“華龍一號(hào)”核島整體筏基溫度應(yīng)力有限元分析及測試技術(shù)應(yīng)用研究

陽春華，張熠，樊燭，張鳳麗，何文斌，熊杰，宮亮，孫小毓

（中國核工業(yè)第二二建設(shè)有限公司，武漢430051）

1 引言

“華龍一號(hào)”核島整體筏基作為一次連續(xù)澆筑成型的超大體量混凝土筏基，是典型的大體積混凝土施工，且其外形不規(guī)則、厚薄不一，存在不少基坑，施工過程中極易形成溫度裂縫給工程質(zhì)量帶來隱患，通過運(yùn)用“大體積混凝土溫度應(yīng)力有限元分析及測試技術(shù)”進(jìn)行模擬分析，提前采取針對(duì)性措施解決可能產(chǎn)生的溫度裂縫等質(zhì)量問題，通過模擬與實(shí)測進(jìn)行分析，為后續(xù)類似工程大體積混凝土施工、養(yǎng)護(hù)提供借鑒。

2 華龍一號(hào)核島整體筏基工程概況

整體筏基為圓柱形，半徑28 m，其最低點(diǎn)標(biāo)高為-12.000 m、最高點(diǎn)頂標(biāo)高為-7.800 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，抗?jié)B等級(jí)為P8。正六邊形區(qū)域厚2 450 mm，地坑區(qū)域厚2 270 mm，筒身區(qū)域厚4 000 mm，其他區(qū)域厚4 050 mm，澆筑方式為斜向分層澆筑，混凝土總體澆筑量約8 750 m3，持續(xù)澆筑時(shí)間約68 h。

3 核島筏基大體積混凝土溫度應(yīng)力有限元分析

3.1 邊界條件

3.1.1 環(huán)境溫度

計(jì)算中，取前3年平均值，最高氣溫日平均31.3℃，最低氣溫日均20.8℃，平均氣溫26.1℃，環(huán)境溫度選取正弦函數(shù)進(jìn)行模擬。

3.1.2 筏基約束條件

計(jì)算溫度和應(yīng)力時(shí)均需考慮下部基巖和墊層混凝土的約束，本文中取4.5m厚的基巖參與計(jì)算。

3.1.3 表面保溫條件

筏基混凝土終凝后進(jìn)行覆蓋保濕、保溫養(yǎng)護(hù)。

筏基上表面按升溫階段（3～5 d）、降溫階段養(yǎng)護(hù)。升溫階段：6層塑料薄膜+3層土工布+2層麻袋；降溫階段：6層塑料薄膜+13層土工布+6層麻袋。

六邊形表面升溫階段：6層塑料薄膜+3層土工布+3層麻袋；降溫階段：6層塑料薄膜+10層土工布+5層麻袋。

核島整體筏基外側(cè)面3層土工布+6層麻袋帶模養(yǎng)護(hù)；六邊形側(cè)面6層麻袋帶模養(yǎng)護(hù)。

地坑表面2層塑料薄膜+2層土工布+4層麻袋養(yǎng)護(hù)；地坑側(cè)面6層麻袋帶模養(yǎng)護(hù)。

3.2 對(duì)流換熱系數(shù)與絕熱溫升函數(shù)

本文通過多種方法對(duì)比選取對(duì)流換熱系數(shù)（材料導(dǎo)熱系數(shù)）及絕熱溫升函數(shù)指數(shù)m值，均以GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[1]為依據(jù)（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）。

1）對(duì)流換熱系數(shù)

參考以往經(jīng)驗(yàn)，參照《標(biāo)準(zhǔn)》中式C.0.2，各保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)取值選取《標(biāo)準(zhǔn)》中表C.0.1-1中規(guī)定范圍的10%～50%。

2）m值

方法一：將混凝土絕熱溫升實(shí)驗(yàn)28 d齡期內(nèi)每天的溫升值代入標(biāo)準(zhǔn)中絕熱溫升函數(shù)公式，求得所有m值取平均值。

方法二：通過《標(biāo)準(zhǔn)》中式B.1.5-1計(jì)算取值。

方法三：在《標(biāo)準(zhǔn)》中式B.1.5-1計(jì)算值基礎(chǔ)上根據(jù)軟件分析溫度曲線及實(shí)際監(jiān)測溫度曲線逐步增加該值或遞減該值，試算取值。

m與水泥品種、用量和入模溫度等有關(guān)的單方膠凝材料對(duì)應(yīng)系數(shù)，本文結(jié)合實(shí)際取0.85。

3.3 模擬參數(shù)選取

混凝土配合比及基巖參數(shù)取值詳見表1、表2（表1和表2中參數(shù)由相關(guān)規(guī)范、混凝土全性能報(bào)告結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際模擬得出）。

表1 C40混凝土配合比

表2 基巖參數(shù)取值表

3.4 有限元分析

3.4.1 有限元模型建立

采用有限元軟件Midas FEA進(jìn)行溫度場及應(yīng)力場分析。根據(jù)工程情況，考慮筏基及基巖的散熱條件以及基巖對(duì)筏基的約束條件，有限元模型采用筏基與基巖同時(shí)建模[2]。

3.4.2 數(shù)據(jù)成型

通過建模可以形成核島筏基關(guān)鍵齡期內(nèi)部溫度及應(yīng)力場分布圖，可根據(jù)需要靈活選擇各測點(diǎn)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。本文主要選取上表面及中層位置，2.45 m厚度區(qū)域及4.05 m厚度區(qū)域代表點(diǎn)進(jìn)行分析，其溫度特征值匯總及溫度曲線見本文第4.3條對(duì)比分析。

