大体积混凝土施工养护方式及技术指标的有限单元法分析和研究.doc

大体积混凝土施工养护方式及技术指标的有限单元法分析和研究张忠1, 231, 2程大业2摘要 :大体积混凝土施工养护方式及技术指标选取往往以工程经验为基础 ,结合现场温控施工进行养护调整。由于缺乏一定的理论基础 ,不恰当的养护方式和技术指标往往会导致施工裂缝的进一步加剧。以CPR1000核电站基础为例 ,开展有限单元法分析养护技术指标及养护方式 ,分析不同养护方式和技术指标下混凝土可能出现的应力状态 ,进而优化养护方式和技术指标的选取及指导施工养护技术措施的制定。理论分析结果表明 ,有区别的动态的养护技术措施更有利于混凝土的成型质量 ,倡导的有限单元法确定养护方式及技术指标法可为类似基础施工养护提供经验积累和理论支持。关键词 :大体积混凝土 ;养护方式 ;养护技术指标 ;有限元分析 ;温度应力 ;核电站F IN ITE EL EM ENT ANALY S IS AND STUDY O N CUR ING M ETHOD S AND1, 2 3 1, 2( 1. A rchitectural and Civil Engineering Institute of Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. MCC Central Research Institute of Building and Construction Co. L td, Beijing 100088, China;3. Anhui Shuian Construction and Development Co. L td, Hefei 230022, China)Abstract : Conservation methods and technical indicators of mass concrete construction are often selected based onfoundation, and inapp rop riate conservation methods and technical indexes w ill lead to further escalation ofconstruction cracks. In this paper, taking the base of a CPR1000 nuclear power p lant for examp le, through variouscuring methods and technical indexes, the stress state of concrete is analyzed by finite element method, therebyop tim izing the curing methods and technical indexes and then to guide the selection of curing measures. Theoreticalanalysis results show that the dynam ic differentiated technical measures are more conducive to the quality of concrete.A ll these can p rovide experience accumulation and theoretical support for curing sim ilar foundations.Keywords : mass concrete; curing methods; curing indexes; finite element analysis; temperature stress; nuclearpower p lant影响大体积混凝土施工裂缝的因素很多 ,但直如何通过理论计算指导温控监测 ,进而指导温控施接原因主要还是温度应力、收缩应力以及它们的综工 ,确定具体的养护方式及技术指标 (措施 )。有限合超越了混凝土对应龄期的极限抗拉强度。其中施单元法的引入有效地解决了养护技术指标的估算与工温度应力所造成的混凝土裂缝是影响大体积混凝养护方式的优化 ,为养护技术措施的制定奠定了切土质量的重要因素 ,也是作为大体积混凝土裂缝控实可行的理论基础。本文以 CPR1000核电站基础制的重要指标。为此 ,控制混凝土裂缝就应采取措施工为例 ,运用有限单元法开展不同养护方式的混施控制混凝土的施工温度应力。混凝土温度应力的凝土应力状态分析 ,进行养护技术指标的优化和有形成和施工养护方式及养护技术指标休戚相关 ,不恰当的养护方式及指标可能潜在加剧混凝土的施工第一作者 :张忠 ,男 , 1977年出生 ,博士研究生。温度裂缝。以往施工养护方式及指标依赖于工程经 E - mail: zhzhshi sohu. com收稿日期 : 2009 - 09 - 07工业建筑2010年第 40卷第 1期5李小将张心斌(11天津大学建筑工程学院安徽水安建设发展股份有限公司中冶建筑研究总院有限公司 ,北京100088;TECHN ICAL IND EXES O F M ASS2CO NCRETE CO NSTRUCT IO NCheng Daye2Zhang ZhongL i XiaojiangZhang Xinbinengineering experience, combined w ith on2site curing according to temperature monitoring, which lacks theoretical验 ,并且施工养护温控指标的规定也缺乏理论依据。