基于分布式光纖的混凝土表面溫度梯度監測試驗及反饋研究

周宜紅，周建兵，黃耀英，周紹武，李金河

（1.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002；2.中國長江三峽集團公司，湖北宜昌 443002）

基于分布式光纖的混凝土表面溫度梯度監測試驗及反饋研究

周宜紅1，周建兵2，黃耀英1，周紹武2，李金河2

（1.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002；2.中國長江三峽集團公司，湖北宜昌 443002）

高溫季節澆筑混凝土時，受太陽輻射及晝夜溫差的影響，混凝土澆筑倉表層溫度日變幅較大，形成非線性溫度梯度，由此引起的拉應力超過相應齡期混凝土的抗拉強度即產生表面裂縫。基于分布式光纖測溫系統具有線測溫和實時在線監測的優勢，采用分布式光纖對混凝土澆筑倉表層溫度進行實時在線監測，確定日變化環境氣溫和太陽輻射對表層混凝土的影響范圍，并建立有限元模型進行溫度場及徐變應力場反饋分析。研究表明，對于層厚3 m的澆筑塊，表層50 cm區域的混凝土受日變化環境氣溫和太陽輻射影響較大。

分布式光纖；太陽輻射；溫度梯度；反饋

溫度變化梯度過大是混凝土產生裂縫的重要原因。高溫季節澆筑混凝土時，太陽輻射熱直接傳給倉面混凝土，加劇晝夜溫差的幅度，澆筑倉混凝土溫度場受到很大影響，尤其是混凝土表層一定深度范圍內溫度變化劇烈，帶來較大的溫度日變幅及梯度，對混凝土澆筑塊的應力和變形產生較大的影響，對表層混凝土抗裂十分不利。

某混凝土壩位于中亞熱帶亞濕潤氣候區，夏季炎熱多雨、氣溫較高、持續時間長，4—9月的月平均氣溫均高于22℃，7月和8月的月平均氣溫均高達27.1℃，7月的極端高氣溫可達40℃以上。該工程雖在亞熱帶地區，但氣溫驟降（如突降暴雨等）仍頻繁，由此引起的拉應力與太陽輻射產生的拉應力疊加，如超過相應齡期混凝土抗拉強度即產生表面裂縫。因此要采取相應的溫控措施避免此類表層裂縫的發生。分布式光纖具有線監測和實時在線監測的優勢，據此，本文基于分布式光纖對混凝土澆筑倉表層溫度分布進行監測，并進行反饋分析。

1 表層溫度梯度監測試驗

1.1 基本原理

分布式光纖溫度傳感器基本原理見文獻［1］。

1.2 理論依據

由準穩定溫度場的熱傳導方程的理論解析解［2］，氣溫變化的影響深度為：

式中：A為氣溫變幅；A0為混凝土表面溫度變幅；P為氣溫變化周期；λ為混凝土導熱系數；β為表面放熱系數；α為導溫系數。

設導溫系數α＝0.10 m2／d，由式（1）得到的氣溫變化影響深度見表1。

表1 氣溫變化影響深度Table1 Depths of influence zones of temperature variation

由表1可見，混凝土表面溫度變化劇烈，外界氣溫變化幅度為A時，當氣溫變化周期為1 d時，在距離混凝土表面0.32 m處的混凝土溫度變化幅度僅為0.10 A，在距離混凝土表面0.44 m處的混凝土溫度變化幅度僅為0.05 A。

1.3 光纖測溫試驗方案

由1.2節的理論分析可見，以日為周期的變化環境氣溫對表層50 cm混凝土溫度影響較大。研究［3］表明，表面裂縫一般是從壩塊邊緣開始的，為監測環境氣溫變化在壩塊邊緣引起的溫度變化，如圖1在距離澆筑倉頂面10，20，40，60 cm處布置4層光纖，本工程澆筑倉層厚為3 m。為保證光纖與澆筑倉頂面平行，特制4行7排的鋼架綁扎光纖。實時在線監測環境氣溫對表層混凝土溫度的影響。

圖1 監測試驗方案圖Fig.1 Schematic diagram of themonitoring test

分布式光纖測溫系統（DTS系統）以2 h時間間隔的采集頻率自動采集測溫數據，氣象中心以每日14：00為日最高氣溫，所以選取每日14：00光纖實測混凝土溫度進行對比分析，即考慮太陽輻射最強時段表層混凝土內部溫度梯度變化。

1.4 光纖測溫成果及分析

距離澆筑倉頂面不同深度處光纖測溫隨時間變化過程線如圖2所示；距離頂面不同深度處光纖測溫在典型時刻垂直向溫度分布如圖3所示。圖2中實測最高氣溫是指每日最高氣溫隨時間的過程線。

