“華龍一號”核島整體筏基溫度應力有限元分析及測試技術應用研究

陽春華，張熠，樊燭，張鳳麗，何文斌，熊杰，宮亮，孫小毓

（中國核工業第二二建設有限公司，武漢430051）

1 引言

“華龍一號”核島整體筏基作為一次連續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量帶來隱患，通過運用“大體積混凝土溫度應力有限元分析及測試技術”進行模擬分析，提前采取針對性措施解決可能產生的溫度裂縫等質量問題，通過模擬與實測進行分析，為后續類似工程大體積混凝土施工、養護提供借鑒。

2 華龍一號核島整體筏基工程概況

整體筏基為圓柱形，半徑28 m，其最低點標高為-12.000 m、最高點頂標高為-7.800 m，混凝土強度等級為C40，抗滲等級為P8。正六邊形區域厚2 450 mm，地坑區域厚2 270 mm，筒身區域厚4 000 mm，其他區域厚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，持續澆筑時間約68 h。

3 核島筏基大體積混凝土溫度應力有限元分析

3.1 邊界條件

3.1.1 環境溫度

計算中，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℃，環境溫度選取正弦函數進行模擬。

3.1.2 筏基約束條件

計算溫度和應力時均需考慮下部基巖和墊層混凝土的約束，本文中取4.5m厚的基巖參與計算。

3.1.3 表面保溫條件

筏基混凝土終凝后進行覆蓋保濕、保溫養護。

筏基上表面按升溫階段（3～5 d）、降溫階段養護。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。

核島整體筏基外側面3層土工布+6層麻袋帶模養護；六邊形側面6層麻袋帶模養護。

地坑表面2層塑料薄膜+2層土工布+4層麻袋養護；地坑側面6層麻袋帶模養護。

3.2 對流換熱系數與絕熱溫升函數

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

1）對流換熱系數

參考以往經驗，參照《標準》中式C.0.2，各保溫材料導熱系數取值選取《標準》中表C.0.1-1中規定范圍的10%～50%。

2）m值

方法一：將混凝土絕熱溫升實驗28 d齡期內每天的溫升值代入標準中絕熱溫升函數公式，求得所有m值取平均值。

方法二：通過《標準》中式B.1.5-1計算取值。

方法三：在《標準》中式B.1.5-1計算值基礎上根據軟件分析溫度曲線及實際監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的單方膠凝材料對應系數，本文結合實際取0.85。

3.3 模擬參數選取

混凝土配合比及基巖參數取值詳見表1、表2（表1和表2中參數由相關規范、混凝土全性能報告結合現場實際模擬得出）。

表1 C40混凝土配合比

表2 基巖參數取值表

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進行溫度場及應力場分析。根據工程情況，考慮筏基及基巖的散熱條件以及基巖對筏基的約束條件，有限元模型采用筏基與基巖同時建模[2]。

3.4.2 數據成型

通過建模可以形成核島筏基關鍵齡期內部溫度及應力場分布圖，可根據需要靈活選擇各測點各個時間點進行數據分析。本文主要選取上表面及中層位置，2.45 m厚度區域及4.05 m厚度區域代表點進行分析，其溫度特征值匯總及溫度曲線見本文第4.3條對比分析。

4 核島整體筏基大體積混凝土測溫技術現場應用

4.1 測溫儀器布設

采用DSC無線數據業務中心系統+自動采集模塊配套軟件實現現場溫度監測及數據傳輸。測溫點的布置范圍按照對稱軸線的半條軸線為測試區，測溫點選擇在溫度變化大，熱量散失快和受環境溫度影響大的部位，各部位測設點沿厚度方向最少分3層布置，測溫點布置圖如圖1所示。

圖1 測溫點布置圖

4.2 實際測溫數據

各測點溫度數據實時采集，及時根據數據情況采取調控措施。典型代表點位2.45 m厚度區域5#測位點及4.05 m厚度區域7#測位點監測結果溫度特征值匯總如表3所示。

4.3 對比分析

2.45 m厚度區域5#、4.05 m厚度區域7#測位點實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規范》[3]中表5.3.3的要求。

由有限元分析結果和實測結果分析可知：

1）溫度特征值的有限元分析結果與實測結果基本一致。

2）有限元分析與實測的上表面及中層溫度變化趨勢基本一致。現場采用斜向分層澆筑，降低了水泥水化熱，實測溫峰值較低，溫峰時間較有限元分析提前；由于有限元分析選取覆蓋參數趨于保守，測溫現場結合實際進行準確溫控導致降溫階段對比曲線出現較大偏差。

3）運用Midas FEA有限元軟件進行大體積混凝土溫度及應力場分析，對流換熱系數（保溫材料導熱系數）及絕熱溫升函數指數m值尤為關鍵。經分析，方法一、方法二相比方法三具有提前性，僅在施工前對比分析提供參考，方法三需實測溫度數據，更適用于在監測過程中及時修正參數進行模擬以貼合現場實際，指導采取保溫措施。

4.4 溫度調控原則及現場實際保溫措施

降溫期間通過增減保溫覆蓋層材料進行降溫梯度的控制，并在養護現場搭設混凝土養護棚應對環境溫度變化。

降溫措施控制原則根據規范要求在監測開始前設置預警值（降溫超過1.8℃/h或連續4 h降溫達到0.8℃）。

1）自混凝土澆筑收面完成及時覆蓋1層橫縱向塑料薄膜+1層土工布。

2）第3 d上午對貫穿件（地坑）進行包裹覆蓋；第4 d凌晨對廊道入口處覆蓋2層棉被，上午對插筋區域（7#、8#測位點代表區域）加蓋。

3）第4 d凌晨開始對上半圓區域加蓋麻袋、更換濕麻袋等一系列措施持續到第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）其余均根據現場實測數據反饋，結合升溫速率與降溫速率對靈活對保溫覆蓋層進行調整優化（大面上覆蓋厚度均達到10 cm，局部溝槽位置超過10 cm）。

5 結論與建議

根據論文有限元分析與實測數據對比及實際養護情況得出以下結論與建議：

1）Midas FEA有限元軟件分析溫度曲線與實測溫度曲線基本一致，可有效指導現場測溫養護，分析出的應力場可提供風險區域預測，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值選取對模擬分析結果影響較為明顯，分析過程中應結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）貫穿件及插筋會迅速散失混凝土內部熱量，需加強該部分區域的保溫覆蓋。

4）4 m左右厚度區域保溫材料覆蓋厚度宜達到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：測溫可實時監控，按每小時或半小時設置提取數據，根據溫升速度及臨界預警值及時調整養護措施。內外溫差過大時，進行加蓋養護，內外溫差逐漸滿足要求后，變化趨勢繼續增大時考慮減少保溫層覆蓋。