Industrial Construction Vol140, No11, 2010区别的动态养护技术措施的研究工作。1样板工程概况凝土强度等级为 PS40,原计划分 5层浇筑 (分层为浇筑量大 (均属于大体积混凝土 )、水化热高、浇筑时期气候条件恶劣 (冬季 ) ,使得施工过程中裂缝难以控制。另外 ,在当前核电工期日益紧缩、工技术改进势在必行的前提下 ,实施整体浇筑对混凝土施工质量带来更为严峻挑战。为确保如此恶劣环境下整体浇筑的混凝土成型质量 ,必须优化施工养护方式及技术指标 ,实施动态施工养护和监测 ,有效地主动控制对应养护技术措施下的混凝土温度应力 ,从而降低混凝土开裂的风险。通过有限单元法计算不同养护技术措施 (指标 )下基础混凝土的温度应力分布特点 ,试图提出最佳的施工养护方式和技术指标。本文分析采取的养护技术措施按照以下 3种方式进行 : 1)侧面绝热保温 ,而上表面采取适当保温措施。 2)侧面和上表面进行无区别适当的保温措施。 3)侧面绝热保温 ,上表面有区别保温 ,即顶面中心区域适当保温、面外缘加强保温。2有限元模型及分析参数混凝土温度应力应变计算采用增量法 ,即把浇筑时间划分为一系列的时间段 : 1、 2、 tn ,在第 i个时段内的温度增量为 i ;由温差引起的弹性温度应变、应力增量分别为 i 、i ;总的应变、力分别为 、 i 。热应变分析前提是温度场的热分析 ,热分析和热应变分析分别采取Solid 70和 Soild 45实体有限单元。计算模型主要初始温度 5,养护期最高、低气温分别为 20、3;基础、道混凝土及基岩密度、热系数、热3他同基岩 ;水化热模式 ho t ( i) = 137 997 000 1 -104直径的对称结构 ,不考虑混凝土的各向异性 ;同时假定竖向剖面内没有热交换 ,所以计算模型取 1 /4计算 ,见文献 1 。理论分析有限元模型如图 1,分析测点位置平面见图 2。理论分析采取的 3种施工养6图 1有限元计算模型Fig. 1FE calculation model护方式 ,其对应的技术指标分别为 :2222222注 : 100g = 90, 15为平面测点编号。图 2分析测点位置平面示意Fig. 2D iagram of position p lan ofanalytic measuring points3计算结果与分析为了研究不同的养护技术指标对混凝土施工温度应力状态的影响 ,探讨圆形基础最佳的施工养护方式 ,从理论上解决施工养护方式的选取和具体养护技术指标的制定 ,本文按照上述 3种养护方式分别进行分析研究。根据有限单元法的计算结果 ,有针对性分析基础关键点的温度应力并作出温度应力曲线 ,见图 3、 4。分析测点位置对应实测测点位置 ,如图 2 (实际工程测点不限于上述测点 ) ,在图示平面点位中每一断面共分 3层 ,分别为底层 A、间层 B、层 D。图 3为 3种养护方式下基础中心顶层、间层、层混凝土径向和环向温度应力 ;图 4为 3种养护方式下基础边缘顶层、间层、层混凝土径向和环向温度应力。工业建筑2010年第 40卷第 1期CPR1000核电站筏基直径 3915 m,总厚 515 m,混设计规定 )。A、B层厚分别为 112, 118 m。混凝土参数1基础半径入模温基础厚度其他非滑动层厚容分别为 2 400 kg /m、2133 W /( m)、970 J /( kg) ,滑动层导热系数为 11165 W / (m) ,其exp ( - 01695) 5 i /24145基础弹性模量、廊道弹性1模量 314510 M Pa。由于基础为圆柱体 ,是关于任意1)侧面保温层传热系数 0 W / (m) ;上表面保温层传热系数 1167 W / (m)。2)侧面保温层传热系数 1167 W / (m) ;上表面保温层传热系数 1167 W / (m)。3)侧面保温层传热系数 0 W / (m) ;上表面保温层 R 16 m时 ,传热系数 1167 W / (m) ;R16 m时 ,传热系数 3134 W / (m)。施顶tti应最廊导比图中顶中底中底a顶层 ; b中间层 ; c底层图 33种养护措施中心点 1号径向及环向应力Fig. 3The radial and circumferential stresses at central point 1 using three curing measuresa顶层径向应力 ; b顶层环向应力 ; c中间层径向应力 ; d中间层环向应力 ; e底层径向应力 ; f底层环向应力图 43种养护措施外缘侧壁 5号径向及环向应力Fig. 4The radial and circumferential stresses on outer side wall 5 using three curing measures比较养护方式 1 )、 ) :其养护技术指标仅基础温的同时 ,适当加大顶面中心区域的降温 ,这样 ,一外缘侧壁不同 ;从图 3可知 ,中间区域对应的环向及方面保证混凝土中心区域的热量能够较快地散热而径向应力略大 ,影响甚微 ;而从图 4可知 ,基础外缘不影响工期 ;另一方面保证混凝土的应力状态处于环向及径向应力要减小很多。