本发明涉及混凝土裂缝控制，具体为一种基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法。
背景技术：
1、随着我国经济的大力发展，工程建设规模越来越大，与此相适应在普通工业与民用建筑中大体积混凝土结构大量出现，目前建筑施工中普遍使用商品混凝土和大坍落度混凝土，混凝的开裂现象一直比较普遍，加之现在所生产的水泥放热速度较过去大为提高，这使得大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出。
2、大体积混凝土裂缝问题十分复杂，涉及到结构、建材料、施工、岩环境等多方面因素，且大体积混凝土浇筑量大，温度应力的变化是产生混凝土开裂的主要原因之一了，混凝土浇筑后，由于水泥在水化凝结过程中，要放出大量热，使混凝土温度升高，体积膨胀，直至达到最高温度，随后随着水化放热的减少和混凝土内部热量向外部散发，混凝土内部温度将降至一个稳定温度或准稳定温度场，水泥的水化热大部分集中在凝士浇筑后3～5天内，此时混凝土的变形模量小，强度低，由于一次性混凝土浇注量大，工程条件复杂，若施工措施控制不力，极易产生各种混凝土裂缝，轻者会影响混凝土的耐久性，重者还会严重影响混凝土的力学性能，对大体积混凝土裂缝尤其是温度裂缝进行有效的控制，成为工程界普遍关注的课题。
3、经检索，关于控制大体积混凝土裂缝的系统和控制方法已有相关专利公开，如，中国专利申请号为：202111631022.4，申请日为2021年12月29日，发明创造名称为：一种高效控制大体积混凝土裂缝的系统及其控制方法。该申请案公开的控制大体积混凝土裂缝的系统包括u型架，所述u型架的左侧内壁上固定安装有换热块，所述换热块为中空设置，所述换热块的右侧设有混凝土本体，且混凝土本体的顶部和底部均密封贴合有一号密封板，所述混凝土本体的左侧和右侧均密封贴合有二号密封板，两个二号密封板的前侧和两个一号密封板的前侧均延伸至混凝土本体的前侧。该申请案通过设置上述系统，采用水冷和风冷结合的方式对混凝土本体进行散热，以在混凝土本体制备过程和混凝土本体养护两个方面高效控制裂缝的产生，但该系统的设置以及在实际施工操作中使用较为麻烦，施工成本较高，不经济。
4、又如，中国专利申请号为：202310899551.5，申请日为2023年7月21日，发明创造名称为：一种大体积混凝土冷水循环降温及自动测温施工方法，该申请案通过参数分析，对冷却效果的参数进行仿真分析，制定针对性温控措施，方案模拟优化，确定冷水降温布置方案走向图，包括降温管材料选用，建立三维立体模型，三维可视化交底，冷水降温管施工，以实现对大体积混凝土开裂情况的控制，但该方案主要通过控制混凝土内部温度来间接减少裂缝的风险，且该方案中冷水循环降温效果受环境温度、湿度、风速等多种因素影响，其虽然考虑了冷却水管的布置和通水流量等因素，但可能无法完全适应所有环境条件，使用场景较为受限。
技术实现思路
1、1.要解决的问题
2、本发明的目的在于解决现有超大体积混凝土裂缝控制施工难度高、效果相对较差的问题，提供了一种基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，以解决上述背景技术提出的问题。
3、2.技术方案
4、为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
5、本发明的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，具体包括以下步骤：
6、步骤s1：建立基于热流耦合算法的大体积混凝土水管冷却精细模型，在分析混凝土水管冷却效果时，将冷却水管中的水流作为一维恒定流，建立考虑水流的热传导微分方程，考虑管道内水的流动、传热和与其周围混凝土对流换热的热流耦合问题，精细地考虑混凝土通水冷却情况下水管附近温度场及温度梯度的分布情况；
