。其功能是在現(xiàn)場采集單元和客戶端之間起到中間人作用，其本身不存儲數(shù)據(jù)，來自客戶端的測量指令立即發(fā)往現(xiàn)場采集單元。采集單元返回的溫度數(shù)據(jù)立即發(fā)往客戶端。

1.4 桌面客戶端軟件

測溫系統(tǒng)的客戶端軟件界面見圖5，具有以下功能。（1）發(fā)送測量指令，可以設(shè)置隨時測量和自動測量，測量間隔5 min到24 h任選。（2）接受現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)，以表格形式進(jìn)行顯示，表頭可以設(shè)置傳感器的名稱位置等信息。（3）以圖形顯示溫度變化過程線，數(shù)據(jù)保存，打開，編輯功能（圖5）。（4）一對多連接模式。一個現(xiàn)場監(jiān)測點的所有數(shù)據(jù)可以在不同的地點進(jìn)行查看和管理，項目業(yè)主、施工單位、工程監(jiān)理可以同時查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)。不受距離的限制，實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2 工程應(yīng)用與混凝土水化熱參數(shù)反演

此測溫系統(tǒng)在江蘇省運東船閘、西直湖港泵站等工程進(jìn)行了多次實際應(yīng)用，分別對船閘上、下閘室底板、輸水廊道、流道側(cè)墻，頂板等部位進(jìn)行測溫。在使用中每個采集模塊接入5～10個溫度傳感器用于測量一個斷面上的溫度分布和大氣溫度的變化過程。結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測量間隔設(shè)置在10 min/次，準(zhǔn)確獲得了澆筑后溫度上升和下降的過程。建設(shè)單位、施工單元和科研單位可以同時查看實時的測量結(jié)果。

以下根據(jù)實測數(shù)據(jù)對混凝土實際水化熱參數(shù)進(jìn)行反演分析。

2.1 規(guī)范指數(shù)式絕熱溫升曲線

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 SL191-2008》，混凝土在齡期t時的絕熱升溫Tt可用式（1）計算

工程采用普通硅酸鹽水泥42.5級水化熱參數(shù)和工程實際配合比，每立方米凝膠材料用量為340 kg，摻入20%粉煤灰；取比熱C=0.017 kJ/（kg·℃），密度ρ=2 400 kg/m3。計算得到的絕熱溫升曲線見圖6：

可見規(guī)范計算得到的溫升曲線較平緩，在齡期2 d時溫升接近絕熱總溫升的60%，6 d達(dá)到90%，30 d溫度基本穩(wěn)定，最大溫升為42 ℃。

2.2 實測混凝土核心溫升曲線

采用本文開發(fā)的測溫系統(tǒng)對運東船閘底板和側(cè)墻澆筑前后的溫度進(jìn)行監(jiān)控。運東船閘幾何模型及測點布置見圖7。實測底板的溫度曲線見圖8（測溫系統(tǒng)在澆筑開始前24 h開機，澆筑溫度為25 ℃），虛線是根據(jù)規(guī)范參數(shù)計算的溫度（澆筑溫度+絕熱溫升）曲線。

由于實際工程中混凝土存在表面散熱，顯然實測溫度曲線在升溫階段的任何時刻都不應(yīng)該陡于絕熱溫升曲線。但是通過本文監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)混凝土實際溫升曲線在澆筑后一段時間內(nèi)大幅超過規(guī)范參數(shù)計算的絕熱溫升，說明規(guī)范的水化熱參數(shù)和工程實際數(shù)值偏離較大。監(jiān)測結(jié)果顯示，水泥水化熱在短時間內(nèi)大量產(chǎn)生，溫度急劇升高，澆筑后大約12 h溫度即釋放水化熱的60%（根據(jù)規(guī)范公式需要48 h），溫升幅值（約）和規(guī)范公式基本一致。澆筑72 h后溫度開始下降，澆筑30 d后，混凝土內(nèi)部熱量基本散發(fā)完成，溫度接近氣溫。

