基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法及系统

1.本公开涉及混凝土水化热设计技术领域，具体涉及一种基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法。

背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.水泥和水混合时会产生大量的热量。由于混凝土表面的快速热交换，混凝土内外形成了较大的温差。桥梁结构的各个部分处于不同的温度状态，导致不同的温度变形，由于每个部分的不同变形，混凝土产生了很大的温度应力，因此在混凝土浇筑早期，水化热容易导致混凝土结构开裂。目前对水化热的研究主要集中在桥墩和桥面板上。
4.但是，单箱多室箱梁截面的结构和热边界条件不同于桥墩和桥面板，箱梁的顶板、底板和腹板具有不同的水化热分布特征，现有技术中对箱梁截面的水热化研究主要通过结合特征点实测数据与数值模拟实现，而箱梁截面内部中空、边界复杂，影响水热化的因素较多，通过混凝土热学参数来修正有限元模型，仍难以准确预测该类结构的温度发展规律，仅基于沿深度方向或沿高度方向的特征点实测数据，测点位置选取依赖于经验，无法全面反映结构的最不利温度分布，对于单箱三室梁截面的点阵式温度场研究仍没有有效的方案。

技术实现要素：

5.本公开为了解决上述问题，提出了一种基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法。该方法能够充分考虑顶板、底板和腹板具有不同的水化热分布特征，从而能够计算不同时间不同位置的温度梯度值。
6.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
7.基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，包括：
8.对模型混凝土箱梁截面的实时温度数据以及所在环境的气象数据进行采集；
9.基于获取的混凝土箱梁截面的实时温度数据与所在环境的气象数据，绘制混凝土箱梁截面随时间变化的不同时刻的二维温度分布云图以及太阳辐射和风速与最大温差散点图；
10.根据不同时刻的温度分布云图，获取箱梁截面任意位置处温度随时间变化的分布规律，并选取若干特征位置点，分析特征位置点的温度变化获得水热化温度时程曲线；根据散点图，分析水化热、太阳辐射与风速对混凝土温度梯度的影响；
11.分别根据不同时刻特征点的水热化温度分布云图，计算不同时刻的竖向温度梯度以及横向温度梯度，拟合竖向与横向温度梯度时程公式。
12.根据另一些实施例，本公开采用如下技术方案：
13.多个传感器，用于采集模型混凝土箱梁截面的实时温度数据以及所在环境的气象数据；
14.数据处理中心，用于基于获取的混凝土箱梁截面的实时温度数据与所在环境的气象数据，绘制混凝土箱梁截面随时间变化的不同时刻的二维温度分布云图以及太阳辐射和风速与最大温差散点图；
15.根据不同时刻的温度分布云图，获取箱梁截面任意位置处温度随时间变化的分布规律，并选取若干特征位置点，分析特征位置点的温度变化获得水热化温度时程曲线；根据散点图，分析水化热、太阳辐射与风速对混凝土温度梯度的影响；
16.数据计算中心，用于分别根据不同时刻特征点的水热化温度分布云图，计算不同时刻的竖向温度梯度以及横向温度梯度，拟合竖向与横向温度梯度时程公式。
17.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
18.本公开提出了一种基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，该方法的水化热温度场实验测点布置充分，能够全面反映结构的最不利温度分布，而且能够计算不同时间不同位置的温度梯度值。本公开有利于准确的计算箱梁温度梯度值，为后续同类型桥梁截面的温度分布评估和桥梁抗裂提供了借鉴。
附图说明
19.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
20.图1为箱梁尺寸示意图；(单位：cm)
21.图2为温度测点沿板厚方向分层示意图；(单位：cm)
22.图3为箱梁水化热阶段的实测温度场；
23.图4为温度传感器点阵坐标图；
24.图5为典型测点分布图；
25.图6为典型位置水化热温度时程曲线；
26.图7为各区域温升时程曲线；
27.图8为风速和太阳辐射与最大温差散点图；