7、步骤s2：建立不同网格密度的水管单元模型对混凝土通水冷却过程进行仿真，并与已有方法进行对比，验证该方法的精确度与适用性，本发明中确定的精度范围通常取±5％到±15％之间，然后通过对网格密度及计算时间步长进行敏感性对比分析，确定水管子单元与混凝土单元尺寸比例系数的合理建议取值或范围，具体的，水管子单元与混凝土单元尺寸的比例系数通常在1:10～1:100之间。需要说明的是，该比值的确定需要根据实际施工情况进行相应的调整，具体的，确定水管子单元与混凝土单元尺寸比例系数的方法步骤如下：
8、s201：分析工程需求：首先，需要明确仿真模型的目标和预期的应用场景，包括了解工程对仿真结果的精度要求、计算资源的限制(如计算时间、内存)以及仿真模型需要解决的具体问题，例如，如果仿真主要用于预测混凝土的温度场分布，那么需要确保仿真结果在这一方面具有较高的精度；
9、s202：考虑物理特性，接下来，需要考虑水管和混凝土的实际物理特性。这包括水管的直径、长度、壁厚以及混凝土的浇筑层厚度、骨料大小，这些物理特性会影响仿真模型中单元尺寸的选择，例如，如果水管的直径较小，那么可能需要选择较小的单元尺寸来准确模拟其影响；
10、s203：敏感性分析，进行敏感性分析是确定比例系数的重要步骤，通过改变水管子单元与混凝土单元尺寸的比例系数，观察仿真结果的变化情况，这可以帮助评估不同比例系数对仿真结果的影响，并确定一个合适的范围。在敏感性分析中，可以关注关键输出参数(如温度、应力等)的变化，并确定哪些比例系数能够产生可接受的结果；
11、s204：实际验证，可以通过在实际工程中测量温度、应力等参数，并将测量结果与仿真结果进行比较来实现，实际验证可以帮助评估仿真模型的准确性，并根据需要调整比例系数以提高精度。
12、步骤s3：进行水管部位细网格的快速划分，以及热流管单元的快速定义，提出利用并层分析方法进行基于热流管单元的大体积混凝土温度应力场的多尺度仿真研究，用以模拟大体积混凝土施工浇筑全过程。
13、在计算中分别考虑通水部位及不通水部位的混凝土单元，在混凝土通水冷却阶段，采用细网格求解通水过程中的局部温度变化规律，其他部位采用并层网格模拟大体积混凝土整体温度情况。
14、在仿真中考虑混凝土绝热温升随时间变化特性，并考虑外界气温以及通水冷却等复杂条件。外界气温可以根据实测资料拟合成气温余弦函数，或制成单元表的形式进行加载，并通过细网格与并层网格的对比验证该并层分析方法的精确度和效率。
15、步骤s4：建立三相非均质细观模型并编制相应的模型生成程序，将混凝土看作由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区组成的三相非均质复合材料，拟定合适的混凝土骨料颗粒形状、分布及总体填充率，按照蒙特卡罗方法在给定空间内随机生成骨料分布模型，并根据骨料在网络中的位置判定单元类型以及赋予其相应的材料特性(如：骨料单元、固化水泥砂浆单元及界面单元)，并通过简单的数值算例进行验证。
16、步骤s5：建立含热流管单元的混凝土细观力学分析模型，编制相应的计算程序，进行不同通水水温下的温度开裂细观数值仿真试验，从而高效动态模拟大体积混凝土温度裂缝的萌生、扩展和直至贯通形成宏观裂纹的全过程，更好地把握大体积混凝土的整体受力特征和微观破坏过程，通过各工况的数值试验对比分析，研究开裂的影响因素以及温度裂缝的扩展规律。
17、步骤s6：采用基于细观非均质模型的混凝土通水冷却开裂过程数值模拟方法，系统分析了不同通水工况下多组细观数值仿真成果，研究混凝土材料的非均匀性，混凝土温度的非均匀性以及整体降温幅度影响对温度裂缝产生的影响，从而探讨温度裂缝的产生机理，并根据裂缝产生特点给出大体积混凝土温控防裂要点。