澆筑初期由于混凝土溫度高于環(huán)境溫度，混凝土一定存在熱量散發(fā)，實測溫度最大應(yīng)不超過（澆筑溫度+絕熱溫升）。如果實測溫度大于澆筑溫度+同期絕熱溫升，說明絕熱溫度曲線是不符合實際情況的。本例發(fā)現(xiàn)在澆筑后12 h，實測溫升超過20 ℃以上。說明絕熱溫升嚴(yán)重偏離實際情況，必須進(jìn)行水化熱參數(shù)的反演分析。

2.3 水泥水化熱參數(shù)反演

運東船閘底板厚度為2.5～3 m，由于混凝土體積較大加之放熱迅速，其核心溫度在早期較短的時間

內(nèi)受環(huán)境溫度影響較小，數(shù)值計算結(jié)果顯示，48 h內(nèi)底板中面（即3號和6號測點）的溫度曲線和絕熱溫升非常接近。利用式（2），根據(jù)實測核心溫度曲線，調(diào)整其中水化熱參數(shù)m和n，通過多次試算，當(dāng)取m=1.85，n=0.79時，計算得到的溫度（澆筑溫度+絕熱溫升）曲線和實測溫度曲線基本一致，見圖9。

用調(diào)參后的公式（2）計算流道側(cè)墻絕熱溫升，計算的溫度曲線與實測核心溫度曲線相吻合（圖10）。由此可見，反演后的放熱曲線在混凝土澆筑初期和實測溫度基本吻合。

2.4 溫度場數(shù)值模擬

根據(jù)上文水化熱參數(shù)的反演結(jié)果，對運東船閘上閘首輸水廊道進(jìn)行了三維溫度場數(shù)值模擬，得到的計算結(jié)果和實測溫度過程基本一致（圖11-圖13）。

本工程在以上工作的基礎(chǔ)上，采用反演后的水化熱參數(shù)對后期澆筑的其他墩墻進(jìn)行了溫度場溫度應(yīng)力數(shù)值模擬，根據(jù)計算結(jié)果采取了相應(yīng)的溫控防裂措施。工程取得了理想的防裂效果，未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。

3 結(jié)語

目前關(guān)于混凝土溫控防裂的相關(guān)理論已經(jīng)趨于成熟，溫度場溫度應(yīng)力的數(shù)值計算的研究也比較充分，但涵閘工程施工期混凝土溫度監(jiān)測尚缺少低投資的自動化設(shè)備，本文開發(fā)的測溫系統(tǒng)為解決這一問題提供了一種技術(shù)途徑。對一般中小型涵閘工程，在缺少準(zhǔn)確熱學(xué)參數(shù)的情況下，借助于測溫系統(tǒng)，可以采用以下技術(shù)路線進(jìn)行較為準(zhǔn)確的溫控防裂數(shù)值分析：底板測溫→熱學(xué)參數(shù)反演→上部結(jié)構(gòu)溫度場溫度應(yīng)力數(shù)值計算→確定溫控防裂措施。由于土基上的涵閘工程底板很少出現(xiàn)裂縫，裂縫主要在上部墩墻結(jié)構(gòu)，而底板和上部墩墻結(jié)構(gòu)一般采用相同的水泥品種，所以利用底板混凝土取得較為準(zhǔn)確的熱學(xué)參數(shù)，對上部結(jié)構(gòu)的數(shù)值計算就具有很強的實用意義。

同時，在溫控防裂措施的實施過程中，需要隨時掌握混凝土溫度變化情況以選擇恰當(dāng)?shù)臅r機采取適當(dāng)?shù)臏乜卮胧﹣磉_(dá)到預(yù)期的防裂效果。比如在混凝土早期溫升階段需采取溫降措施來降低最高溫度；在后期溫降階段需采取保溫措施防止溫度下降太快產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力。因此溫控監(jiān)測也必不可少。

總體上，本文開發(fā)的測溫系統(tǒng)具有體積小、無需布線、無人值守、運行穩(wěn)定、精度高、遠(yuǎn)程測量等特點，能夠隨時隨地監(jiān)控混凝土的溫度，滿足溫控防裂的實際需求，已在多個工程得到成功應(yīng)用。目前系統(tǒng)的軟件和硬件已經(jīng)基本完成定型，推廣使用將大大節(jié)省混凝土測溫的人力財力。

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