4 核島整體筏基大體積混凝土測溫技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 測溫儀器布設(shè)

采用DSC無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心系統(tǒng)+自動(dòng)采集模塊配套軟件實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場溫度監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸。測溫點(diǎn)的布置范圍按照對(duì)稱軸線的半條軸線為測試區(qū)，測溫點(diǎn)選擇在溫度變化大，熱量散失快和受環(huán)境溫度影響大的部位，各部位測設(shè)點(diǎn)沿厚度方向最少分3層布置，測溫點(diǎn)布置圖如圖1所示。

圖1 測溫點(diǎn)布置圖

4.2 實(shí)際測溫?cái)?shù)據(jù)

各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，及時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)情況采取調(diào)控措施。典型代表點(diǎn)位2.45 m厚度區(qū)域5#測位點(diǎn)及4.05 m厚度區(qū)域7#測位點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果溫度特征值匯總?cè)绫?所示。

4.3 對(duì)比分析

2.45 m厚度區(qū)域5#、4.05 m厚度區(qū)域7#測位點(diǎn)實(shí)測與有限元分析溫度特征值詳見表3，溫度特征曲線如圖2所示。

圖2 測溫5#、7#測點(diǎn)溫度曲線圖

表3 溫度特征值匯總表

從表3可知，本工程的混凝土表里溫差控制值滿足GB/T 51028—2015《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》[3]中表5.3.3的要求。

由有限元分析結(jié)果和實(shí)測結(jié)果分析可知：

1）溫度特征值的有限元分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。

2）有限元分析與實(shí)測的上表面及中層溫度變化趨勢(shì)基本一致。現(xiàn)場采用斜向分層澆筑，降低了水泥水化熱，實(shí)測溫峰值較低，溫峰時(shí)間較有限元分析提前；由于有限元分析選取覆蓋參數(shù)趨于保守，測溫現(xiàn)場結(jié)合實(shí)際進(jìn)行準(zhǔn)確溫控導(dǎo)致降溫階段對(duì)比曲線出現(xiàn)較大偏差。

3）運(yùn)用Midas FEA有限元軟件進(jìn)行大體積混凝土溫度及應(yīng)力場分析，對(duì)流換熱系數(shù)（保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)）及絕熱溫升函數(shù)指數(shù)m值尤為關(guān)鍵。經(jīng)分析，方法一、方法二相比方法三具有提前性，僅在施工前對(duì)比分析提供參考，方法三需實(shí)測溫度數(shù)據(jù)，更適用于在監(jiān)測過程中及時(shí)修正參數(shù)進(jìn)行模擬以貼合現(xiàn)場實(shí)際，指導(dǎo)采取保溫措施。

4.4 溫度調(diào)控原則及現(xiàn)場實(shí)際保溫措施

降溫期間通過增減保溫覆蓋層材料進(jìn)行降溫梯度的控制，并在養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場搭設(shè)混凝土養(yǎng)護(hù)棚應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度變化。

降溫措施控制原則根據(jù)規(guī)范要求在監(jiān)測開始前設(shè)置預(yù)警值（降溫超過1.8℃/h或連續(xù)4 h降溫達(dá)到0.8℃）。

1）自混凝土澆筑收面完成及時(shí)覆蓋1層橫縱向塑料薄膜+1層土工布。

2）第3 d上午對(duì)貫穿件（地坑）進(jìn)行包裹覆蓋；第4 d凌晨對(duì)廊道入口處覆蓋2層棉被，上午對(duì)插筋區(qū)域（7#、8#測位點(diǎn)代表區(qū)域）加蓋。

3）第4 d凌晨開始對(duì)上半圓區(qū)域加蓋麻袋、更換濕麻袋等一系列措施持續(xù)到第7 d，共加蓋塑料薄膜3層，土工布3層，麻袋5層，棉被1層。

4）其余均根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)反饋，結(jié)合升溫速率與降溫速率對(duì)靈活對(duì)保溫覆蓋層進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化（大面上覆蓋厚度均達(dá)到10 cm，局部溝槽位置超過10 cm）。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)論文有限元分析與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比及實(shí)際養(yǎng)護(hù)情況得出以下結(jié)論與建議：

1）Midas FEA有限元軟件分析溫度曲線與實(shí)測溫度曲線基本一致，可有效指導(dǎo)現(xiàn)場測溫養(yǎng)護(hù)，分析出的應(yīng)力場可提供風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測，提前做好抗裂措施。

2）建議：類似厚度的大體積混凝土工程m值取值范圍0.85～0.9。m值選取對(duì)模擬分析結(jié)果影響較為明顯，分析過程中應(yīng)結(jié)合前文介紹選取合適的m值，為不同的場景提供更可靠的參考。

3）貫穿件及插筋會(huì)迅速散失混凝土內(nèi)部熱量，需加強(qiáng)該部分區(qū)域的保溫覆蓋。

4）4 m左右厚度區(qū)域保溫材料覆蓋厚度宜達(dá)到10 cm。

5）斜向分層澆筑方式有利于降低水泥水化熱及混凝土溫峰值。

6）建議：測溫可實(shí)時(shí)監(jiān)控，按每小時(shí)或半小時(shí)設(shè)置提取數(shù)據(jù)，根據(jù)溫升速度及臨界預(yù)警值及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)措施。內(nèi)外溫差過大時(shí)，進(jìn)行加蓋養(yǎng)護(hù)，內(nèi)外溫差逐漸滿足要求后，變化趨勢(shì)繼續(xù)增大時(shí)考慮減少保溫層覆蓋。