28.图9为各板竖向温度分布；(a)左腹板(b)右腹板(c)左中腹板(d)右中腹板
29.图10为腹板测点编号；
30.图11为竖向温度梯度变化全过程；(a)左腹板(b)左中腹板
31.图12为竖向温度梯度时程曲线；(a)边腹板(b)中腹板
32.图13为竖向温度梯度理论-实测对比图；(a)边腹板实测值(b)边腹板理论值(c)中腹板实测值(d)中腹板理论值
33.图14为顶板横向温度分布；
34.图15为水化热横向温度梯度分布曲线；
35.图16为横向温度梯度时程曲线；
36.图17为横向温度梯度理论-实测对比图；(a)顶板实测值(b)顶板理论值。
具体实施方式：
37.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
38.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另
有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
39.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
40.实施例1
41.本公开在一种实施例中提供一种基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，包括：
42.步骤1：对模型混凝土箱梁截面的实时温度数据以及所在环境的气象数据进行采集；
43.步骤2：基于获取的混凝土箱梁截面的实时温度数据与所在环境的气象数据，绘制混凝土箱梁截面随时间变化的不同时刻的二维温度分布云图以及太阳辐射和风速与最大温差散点图；
44.步骤3：根据不同时刻的温度分布云图，获取箱梁截面任意位置处温度随时间变化的分布规律，并选取若干特征位置点，分析特征位置点的温度变化获得水热化温度时程曲线；根据散点图，分析水化热、太阳辐射与风速对混凝土温度梯度的影响；
45.步骤4：分别根据不同时刻特征点的水热化温度分布云图，计算不同时刻的竖向温度梯度以及横向温度梯度，拟合竖向与横向温度梯度时程公式。
46.具体的，在步骤1中，在梁体进行浇筑之前，根据缩尺模型的比例，进行模板的制作，钢筋骨架的绑扎，图1为箱梁尺寸图，要将258个温度传感器用扎丝绑扎在钢筋骨架中；箱梁顶底部架设风速、风向传感器和太阳辐射传感器，用以测定箱梁所在环境的气象数据在钢筋骨架内要设置传感器，在浇筑完成后进行无线数据采集，其测试的方式为设定时间内的定频率连续采集，数据采集频率为30mi n/次，设定时间不少于96个小时。根据浇筑完成后96小时的采集数据，绘制其变化的各种规律曲线。
47.所述的在箱梁顶底部设置风速、风向传感器和太阳辐射传感器，来测定箱梁所在环境的气象数据，其进一步的，将温度截面设置于模型的中部，共埋设有258个温度传感器，如图2所示，所述为准确反映温度梯度，传感器测点在顶、底板的梗腋处布置较为密集，传感器位置需根据布筋位置调整，混凝土浇筑前逐一对传感器测点位置进行修正。
48.基于传感器采集的实时温度数据，绘制混凝土箱梁截面随时间变化的二维温度分布云图，如图3所示；
49.如图4所示，在被测的混凝土箱梁截面上建立局部坐标系，确定各个温度测点的坐标，建立温度传感器的点阵坐标索引，建立坐标索引具体是根据确定的各个温度测点的坐标点，将每个坐标点进行描述存储，便于对不同的测点位置进行定位。
50.根据不同时刻的温度分布云图，获取箱梁截面任意位置处温度随时间变化的分布规律，并选取若干特征位置点，分析特征位置点的温度变化获得水热化温度时程曲线；根据散点图，分析水化热、太阳辐射与风速对混凝土温度梯度的影响。
51.具体的，如图5以及图6所示，选取选取箱梁模型顶板、底板和腹板上的12个特征点，根据表1中箱梁截面的水热化温度实测值，分析顶板、底板和腹板区域的温度变化情况
从而获得典型位置水化热温度时程曲线。
52.表1箱梁截面的水热化温度实测值
[0053][0054]
如图7所示，分别选取箱梁顶板部位、底板部位、腹板部位和箱梁截面整体温度测点96h实测数据取平均值计算其各个部位平均温度再将各平均温度取平均值得到截面温度ta，将各时刻平均温度减去入模平均温度得到各区域的温升平均温度，绘制各区域温升时程曲线如图7所示。
[0055]
如图8所示，可以得到，根据绘制的太阳辐射和风速与最大温差散点图，分析水热化、太阳辐射与风速对混凝土温度梯度的影响，从散点图中得到，水化热产生的温度影响远大于太阳辐射与风速产生的影响，混凝土温度梯度与太阳辐射和风速作用无直接关系。
