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1、Industrial Construction Vol140,No11, 2010工业建筑 2010年第40卷第1期 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, 2李小将3张心斌1, 2程大业2(11天津大学建筑工程学院,天津 300072; 21中冶建筑研究总院有限公司,北京 100088;31安徽水安建设发展股份有限公司,合肥 230022)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
2、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FINITE ELEM ENT ANALYSIS AND STUDY ON CURINGM ETHODS ANDTECHNICAL INDEXES OFMASS2CONCRETE CONSTRUCTI ONZhang Zhong
3、1,2 Li Xiaojiang3 Zhang Xinbin1,2ChengDaye2(1. Architectural and Civil Engineering Institute of Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. MCC Central Research Institute ofBuilding and Construction Co. Ltd, Beijing 100088, China;3. Anhui Shuian Construction and Development Co. Ltd, Hefei 230022, C
4、hina)Abstract : Conservation methods and technical indicators of mass concrete construction are often selected based onengineering experience, combined with on2site curing according to temperature monitoring, which lacks theoreticalfoundation,andinappropriate conservation methods and technical index
5、es will leadto further escalation ofconstruction cracks .In this paper, taking the base of a CPR1000 nuclear power plant for example, through variouscuringmethods and technical indexes,the stress state of concrete is analyzed by finite element method,therebyoptimizing the curingmethods and technical
6、 indexes and then to guide the selection of curing measures .Theoreticalanalysis results show that the dynamic differentiated technicalmeasures are more conducive to the quality of concrete.All these can provide experience accumulation and theoretical support for curing si milar foundations .Keyword
7、s : mass concrete; curing methods; curing indexes; finite element analysis;temperature stress; nuclearpower plant第一作者:张忠,男, 1977年出生,博士研究生。E - mail: zhzhshisohu. com收稿日期: 2009 - 09 - 07影响大体积混凝土施工裂缝的因素很多,但直接原因主要还是温度应力、 收缩应力以及它们的综合超越了混凝土对应龄期的极限抗拉强度。其中施工温度应力所造成的混凝土裂缝是影响大体积混凝土质量的重要因素,也是作为大体积混凝土裂缝控制的重要指标。
8、为此,控制混凝土裂缝就应采取措施控制混凝土的施工温度应力。混凝土温度应力的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温度裂缝。以往施工养护方式及指标依赖于工程经验,并且施工养护温控指标的规定也缺乏理论依据。如何通过理论计算指导温控监测,进而指导温控施 工,确定具体的养护方式及技术指标(措施)。有限单元法的引入有效地解决了养护技术指标的估算与 养护方式的优化,为养护技术措施的制定奠定了切 实可行的理论基础。本文以CPR1000核电站基础 施工为例,运用有限单元法开展不同养护方式的混 凝土应力状态分析,进行养护技术指标的优化和有5工业建筑 2010年第
9、40卷第1期区别的动态养护技术措施的研究工作。1 样板工程概况CPR1000核电站筏基直径3915 m,总厚515 m,混 凝土强度等级为PS40,原计划分5层浇筑(分层为设计规定)。A、B层厚分别为112, 118 m。混凝土 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、 施工技术 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
10、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、 顶面外缘加强保温。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:t1、 t2、 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、 应力分
11、别为 i、 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。计算模型主要参数:基础半径19175 m,基础厚度310 m,滑动层厚 度011 m;混凝土入模温度10,其他非基础结点 初始温度5,养护期最高、 最低气温分别为20、3;基础、 廊道混凝土及基岩密度、 导热系数、 比热 容分别为2 400 kg/m3、2133 W / (m )、970 J /(kg ) ,滑动层导热系数为11165 W / (m ) ,其 他同基岩;水化热模式hot( i) = 137 997 000 1 -exp ( - 01695 5i/24) ;
12、基础弹性模量E ( i)= (1 -exp ( - 0109i) 31451010Pa,基岩、 廊道弹性模 量3145104MPa。由于基础为圆柱体,是关于任意直径的对称结构,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种施工养图1 有限元计算模型Fig . 1 FE calculation model护方式,其对应的技术指标分别为:1)侧面保温层传热系数0 W / (m2 ) ;上表面保温层传热系数1167 W / (m2 )。2)侧面保温层传热系数1167 W / (m
13、2 ) ;上 表面保温层传热系数1167 W / (m2 )。3)侧面保温层传热系数0 W / (m2 ) ;上表 面保温层R16 m时,传热系数1167 W / (m2 ) ;R16 m时,传热系数3134 W / (m2 )。注: 100g =90, 15为平面测点编号。图2 分析测点位置平面示意Fig . 2 Diagram of position plan 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
14、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、 图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、 中间层B、 顶层D。图3为3种养护方式下基础中心顶层、 中间层、 底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、 中间层、 底层混凝土径向和环向温度应力。6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a 顶层; b 中间层; c 底层1D1X2a; 2D1Z2a; 3D1X2b; 4D1Z2b; 5D1X2c; 6
15、D1Z2c; 7B1X2a; 8B1Z2a; 9B1X2b;10B1Z2b; 11B1X2c; 12B1Z2c; 13A1X2a; 14A1Z2a; 15A1X2b; 16A1Z2b; 17A1X2c; 18A1Z2c图3 3种养护措施中心点1号径向及环向应力Fig . 3 The radial and circumferential stresses at central point 1 using three curingmeasuresa 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1D5X2a; 2D5X2b; 3
16、D5X2c; 4D5Z2a; 5D5Z2b; 6D5Z2c; 7B5X2a; 8B5X2b; 9B5X2c;10B5Z2a; 11B5Z2b; 12B5Z2c; 13A5X2a; 14A5X2b; 15A5X2c; 16A5Z2a; 17A5Z2b; 18A5Z2c图4 3种养护措施外缘侧壁5号径向及环向应力Fig . 4 The radial and circumferential stresses on outer side wall 5 using three curingmeasures比较养护方式1)、2) :其养护技术指标仅基础外缘侧壁不同;从图3可知,中间区域对应的环向及径向应力略大,影响甚微;而从图4可知,基础外缘环向及径向应力要减小很多。可见,在充分做好外缘侧壁保温前提下,基础中心区域的拉应力增加甚微而
