“华龙一号”核岛整体筏基温度应力有限元分析及测试技术应用研究

阳春华，张熠，樊烛，张凤丽，何文斌，熊杰，宫亮，孙小毓

（中国核工业第二二建设有限公司，武汉430051）

1 引言

“华龙一号”核岛整体筏基作为一次连续浇筑成型的超大体量混凝土筏基，是典型的大体积混凝土施工，且其外形不规则、厚薄不一，存在不少基坑，施工过程中极易形成温度裂缝给工程质量带来隐患，通过运用“大体积混凝土温度应力有限元分析及测试技术”进行模拟分析，提前采取针对性措施解决可能产生的温度裂缝等质量问题，通过模拟与实测进行分析，为后续类似工程大体积混凝土施工、养护提供借鉴。

2 华龙一号核岛整体筏基工程概况

整体筏基为圆柱形，半径28 m，其最低点标高为-12.000 m、最高点顶标高为-7.800 m，混凝土强度等级为C40，抗渗等级为P8。正六边形区域厚2 450 mm，地坑区域厚2 270 mm，筒身区域厚4 000 mm，其他区域厚4 050 mm，浇筑方式为斜向分层浇筑，混凝土总体浇筑量约8 750 m3，持续浇筑时间约68 h。

3 核岛筏基大体积混凝土温度应力有限元分析

3.1 边界条件

3.1.1 环境温度

计算中，取前3年平均值，最高气温日平均31.3℃，最低气温日均20.8℃，平均气温26.1℃，环境温度选取正弦函数进行模拟。

3.1.2 筏基约束条件

计算温度和应力时均需考虑下部基岩和垫层混凝土的约束，本文中取4.5m厚的基岩参与计算。

3.1.3 表面保温条件

筏基混凝土终凝后进行覆盖保湿、保温养护。

筏基上表面按升温阶段（3～5 d）、降温阶段养护。升温阶段：6层塑料薄膜+3层土工布+2层麻袋；降温阶段：6层塑料薄膜+13层土工布+6层麻袋。

六边形表面升温阶段：6层塑料薄膜+3层土工布+3层麻袋；降温阶段：6层塑料薄膜+10层土工布+5层麻袋。

核岛整体筏基外侧面3层土工布+6层麻袋带模养护；六边形侧面6层麻袋带模养护。

地坑表面2层塑料薄膜+2层土工布+4层麻袋养护；地坑侧面6层麻袋带模养护。

3.2 对流换热系数与绝热温升函数

本文通过多种方法对比选取对流换热系数（材料导热系数）及绝热温升函数指数m值，均以GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》[1]为依据（以下简称《标准》）。

1）对流换热系数

参考以往经验，参照《标准》中式C.0.2，各保温材料导热系数取值选取《标准》中表C.0.1-1中规定范围的10%～50%。

2）m值

方法一：将混凝土绝热温升实验28 d龄期内每天的温升值代入标准中绝热温升函数公式，求得所有m值取平均值。

方法二：通过《标准》中式B.1.5-1计算取值。

方法三：在《标准》中式B.1.5-1计算值基础上根据软件分析温度曲线及实际监测温度曲线逐步增加该值或递减该值，试算取值。

m与水泥品种、用量和入模温度等有关的单方胶凝材料对应系数，本文结合实际取0.85。

3.3 模拟参数选取

混凝土配合比及基岩参数取值详见表1、表2（表1和表2中参数由相关规范、混凝土全性能报告结合现场实际模拟得出）。

表1 C40混凝土配合比

表2 基岩参数取值表

3.4 有限元分析

3.4.1 有限元模型建立

采用有限元软件Midas FEA进行温度场及应力场分析。根据工程情况，考虑筏基及基岩的散热条件以及基岩对筏基的约束条件，有限元模型采用筏基与基岩同时建模[2]。

3.4.2 数据成型

通过建模可以形成核岛筏基关键龄期内部温度及应力场分布图，可根据需要灵活选择各测点各个时间点进行数据分析。本文主要选取上表面及中层位置，2.45 m厚度区域及4.05 m厚度区域代表点进行分析，其温度特征值汇总及温度曲线见本文第4.3条对比分析。