[0056]
分别根据不同时刻特征点的水热化温度分布云图，计算不同时刻的竖向温度梯度以及横向温度梯度，具体的，选取各腹板最底部中间部位为坐标原点，将各测点高度除以梁高进行归一化处理。
[0057]
以各测点高度作为x轴，以浇筑后时间为y轴，以实测温度值作为z轴，绘制在不同时刻，沿腹板高度的水化热温度分布云图，图9为各板竖向温度分布。
[0058]
进一步的，所述左右两侧的边腹板与中腹板温度分布相近，因此仅取左侧两个腹板进行水化热温升分析，将各测点温度减去竖向最低温度得到其竖向温度梯度，绘制各测点竖向温度梯度随时间变化的曲线，如图11所示。
[0059]
进一步的，所述根据竖向温度梯度变化曲线，近似可以用二次函数y＝a(t)x2+b(t)x+c(t)进行描述。
[0060]
进一步的，所述根据竖向温度梯度时程曲线，建立三折线模型，从而提出边腹板与中腹板的竖向温度梯度时程公式。
[0061]
首先，边腹板的如下：
[0062][0063][0064][0065]
式中：t为箱梁浇筑后时间(单位：h)。中腹板如下：
[0066][0067][0068][0069]
进一步的，将简化模型的a(t)，b(t)和c(t)代入到：
[0070]
y＝a(t)x2+b(t)x+c(t)
ꢀꢀ
(7)
[0071]
以得到水化热阶段任意时刻任意位置的竖向温度梯度，绘制该理论温度梯度和实际温度梯度三维云图。
[0072]
选取顶板左侧中点为坐标原点，将各测点宽度除以梁宽进行归一化处理。以为x轴，以浇筑后时间为y轴，以实测温度值作为z轴，绘制在不同时刻沿顶板宽度的水化热温度分布云图。
[0073]
进一步的，所述将各测点温度减去横向最低温度得到其横向温度梯度，每隔6小时绘制各关键时刻横向温度梯度的分布曲线。
[0074]
进一步的，各时刻的水化热横向温度梯度，在顶板与四个腹板交界处出现横向温度梯度峰值，同样呈现出中间高两边低的趋势，同样近似用二次函数y＝a(t)x2+b(t)x+c(t)进行描述。由于测点过多，仅绘制左半幅测试数据，部分测点温度梯度随时间的变化。
[0075]
进一步的，所述各测点竖向温度梯度随时间的变化趋势大概可以简化为图16中红的折线。各测点横向温度梯度均在12时到达峰值，随后在96小时后趋近于0值，可简化为双折线模型：
[0076]
[0077][0078][0079]
将简化模型的a(t)，b(t)和c(t)代入到式(7)，
[0080]
y＝a(t)x2+b(t)x+c(t)
[0081]
可以得到水化热阶段任意时刻任意位置的竖向温度梯度，绘制该理论温度梯度和实际温度梯度三维云图。
[0082]
实施例2
[0083]
本公开公开的一种实施例提供一种基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计系统，包括：
[0084]
多个传感器，用于采集模型混凝土箱梁截面的实时温度数据以及所在环境的气象数据；
[0085]
数据处理中心，用于基于获取的混凝土箱梁截面的实时温度数据与所在环境的气象数据，绘制混凝土箱梁截面随时间变化的不同时刻的二维温度分布云图以及太阳辐射和风速与最大温差散点图；
[0086]
根据不同时刻的温度分布云图，获取箱梁截面任意位置处温度随时间变化的分布规律，并选取若干特征位置点，分析特征位置点的温度变化获得水热化温度时程曲线；根据散点图，分析水化热、太阳辐射与风速对混凝土温度梯度的影响；
[0087]
数据计算中心，分别根据不同时刻特征点的水热化温度分布云图，计算不同时刻的竖向温度梯度以及横向温度梯度，拟合竖向与横向温度梯度时程公式。
[0088]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0089]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0090]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0091]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0092]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0093]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