圖2 距離頂面不同深度處光纖測溫過程線Fig.2 Curves of tem peraturemeasured at different depths under the top surface by optical fiber

（1）由圖2可以看出氣溫對表層混凝土的影響十分明顯，2010－06－29至2010－07－04連續6 d日最高氣溫都在32℃以上，這6天內，距倉面10 cm處與距倉面60 cm處混凝土溫度差值分別為5.25， 5.88，6.67，6.66，7.05，4.32℃，且日最高氣溫越高，混凝土溫度差值越大；而實測日最高氣溫低于30℃，距倉面10 cm處與距倉面60 cm處混凝土溫度差值都在1℃之內。受太陽輻射影響，距表層不同深度處的混凝土溫度與實測最高氣溫成明顯的正相關。

（2）由距表層不同深度處測點溫度最大日變幅統計表2可知，同一點處混凝土溫度日變化幅度規律，距離混凝土表面的深度越淺，溫度的日變化幅度越大，如距離表面10 cm深度處，該處的溫度日變幅達到8.25℃，但距離表面60 cm深度處的溫度日變幅受環境氣溫的影響已經較小，僅0.99℃。即太陽輻射及晝夜溫差對表層混凝土溫度場影響很大，但影響深度僅在表層50 cm的范圍內，與理論結果一致。且8℃的日變幅對早齡期混凝土防裂十分不利。

圖3 混凝土表面附近垂直向溫度分布Fig.3 Vertical distributions of tem perature near the concrete surface

表2 距表層不同深度測點溫度最大日變幅統計表Table2 Maximum daily variations of tem perature at measuring points in different depths under the surface

（3）圖3為試驗每日15：32表層溫度梯度分布曲線，由圖可以看出溫度梯度較大，距表層10 cm處混凝土溫度比距表層60 cm處混凝土溫度高近8℃，且距表面10 cm處的混凝土溫度最高達到近35℃。

2 反饋分析

為分析問題方便，取高溫季節澆筑的2倉混凝土建立有限元模型，澆筑倉厚3 m，分6個坯層澆筑，為了精確計算表面受太陽輻射影響點溫度變化及應力［4］，將第2倉混凝土表層劃分2層，每層10 cm，其余為20 cm。壩體混凝土澆筑塊：80 m×24 m×12 m（長×寬×高）。壩體單元類型為六面體8節點等參元。環境氣溫采用實際日變化氣溫，以提高日最高氣溫的方式近似考慮太陽輻射的影響。冷卻水管間距1.5 m×1.5 m，采用水管冷卻的等效熱傳導法模擬冷卻水管［5］。通水溫度、通水流量、通水時間均采用實際施工方案。

絕熱溫升采用：

式中：θ（τ）為混凝土絕熱溫升（℃）；τ為混凝土齡期（d）。

徐變度采用8參數徐變度表達式：

式中：C（t，τ）為單位應力下的徐變；τ為混凝土加載齡期（d）；t為時間（d）；f1，g1，p1，r1，f2，g2，p2，r2為常數。

混凝土的熱學參數采用基于光纖實測溫度反演的參數，混凝土力學參數參考設計部門提供的參數。時間步長采用0.25 d。有限元計算模型如圖4所示，反饋分析流程如圖5所示。

圖4 壩體澆筑倉有限元模型Fig.4 Finite elementmodel of concrete block

圖5 反饋分析流程Fig.5 Flow chart of feedback analysis

分別計算不考慮太陽輻射、提高日最高氣溫5℃考慮太陽輻射情況下澆筑塊溫度場及徐變應力場，結果表明：

（1）對比表層10 cm處實測溫度值與計算溫度值（圖6），可知不考慮太陽輻射，即采用實測日變化氣溫進行分析，表層10 cm處計算最高溫度較實測值低6℃，將日最高氣溫提高5℃來近似考慮太陽輻射的影響，計算的最高溫度仍較實測溫度低近1℃。對本次試驗，考慮太陽輻射至少將日最高氣溫提高5℃以上。溫度反饋的總體規律較好。

圖6 表層10 cm處實測溫度值與計算溫度值對比Fig.6 Comparison between measured and calculated tem perature at depth 10cm from the surface

（2）考慮太陽輻射后，將表層10 cm處最高溫度從33.1℃提高到35.7℃，加大了表層不同深度處溫度梯度。

（3）由表面主應力變化過程線（圖7）可知，太陽輻射對澆筑倉混凝土表層應力的影響隨距離表面深度加深而逐漸減小，僅表層處應力變化較大，距表面10 cm處應力變化較小。