18、步骤s7：利用基于热流耦合算法的温度裂缝细观分析方法求解不同龄期下混凝土在不同水管温差条件下的临界降温幅度及临界抗裂安全系数，并分析材料非均匀性、温度非均匀性对其的影响，通过与传统安全系数进行比较分析，提出一套基于混凝土细观数值模型的抗裂安全系数，作为传统安全系数的补充。同时，本发明提出利用宏细观模型进行混凝土温度场的模拟方法，进行复杂情况下二期通水冷却过程的模拟，进一步研究确定二期通水合适的水管温差。
19、步骤s8：从材料和设计方面着手，优化配比减用、加减水剂、缓凝剂、胀外料(如煤)，降低水化热、高凝土抗拉强度、改善约束条件、控制混凝土内部最高温升，减少总降温差；
20、步骤s9：从施工方面着手，严格控制混凝土温度、降低浇筑温度、延缓混凝土降温速率、减小基础温差、内外温差及表面温度骤降。
21、步骤s10：从养护方面着手，提高混凝土的表面温度，降低混凝土的内外温差。
22、作为本发明的进一步改进，利用水管热流耦合分析方法计算混凝土水管冷却问题的主要步骤如下：
23、step1：建立大体积混凝土水管热流耦合有限元分析模型，并结合水管实际位置定义热流管单元；
24、step2：施加初始条件，计算初始温度场；
25、step3：将混凝土划分为若干浇筑层，利用单元生死技术，首先将其全部杀死，根据浇筑时间顺序逐层激活模拟混凝土浇筑过程；
26、step4：输入浇筑计划安排，主要包括浇筑时间及间歇期，以及通水措施，主要包括通水开始及结束时间、通水水温及流量，并定义表征第一个浇筑层的量n＝1；
27、step5：激活即将浇筑的第n个浇筑层，设定新浇筑混凝土浇筑温度；
28、step6：删除先前施加的边界条件，并施加新荷载及边界条件：在当前浇筑块的临空面上施加对流边界条件，对称面施加绝热边界条件，根据各浇筑层龄期施加相应的水化热体积载荷(绝热升温)；
29、step7：混凝土龄期在通水时间范围内的浇筑层利用热流管单元进行通水冷却的模拟：在冷却水管的管壁上建立水流与周围混凝土之间的对流换热关系，在冷却水管的入口处设定通水温度及通水流量；若通水时间达到规定的时间，则停止通水；
30、step8：时间步进行求解直至浇筑层n间歇期结束；
31、step9：判断是否存在下一个浇筑层，若有，则令n＝n+1并重复step 5～8，若没有则跳出循环计算指定的剩余计算步；
32、step10：进行后处理，提取所需的计算结果。
33、需要说明的是，上述步骤是利用水管热流耦合分析方法计算混凝土水管冷却问题的整体框架和主要步骤，为了更加适用于大体积混凝土水管冷却问题的实际求解，本发明还进一步引入了前处理生成网格、结合并层算法进行精细化计算等具体内容，进一步拓展了上述步骤中关于建立有限元分析模型、施加初始条件、模拟混凝土浇筑过程、以及通水冷却模拟等步骤，这样的拓展使得本发明的计算方法更加具体、完善，更符合实际情况，具体的，更进一步的，在前处理生成好合适的网格的基础上，利用水管热流耦合分析方法结合并层算法计算大体积混凝土水管冷却问题，按以下基本步骤执行：
34、步骤一：导入初始细网格整体计算模型，施加初始条件，计算初始温度场；
35、步骤二：将混凝土划分为若干浇筑层，利用单元生死技术，首先将其全部杀死，根据浇筑时间顺序逐层激活模拟混凝土浇筑过程；
36、步骤三：输入浇筑计划安排，主要包括浇筑时间及间歇期，以及通水措施，主要包括通水开始及结束时间、通水水温及流量，并定义表征第一个浇筑层的量n＝1；
37、步骤四：激活即将浇筑的第n个浇筑层，设定新浇筑混凝土浇筑温度；
38、步骤五：遍历当前已激活浇筑层k＝1～n，并判断该浇筑层是否受通水影响：若浇筑层k及相邻浇筑层都不在通水时间内，则认为其不受通水影响，浇筑层k采用粗网格代替当前细网格进行模拟；否则认为其受通水影响，浇筑层k采用当前细网格进行模拟；