4 核岛整体筏基大体积混凝土测温技术现场应用

4.1 测温仪器布设

采用DSC无线数据业务中心系统+自动采集模块配套软件实现现场温度监测及数据传输。测温点的布置范围按照对称轴线的半条轴线为测试区，测温点选择在温度变化大，热量散失快和受环境温度影响大的部位，各部位测设点沿厚度方向最少分3层布置，测温点布置图如图1所示。

图1 测温点布置图

4.2 实际测温数据

各测点温度数据实时采集，及时根据数据情况采取调控措施。典型代表点位2.45 m厚度区域5#测位点及4.05 m厚度区域7#测位点监测结果温度特征值汇总如表3所示。

4.3 对比分析

2.45 m厚度区域5#、4.05 m厚度区域7#测位点实测与有限元分析温度特征值详见表3，温度特征曲线如图2所示。

图2 测温5#、7#测点温度曲线图

表3 温度特征值汇总表

从表3可知，本工程的混凝土表里温差控制值满足GB/T 51028—2015《大体积混凝土温度测控技术规范》[3]中表5.3.3的要求。

由有限元分析结果和实测结果分析可知：

1）温度特征值的有限元分析结果与实测结果基本一致。

2）有限元分析与实测的上表面及中层温度变化趋势基本一致。现场采用斜向分层浇筑，降低了水泥水化热，实测温峰值较低，温峰时间较有限元分析提前；由于有限元分析选取覆盖参数趋于保守，测温现场结合实际进行准确温控导致降温阶段对比曲线出现较大偏差。

3）运用Midas FEA有限元软件进行大体积混凝土温度及应力场分析，对流换热系数（保温材料导热系数）及绝热温升函数指数m值尤为关键。经分析，方法一、方法二相比方法三具有提前性，仅在施工前对比分析提供参考，方法三需实测温度数据，更适用于在监测过程中及时修正参数进行模拟以贴合现场实际，指导采取保温措施。

4.4 温度调控原则及现场实际保温措施

降温期间通过增减保温覆盖层材料进行降温梯度的控制，并在养护现场搭设混凝土养护棚应对环境温度变化。

降温措施控制原则根据规范要求在监测开始前设置预警值（降温超过1.8℃/h或连续4 h降温达到0.8℃）。

1）自混凝土浇筑收面完成及时覆盖1层横纵向塑料薄膜+1层土工布。

2）第3 d上午对贯穿件（地坑）进行包裹覆盖；第4 d凌晨对廊道入口处覆盖2层棉被，上午对插筋区域（7#、8#测位点代表区域）加盖。

3）第4 d凌晨开始对上半圆区域加盖麻袋、更换湿麻袋等一系列措施持续到第7 d，共加盖塑料薄膜3层，土工布3层，麻袋5层，棉被1层。

4）其余均根据现场实测数据反馈，结合升温速率与降温速率对灵活对保温覆盖层进行调整优化（大面上覆盖厚度均达到10 cm，局部沟槽位置超过10 cm）。

5 结论与建议

根据论文有限元分析与实测数据对比及实际养护情况得出以下结论与建议：

1）Midas FEA有限元软件分析温度曲线与实测温度曲线基本一致，可有效指导现场测温养护，分析出的应力场可提供风险区域预测，提前做好抗裂措施。

2）建议：类似厚度的大体积混凝土工程m值取值范围0.85～0.9。m值选取对模拟分析结果影响较为明显，分析过程中应结合前文介绍选取合适的m值，为不同的场景提供更可靠的参考。

3）贯穿件及插筋会迅速散失混凝土内部热量，需加强该部分区域的保温覆盖。

4）4 m左右厚度区域保温材料覆盖厚度宜达到10 cm。

5）斜向分层浇筑方式有利于降低水泥水化热及混凝土温峰值。

6）建议：测温可实时监控，按每小时或半小时设置提取数据，根据温升速度及临界预警值及时调整养护措施。内外温差过大时，进行加盖养护，内外温差逐渐满足要求后，变化趋势继续增大时考虑减少保温层覆盖。