(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111547715.5 (22)申请日 2021.12.16 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114218645 A (43)申请公布日 2022.03.22 (73)专利权人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 乔国富　薛广杰　欧进萍　 (74)专利代理 机构 哈尔滨龙 科专利代理有限公 司 23206 专利代理师 李智慧 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01)G06Q 50/08(2012.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (56)对比文件 CN 111812149 A,2020.10.23 CN 105044312 A,2015.1 1.11 审查员 胡瑞娟 (54)发明名称 物性时空变异的箱梁蒸养热力耦合场理论 模型和计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种物性时空变异的箱梁蒸 养热力耦合场理论模型和计算方法， 所述箱梁蒸 养热力耦合场理论模型包括绝热温升模型、 材料 物理属性、 控制方程和边界条件。 本发明针对混 凝土材料的热学属性和 力学属性， 建立了基于成 熟度理论的材料物理属性模型， 考虑了其在时间 上和空间上的不均匀分布， 得到了更为精确的箱 梁蒸养制造的热力耦合场计算模 型。 本发明实现 了对高铁箱梁蒸养过程中的温度场、 应力场以及 开裂风险的分布和演化规律的精确计算， 为大型 蒸养钢混构件的高质量生产和精细化控制提供 了坚实的理论基础。 权利要求书3页 说明书11页 附图9页 CN 114218645 B 2022.07.01 CN 114218645 B 1.一种物性 时空变异的箱梁蒸养热力耦合场理论模型的建立方法， 其特征在于所述方 法建立的箱梁蒸养热力耦合场理论模型包括绝热温升模型、 材料物理属 性、 控制方程和边 界条件， 其中： 所述绝热温升模型为： θ(te)＝θu[1‑exp(‑mte)]； 式中， te为混凝土单元的等效龄期， θ(te)为混凝土在等效龄期te下的绝热温升， θu为绝 热温升最终量， m为由实验条件确定的常数； 所述材料物理属性包括热学属性和力学属性， 其中： 热学属性包括导热系数和比热容， 力学属性包括弹性模量、 抗拉强度和热膨胀系数； 所述控制方程 为： 式中， ρ 为混凝土的密度， 为混凝土的比热容， 和 分别表 示混凝土在X、 Y和Z三个方向的导热系数， θ(te)为混凝土在等 效龄期te下的绝热温升， 为混凝土单元的水化 程度， te为混凝土单元的等效龄期， T为混凝 土单元的温度； 所述边界条件为： 式中， kx、 ky和kz分别表示混凝土在X、 Y和Z三个方向的导热系数， Tamb为蒸汽养护的温 度， β 为固体 最外层自由表面的对流换热系数， δi为箱梁外保温层的厚度， λi为箱梁外保温层 的导热系数。 2.根据权利要求1所述的物性时空变异的箱梁蒸养热力耦合场理论模型的建立方法， 其特征在于所述 导热系数的计算公式为： 式中， 为水化程度 下的导热系数， k0为混凝土完全硬化后的导热系数， te为 混凝土单元的等效龄期； 比热容的计算公式为： 式中， 为水化程度 下的比热容， c0为混凝土完全硬化后的比热容； 式中， E(te)为混凝土单元等效龄期te下的弹性模量， Et28为养护28天后混凝土的弹性模 量； 所述抗拉强度的计算公式为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114218645 B 2式中， ft(te)为混凝土单元等效龄期te下的抗拉强度， ft28为养护28天后混凝土的抗拉 强度， a和b为取决于材 料类型的常数； 所述热膨胀系数的计算公式为： 式中， 为水化程度 下的热膨胀系数， 为初始浇筑混凝土的热膨胀系数， 为完全硬化后的热膨胀系数。 3.一种利用权利要求1或2任一项所述方法建立的箱梁蒸养热力耦合场理论模型进行 物性时空变异的箱梁蒸养热力耦合场的计算方法， 其特 征在于所述方法包括以下步骤： 步骤一、 根据箱梁 的施工图纸， 利用ANSYS有限元软件建立箱梁 的有限元计算模型， 输 入温度场求 解的初始条件和边界条件； 步骤二、 线性估算下一时间步混凝土单元的温度 并估算下一时间步的等效龄期 以此作为混凝 土材料物理属性和内热源项的计算依据； 步骤三、 基于步骤二得到的材料物理属性和内热源项， 利用ANSYS有限元软件求解该时 间步的箱梁温度场， 并将混凝土单元 的温度、 等效龄期和水化程度计算结果进行输出用于 应力场的计算； 步骤四、 读取温度场求解结果， 利用ANSYS有限元软件计算相应时间步材料的力学属 性， 完成混凝 土单元的温度应力以及开裂风险的计算； 步骤五、 重复步骤二至步骤四， 直至 完成设定的求 解时间。 4.根据权利要求3所述的物性时空变异的箱梁蒸养热力耦合场的计算方法， 其特征在 于所述初始条件包括箱梁初始温度T0、 初始水化放热速率以及材料初始的物理属性； 所述 边界条件 包括箱梁和养护环境交界处的对流换 热系数βs和蒸汽养护的温度Tamb。 5.根据权利要求4所述的物性时空变异的箱梁蒸养热力耦合场的计算方法， 其特征在 于所述βs的计算公式为： 6.根据权利要求3所述的物性时空变异的箱梁蒸养热力耦合场的计算方法， 其特征在 于等效龄期 为： 式中， 为第i+1时间步的混凝土单元的等效龄期， te,i为第i时间步的等效龄期， Ea为 普通水泥的活化能， R为气体常数， Tr为参考温度， Ti为第i时间步的温度场， Δti+1为第i+1时 间步的步长 。 7.根据权利要求3所述的物性时空变异的箱梁蒸养热力耦合场的计算方法， 其特征在权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114218645 B 3