可见 ,在充分做好外可控的水平 ,全面保障了混凝土的成型质量。缘侧壁保温前提下 ,基础中心区域的拉应力增加甚微而外缘侧壁的拉应力则减小很多 ,混凝土出现裂 4结语缝的可能性要小得多。本文对同一混凝土基础实体工程分别进行了 3分析养护方式 1 )、 ) :其养护技术指标中仅方种不同的养护方式及指标的有限单元法分析 ,探讨式 3 )的基础中心区域覆盖层散热能力扩大 ;从图 3了大体积混凝土基础的施工养护方式对混凝土应力可知 ,中间区域对应的环向及径向应力增大 ;而从图状态的影响 ,得出如下结论 :4可知 ,基础外缘环向及径向应力均减小 ,几乎可忽 1)加强基础外缘侧壁的保温有助于基础外缘略不计。可见 ,对中间区域合理加大降温有利于抵侧壁环向拉应力的减小。消基础外缘的环向及径向应力。研究表明 :在充分 2)加强基础中心区域的降温有助于抵消基础做好外缘侧壁和顶面外缘的保温、合理扩大顶面中外缘侧壁环向拉应力 ,但应注意中心区域的应力水心区域的降温情况下 ,尽管中心区域的拉应力有不平 ,合理地选择中心区域的养护技术指标。同程度的增加 ,但基础外缘侧壁的拉应力减小显著 , 3)加强基础外缘侧壁和顶面外缘区域的保温混凝土外缘出现裂缝的可能性减少很多。为避免中以及扩大基础中心的降温能力均有利于平衡基础外心区域出现施工裂缝 ,应通过有限单元法确定合理缘侧壁环向拉应力 ,但有可能扩大中心区域的拉应的顶面中心区域的养护技术指标。力状态 ,应通过有限单元法分析确定合理的顶面中综上所述 ,在充分做好外缘侧壁和外缘顶部保 (下转第 23页 )大体积混凝土施工养护方式及技术指标有限单元法分析和研究张忠 ,等 7D1X D1Z2 D1X b;D1X2c; 6B1XB1ZB1X10B1Z 11B1X 12 c; 13A1X2 14 A1X2b; A1Z2 A1XA1Z2cD5X D5X D5X2 4 a; b; 6B5XB5XB5X10B5Z 11B5Z 12 13A5X2 14 A5X b; A5X2c; A5Z2 A5ZA5Z2c23中间层的温度最高 ,中心点的温度高于筏基表面及边缘温度 ;并且实测温度峰值及温度变化趋势基本际环境温度影响有一定的波动。图 7为 1号、5号点实测内外温差曲线。与理论计算一致 ,只是顶层及边缘温度由于受到实a1号测点 ; b4号测点 ; c5号测点1A1; 2B1; 3C1; 4D1; 5A4; 6B4; 7C4; 8D4; 9A5; 10B5; 11C5; 12D5图 6测点实测温度曲线Fig. 6The curves of the measured temperatures at measuring points混凝土整体浇筑质量 ,又赢得了工期 ,为核电站类似筏基的施工提供了技术支持和经验积累 ,是新规范有限单元法在具体工程中应用的成功典范 ,具有一定的开拓性和现实意义。参考文献11下中 ; 21上中 ; 35下中 ; 45上中图 71号、5号点实测内外温差曲线Fig. 7The curves of the measured temperaturedifferences inside and outside No. 1 and No. 5 points实测结果表明 :在设计的养护技术指标及对应的技术措施下 ,混凝土浇筑体的最大内外温差及降温速率均能控制在规范要求以内 ,并且实测温度场基本与理论计算温度场相一致。可见有限元理论分析确定的养护技术指标可行。4结语实践表明 :此次温度及应变监控施工取得了巨大成功 ,整浇筏基基本未出现明显裂缝。表明理论计算确定养护技术指标及技术措施是可行的 ,有限元理论分析和温控监测对施工养护起到了指导作用。总之 ,有限元理论分析指导下的监测既保证了第 7页 )心区域的养护技术指标和制定行之有效的养护技术措施。4)避免中心区域和外缘侧壁出现施工裂缝的关键 ,是如何在充分做好基础顶面外缘和侧壁保温工作的同时适当扩大中心区域覆盖层的散热能力 ,确定顶面中心区域合理的养护技术指标。5)圆形基础最为理想的养护方式大体思路为 :基础外缘侧壁尽量保温 (能做到趋于绝热更好 ) ;顶面区域养护措施要有所区别 ,即顶面中心大部分区域做好保温 ,顶面外缘区域加强保温 ,必要时 ,顶面中心区域要做到更快的散热。 1 YBJ 22491块体基础大体积混凝土施工技术规程 S . 2 张忠 ,张心斌. CPR1000核电站基础多层整体浇筑可行性有限元分析 J .工业建筑 , 2009, 39 ( 10) : 102 - 104. 3 魏建国 ,张忠 ,张心斌.核电站筏基大体积混凝土温控监测及仿真分析 J .工业建筑 , 2008, 38 (增刊 ) : 1033 - 1035. 4 张忠 ,张心斌.混凝土无约束监测装置研制及应用研究 J .安徽建筑工业学院学报 , 2009 ( 4) : 4 - 7. 5 张忠 ,张心斌.大体积混凝土施工技术规范(送审稿 )中有限单元法在某核电站筏基施工裂缝控制中的应用 J .工业建筑 , 2008, 38 (增刊 ) : 208 - 214. 6 GB 504962009大体积混凝土施工规范 S . 7 GB 502042002混凝土结构工程施工质量验收规范 S . 8 王铁梦.工程结构裂缝控制 M .北京 :中国建筑工业出版社 ,2007. 9 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制 M .北京 :中国电力出版社 , 2003: 1 - 738. 10 王润富 ,陈国荣 .温度场