大體積混凝土溫控計算方法研究

【摘要】核電是一種安全、清潔、經濟的能源形式，核安全是政府和公眾關注的焦點，是核電站得以發展的前提。核電站大多數建、構筑物為鋼筋混凝土結構，存在不少的大體積混凝土。因此，保證大體積混凝土的施工質量是實現核安全第一步。 本文以田灣核電站核輔助廠房筏基為工程背景，利用不同計算方法對大體積混凝土溫度及應力進行計算，并與實測值進行對比，研究不同計算方法的有效性、實用性，為更多大體積混凝土溫控計算提供指導作用。

【關鍵詞】規范法、手冊法、絕熱溫升、松弛系數

1.現狀簡介

在核電站以及一些大型民用工程建設中，常用到大體積混凝土。大體積混凝土施工過程中，可能會因凝膠材料水化引起混凝土澆筑體內部溫度劇烈變化和收縮，而導致有害裂縫的產生。如何防止出現有害裂縫是大體積混凝土施工的關鍵問題。在施工前進行溫度及應力理論計算是大體積混凝土防裂的主要技術措施之一，進行理論計算有兩方面作用：一是指導施工后保溫養護工作，二是確定混凝土中不會產生有害裂縫。

2.提出問題

溫控計算方法主要有：1）依據2009年10月1日開始實施的《大體積混凝土施工規范 GB50496—2009》中一維差分法計算，簡稱“規范法”；2）依據2003年9月出版的《施工手冊》10-7-2大體積混凝土裂縫控制計算，簡稱“手冊法”。

《大體積混凝土施工規范》發布時間晚，且較之《施工手冊》更加權威，但是經了解其他工程、查閱相關資料，發現采用規范法進行溫度及應力計算的工程極少，大多數采用手冊法。本文主要以田灣核電站5、6號機組筏基為背景，通過強有力的數據分析，驗證規范法比手冊法更加接近實際、更加有效，以推廣規范法被更多工程采用。

3.溫度及應力對比分析

4.1溫度計算分析

4.1.1實測溫度：利用實際測溫數據，計算每日實測砼表面、中心、底部溫度的平均值及里表溫差，匯總在表1中；

4.1.2規范法計算溫度（考慮保溫）：利用一維差分法，將筏基混凝土沿厚度方向分5段，每段0.6m，時間分段取0.5d（即12h），計算28天內砼表面、中心、底部溫度（每日溫度利用相鄰兩個時間段的平均值求出），并求出里表溫差，匯總在表1中；

4.1.3手冊法計算溫度（考慮保溫）：利用手冊法，計算出3天、6天、9天……砼表面、中心溫度，并求出里表溫差，匯總在表1中；

表1：

4.1.4數據分析：

表面溫度對比：實測砼表面平均溫度32.3℃，規范法計算砼表面平均溫度26.9℃，達到實測溫度的83.3%，手冊法計算砼表面平均溫度24.8℃，達到實測溫度的76.8%；

中心溫度對比：實測砼中心平均溫度48℃，規范法計算砼中心平均溫度43.8℃，達到實測溫度的91.3%，手冊法計算砼中心平均溫度33.2℃，達到實測溫度的69.2%；

溫度最大值及相應齡期：實測溫度第5天達到最大值60.4℃，規范法計算溫度第7天達到56.1℃，手冊法計算溫度第3天達到最大值45.4℃；

里表溫差：實測砼里表溫差平均值15.7℃，規范法計算砼里表溫差平均值16.9℃，達到實測的107.6%，手冊法計算砼里表溫差平均值8.7℃，達到實測的51.5%；

4.1.5結論：

規范法計算各點溫度相對于手冊法計算溫度更加接近實測溫度。規范法計算里表溫差相對于手冊法計算里表溫差更加接近實測里表溫差。

4.1.6規范法計算溫度存在問題：

規范法計算溫度/里表溫差與實測溫度/里表溫差也有一定的差值，主要原因是：規范法計算對于混凝土澆筑過程中以及澆筑后1-3天內溫升考慮偏低，應提高5-15℃；規范法計算砼表面溫度僅考慮保溫棚的作用，未考慮麻袋保溫層的影響，致使砼各點降溫大，28天溫度與實測值有一定偏差；砼底部溫度與實測溫度偏差較大是由于未考慮地熱對地基溫度的影響。

4.2 應力計算分析：

4.2.1采用規范法，分實測溫度、計算溫度（保溫）、計算溫度（不保溫）進行應力計算，計算中自約束應力和外約束應力均只考慮產生拉應力的不利影響，將產生的壓應力作為安全儲備，并求出自約束應力和外約束應力之和，作為最終的拉應力。強度標準值和強度設計值在計算值基礎上除以1.15的安全系數。計算結果詳見表1。

4.2.2數據分析：

四種計算方法計算的應力值均低于砼相應齡期的強度標準值及設計值；

規范法（實測）、規范法（保溫）、手冊法（保溫）是在基本相同的外界環境下進行的，規范法（保溫）、手冊法（保溫）均比規范法（實測）應力大，偏于安全。手冊法（保溫）應力略大于規范法（保溫）應力，主要是由于手冊法計算約束應力從理論上來講存在問題，見3）的分析。

規范法（不保溫）計算應力大于規范法（保溫）、規范法（實測）計算應力，可見實際保溫措施還是起了一定的作用。

4.2.3計算應力存在問題：

規范中用一維差分法進行應力校核時，沒有將自約束應力和外約束應力進行疊加，未考慮應力最不利情況。

手冊法中用公式 （10-59）進行應力校核時，僅將每一區段的σi簡單疊加，未考慮前一區段到后一區段的應力折減，不能很好的反應實際情況。

4.應用規范法應注意的問題：

從上述溫度及應力的計算分析，可以肯定規范法理論計算確實更加接近實測值，值得類似工程推廣采用，在應用中應注意以下問題：

公式B.4.3中的Tmax應為最大絕熱溫升，規范中未明確定義，易與規范B.5中“混凝土澆筑體達到最高溫度Tmax”混淆；

公式B.4.2中的Δt單位為小時（h），B.4.3中的t1、t2單位為天（d），計算中易錯；

B.6.1混凝土的松弛系數表不完整，其定義為“在齡期為τ 時，第i 計算區段產生的約束應力延續至t 時的松弛系數”，表B.6.1中只有齡期為2、5、10、20d的數據，其他齡期均不能查到。在本次應用中，利用橫向、豎向差分法對松弛系數表進行了初略擴展；

5.參考資料

【1】《大體積混凝土施工規范》GB50496-2009

【2】《施工手冊》2003版

【3】《大體積混凝土施工規范實施指南》仲曉林、林松濤

【4】《田灣核電站擴建工程5、6號機組9NR廠房施工圖紙》