技术特征：

1.基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在于，包括：对模型混凝土箱梁截面的实时温度数据以及所在环境的气象数据进行采集；基于获取的混凝土箱梁截面的实时温度数据与所在环境的气象数据，绘制混凝土箱梁截面随时间变化的不同时刻的二维温度分布云图以及太阳辐射和风速与最大温差散点图；根据不同时刻的温度分布云图，获取箱梁截面任意位置处温度随时间变化的分布规律，并选取若干特征位置点，分析特征位置点的温度变化获得水热化温度时程曲线；根据散点图，分析水化热、太阳辐射与风速对混凝土温度梯度的影响；分别根据不同时刻特征点的水热化温度分布云图，计算不同时刻的竖向温度梯度以及横向温度梯度，拟合竖向与横向温度梯度时程公式。2.如权利要求1所述的基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在于，在箱梁顶底部设置风速、风向传感器和太阳辐射传感器，来测定箱梁所在环境的气象数据。3.如权利要求1所述的基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在于，在混凝土箱梁截面上建立局部坐标系，确定各温度测点的坐标，建立温度传感器的点阵坐标索引。4.如权利要求1所述的基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在于，选取箱梁顶板、底板以及腹板上的多个特征点，根据箱梁截面的水化热温度实测值，分析顶板、底板和腹板区域的温度变化情况获得特征点位置的水化热温度时程曲线。5.如权利要求4所述的基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在于，分别选取箱梁顶板部位、底板部位、腹板部位和箱梁截面整体温度测点96h实测数据取平均值计算其各个部位平均温度，再将各平均温度取平均值得到截面温度，将各时刻平均温度减去入模平均温度得到各区域的温升平均温度，绘制各区域温升时程曲线。6.如权利要求5所述的基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在于，取左侧两个腹板进行水化热温升分析，将各测点温度减去竖向最低温度得到其竖向温度梯度，绘制各测点竖向温度梯度随时间变化的曲线。7.如权利要求1所述的基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在于，根据竖向温度梯度时程曲线，建立三折线模型，提出边腹板与中腹板的竖向温度梯度时程公式。8.如权利要求7所述的基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在于，所述边腹板时程公式为，式中，t为箱梁浇筑后时间(单位：h)：于，所述边腹板时程公式为，式中，t为箱梁浇筑后时间(单位：h)：于，所述边腹板时程公式为，式中，t为箱梁浇筑后时间(单位：h)：9.如权利要求8所述的基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法，其特征在
于，将a(t)，b(t)和c(t)代入到y＝a(t)x2+b(t)x+c(t)得到水化热阶段任意时刻任意位置的竖向温度梯度，并绘制理论往年度梯度和实际温度梯度三维云图。10.基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计系统，其特征在于，包括:多个传感器，用于采集模型混凝土箱梁截面的实时温度数据以及所在环境的气象数据；数据处理中心，用于基于获取的混凝土箱梁截面的实时温度数据与所在环境的气象数据，绘制混凝土箱梁截面随时间变化的不同时刻的二维温度分布云图以及太阳辐射和风速与最大温差散点图；根据不同时刻的温度分布云图，获取箱梁截面任意位置处温度随时间变化的分布规律，并选取若干特征位置点，分析特征位置点的温度变化获得水热化温度时程曲线；根据散点图，分析水化热、太阳辐射与风速对混凝土温度梯度的影响；数据计算中心，用于分别根据不同时刻特征点的水热化温度分布云图，计算不同时刻的竖向温度梯度以及横向温度梯度，拟合竖向与横向温度梯度时程公式。

技术总结

本公开提供了一种基于点阵式的单箱三室箱梁水化温度梯度设计方法及系统，该方法的水化热温度场实验测点布置充分，能够全面反映结构的最不利温度分布，能够计算不同时间不同位置的温度梯度值；对箱梁的边腹板和中腹板竖向温度梯度进行y＝a(t)x2+b(t)x+c(t)拟合，对获得的竖向温度梯度时程曲线采用三折线模型，从而获得水化热阶段任意时刻任意位置的竖向温度梯度；对于顶板的横向温度梯度，其分布曲线同样采用y＝a(t)x2+b(t)x+c(t)拟合，对获得的横向温度梯度时程曲线采用二折线模型，从而获得水化热阶段任意时刻任意位置的横向温度梯度，有利于准确的计算箱梁温度梯度值，为后续同类型桥梁截面的温度分布评估和桥梁抗裂提供了借鉴。供了借鉴。供了借鉴。