39、步骤六：删除先前施加的边界条件；并施加新荷载及边界条件：在当前浇筑块的临空面上施加对流边界条件；对称面施加绝热边界条件；根据各浇筑层龄期施加相应的水化热体积载荷(绝热升温)；
40、步骤七：混凝土龄期在通水时间范围内的浇筑层利用热流管单元进行通水冷却的模拟：在冷却水管的管壁上建立水流与周围混凝土之间的对流换热关系，在冷却水管的入口处设定通水温度及通水流量；若通水时间达到规定的时间，则停止通水。作为本发明的进一步改进，步骤s3中，并层分析方法中主要考虑因素为混凝土龄期，由于混凝土的主要热力学参数均伴随时间变化而变化，因此对于不同浇筑层的混凝土来说，其热力学参数包括绝热温升以及弹模、徐变等都因龄期的不同而不同，因此并层时应尽量考虑这一因素的影响。在浇筑前期时，相邻浇筑层直接由于混凝土龄期的差异性，导致其热力学参数不同，因此并层应尽量发生在同一个浇筑层，避免不同浇筑层单元进行并层。
41、而当相邻浇筑层混凝土龄期均较大时，绝热温升及弹模较为接近，且变化趋于稳定，此时可根据情况考虑并层。而影响并层的另一个主要条件是：相邻混凝土单元各节点温度要趋于一致，并层才能进行，这就表明在混凝土内部水管冷却停止后，还要继续算到各结点的温度趋于一致的时候，才能换成大单元以减少结点数目，再往下计算。
42、作为本发明的进一步改进，步骤s6中，混凝土温控防裂，主要包括如下措施：
43、从混凝土材料上着手，在混凝土拌制以及施工浇筑过程中尽可能严格把关，提高混凝土施工质量，从而尽可能减少混凝土内部软弱结构区，特别是对于可能形成大应力区的部位应格外重视，和/或
44、从控制整体降温幅度上着手：控制降温幅度首要的是要控制好最高温度，最高温度为60℃～70℃，即要制定合理的施工进度，合适的浇筑温度以及通水冷却时间安排，并制定合理的目标控制温度，每日降温幅度控制在1.5℃～2.0℃，从宏观上制定合理的温度控制标准并严格执行，和/或
45、从控制局部降温梯度保证温度分布均匀上着手：控制通水过程的降温梯度，即根据混凝土温度状态选择合适的通水水温及通水流量，以确保通水冷却时，降温梯度应控制在每小时不超过1.0℃至1.5℃之间。
46、另外，在施工中还应通过采取合适的水管流向变换来确保大坝内部温度的整体均匀，控制表面散热的降温梯度控制在每日不超过2.0℃至3.0℃之间，即根据仓面及混凝土表面环境温度变化情况及时采取有效的保温隔热措施，避免表面形成过大的温度梯度，而导致裂缝的产生。
47、作为本发明的进一步改进，步骤s8中，从材料和设计方面着手，包括如下方式：
48、采用化学外加剂(减水剂、超塑、引等)，采用矿物和料取代水泥，例如：煤、山灰、高炉矿渣硅灰、石粉等，和/或
49、采用大粒径集料，在保证遵守一定的工作性的条件下，采用尽可能大的水灰比，这种方法常在大坝核心混凝土中应用，水灰比通常在0.55到0.70之间，和/或
50、碾压法施工，采用低热膨胀系数的集料可以减小混凝土的温度变形，减小混凝土收缩时的约束应力，从而获得较低的开裂敏感性；和/或
51、在设计阶段还要对施工过程进行一系列的决策，例如，浇注混凝土的尺寸、混凝土的规格、施工地点、伸缩缝的位置、投料顺序、最大温升和温差等，首先应该避免混凝土中不必要的大体积和大厚度现象，应考虑用中空的结构形式代替大体积结构形式，以降低相邻结构物约束程度，也可通过选择合适的混凝土接缝位置和混凝土浇注顺序来进行优化。
52、作为本发明的进一步改进，步骤s9中，从施工方面着手，包括以下措施：
53、在混凝土中植入冷水管，循环通冷水冷却；和/或
54、在混凝土中植入钢管排，通制冷空气来进行混凝土内部冷却；和/或
55、对混凝土表面洒水，进行外部冷却；和/或
56、在混凝土表面进行绝热保温措施，在混凝土表面覆盖保温材料，以减少内外温差、降低混凝土表面温度梯度；和/或
57、掺加缓凝类外加剂。