圖7 表面主應力變化過程線（考慮太陽輻射）Fig.7 Curves of surface principal stress variation（solar radiation considered）

（4）由于太陽輻射的影響，加劇了晝夜溫差及表層溫度梯度，使混凝土表面的主應力變化幅度較大，且混凝土表面最大拉應力能達到0.93 MPa。對早齡期混凝土抗裂十分不利。

3 結論及建議

（1）高溫季節澆筑混凝土，太陽輻射及晝夜溫差對澆筑倉表面混凝土溫度影響很大。由光纖測溫表明，在距離表面10 cm深度處的最高溫度達到近35℃，與60 cm處的溫差高達8℃，可預見混凝土表面溫度與之溫差更大。

（2）由于太陽輻射的影響，加大了晝夜溫差，表層10 cm深度處混凝土溫度最大日變幅可達8.25℃，使混凝土表面的主應力變化幅度較大，且混凝土表面最大拉應力能達到0.93 MPa。本工程雖在亞熱帶地區，但氣溫驟降仍頻繁。結合上述分析，若突遇氣溫驟降（如突降暴雨等），其產生的拉應力將超過相應齡期表層混凝土抗拉極限，產生表面裂縫。

（3）建議加強倉面流水養護，及不間斷噴水霧養護，特別是在高溫日照強烈時段，保持澆筑倉表面濕潤；白天日照強烈及夜間氣溫較低時段，不影響施工的前提下盡可能覆蓋保溫被；減小太陽輻射及晝夜溫差對表層混凝土的影響，改善混凝土澆筑質量。

［1］ 蔡德所，戴會超，蔡順德，等.分布式光纖傳感監測三峽大壩混凝土溫度場試驗研究［J］.水利學報，2003，（5）：88－91.（CAIDe-suo，DAI Hui-chao，CAI Shunde，et al.Monitoring the Temperature in Concrete Structure of Three Gorges Dam by Using Distributed Optical Fiber Sensor［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2003，（5）：88－91.（in Chinese））

［2］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.（ZHU Bo-fang.Mass Concrete Temperature Stress and Temperature Control［M］.Beijing：China Electric Power Press，1999.（in Chinese））

［3］ 龔召熊，張錫祥，肖漢江，等.水工混凝土的溫控與防裂［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.（GONG Zhao-xiong，ZHANG Xi-xiang，XIAO Han-jiang，et al.Temperature Control and Crack Prevention for Hydraulic Concrete［M］.Beijing：ChinaWater Power Press，1999.（in Chinese））

［4］ 黃耀英，周宜紅.澆筑層網格對混凝土澆筑塊溫度及應力計算的影響［J］.水電能源科學，2009，（2）：104－106.（HUANG Yao-ying，ZHOU Yi-hong.Influence of DifferentMeshes of Concrete Layer on Calculation of Temperature and Stress for Concrete Block［J］.Water Resources and Power，2009，（2）：104－106.（in Chinese））

［5］ 黃耀英，周宜紅.兩種不同水管冷卻熱傳導計算模型相關性探討［J］.長江科學院院報，2009，26（6）：56－59.（HUANG Yao-ying，ZHOU Yi-hong.Correlation of Conduction Calculation Model for Two Different Cooling Pipes Heat［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26（6）：56－59.（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

M onitoring of Temperature Gradient on Concrete Surface by Distributed Optical Fiber and Feedback Analysis

ZHOU Yi-hong1，ZHOU Jian-bing2，HUANG Yao-ying1，ZHOU Shao-wu2，LIJin-he2
（1.College of Hydraulic＆Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China；2.China Three Gorges Corporation，Yichang 443002，China）

During concrete placement in high temperature seasons，large daily temperature variation on the concrete surface will lead to nonlinear temperature gradient，which causes tensile stress.If the stress exceeds the tensile strength of the concrete in corresponding concrete age，surface crackswill occur.Distributed optical fiber was employed to carry out real-time onlinemonitoring of temperature on the surface layer of the concrete block，and subsequently to determine the area influenced by solar radiation and daily air temperature variation.Moreover，a FEM modelwas established to perform feedback analysis on temperature field and creep stress field.Results showed that for a concrete block with 3m-thick layer，the area from the surface to the depth of50cm was largely influenced by daily temperature variation and solar radiation.

distributed optical fiber；solar radiation；temperature gradient；feedback

TV315

A

1001－5485（2012）09－0042－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.010

2011－06－27；

2011－08－26

周宜紅（1966－），男，湖北宜昌人，教授，博士，主要從事水利工程施工方面的教學與科研工作，（電話）13972605689（電子信箱）zhyh＠ctgu.edu.cn。