58、作为本发明的进一步改进，步骤s10中，从养护方面着手，包括以下措施：
59、通过控制脱模时间，混凝土表面开裂的关键阶段发生在混凝土浇注后的1d～2d内，因此在此时进行脱模是非常不可取的，应避开此时间段进行脱模；和/或
60、当混凝土暴露在较低的环境温度中时，即日平均气温或混凝土表面温度连续一段时间(如24小时)低于10℃至15℃时，对混凝土进行表面绝热保温，同时，需要说明的是，进行绝热保温时须注意保温层的分层设置以及逐层撤去；和/或
61、向混凝土表面洒水或采用密封剂(或保水剂)来避免干缩的影响；和/或
62、夏季施工时还应避免阳光直射。
63、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
64、本发明的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，采用大体积混凝土整体局部一致性模型的快速建立方法，在此基础上采用并层算法进行基于热流管单元的温度应力场的多尺度仿真分析，从而有效解决数值模型的前后处理难度、计算精度与计算效率之间的矛盾，合理采用并层分析能够在保证计算成果正确合理的前提下，极大降低计算过程中网格规模，控制计算过程中网格数目，从而能够有效降低时间，提高效率，使得大规模的精细计算成为可能，提供更好的超大体积混凝土裂缝控制要点。
1.一种基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：利用水管热流耦合分析方法计算混凝土水管冷却问题的主要步骤如下：
3.根据权利要求2所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：在前处理生成好合适的网格的基础上，利用水管热流耦合分析方法结合并层算法计算大体积混凝土水管冷却问题，按以下基本步骤执行：
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：步骤s3中，计算时，分别考虑通水部位及不通水部位的混凝土单元，在混凝土通水冷却阶段，采用细网格求解通水过程中的局部温度变化规律，其他部位采用并层网格模拟大体积混凝土整体温度情况；仿真时考虑混凝土绝热温升随时间变化特性，并考虑外界气温以及通水冷却条件，气温根据实测资料拟合成气温余弦函数，或制成单元表的形式进行加载，并通过细网格与并层网格的对比验证该并层分析方法的精确度和效率。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：步骤s4中，按照蒙特卡罗方法在给定空间内随机生成骨料分布模型，并根据骨料在网络中的位置判定单元类型以及赋予其相应的材料特性。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：步骤s3中，并层分析方法中主要考虑因素为混凝土龄期，浇筑混凝土时，包括如下控制：
7.根据权利要求1-3中任一项所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：步骤s6中，混凝土温控防裂，主要包括如下措施：
8.根据权利要求1-3中任一项所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：步骤s8中，从材料和设计方面着手，包括如下方式：
9.根据权利要求1-3中任一项所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：步骤s9中，从施工方面着手，包括以下措施：
10.根据权利要求1-3中任一项所述的基于热流耦合算法的超大体积混凝土裂缝控制方法，其特征在于：步骤s10中，从养护方面着手，包括以下措施：
