李燕 刘思宇 金五一
中国建筑第二工程局有限公司 北京 100000
摘要：本文结合广东太平岭核施工实践，就核电站建设施工过程中，核岛筏基大体积混凝土施工采用全自动测温系统对大体积混凝土温度及应力监测，实时监控动态调整混凝土养护措施，通过动态有差别的养护措施调整实现对混凝土应力应变的总体控制，从而有力的保障混凝土的成型质量。
关键词：核电站；大体积；温度；应力
0 前言
核电站对结构混凝土的质量要求严格，同时恶劣的气候条件对混凝土成型质量有很大影响，且恶劣环境核电站大体积混凝土的施工质量有更高的要求，实施3.70m厚筏基混凝土整体浇筑，所用水泥用量大、水化热高，混凝土绝热温升高，浇筑体厚度超大使得内部水化热散热路径更长，水化热变得更加复杂，温度和应力应变更难以控制，潜在开裂风险高。为此，需要对混凝土进行浇筑施工温度应力应变分析，验证整体浇筑的可行性，寻求最佳的养护技术措施；以某核电站筏基为例，开展了大体积混凝土温控监测试验，通过测试结果和理论分析，得出筏基大体积混凝土温度场分布规律一致性以及理论分析指导温控监测的必要性和可行性，可为类似筏基施工提供测试依据和理论基础。同时对混凝土的收缩变形进行测试，通过动态有差别的养护措施调整实现对混凝土应力应变的总体控制，从而有力的保障混凝土的成型质量。
1工程概况
核电站核岛厂房主要包括反应堆厂房、燃料厂房、安全厂房、核辅助厂房、废物处理厂房、进出口厂房和应急柴油机厂房等11个厂房。公共筏基为反应堆厂房（BRX）、安全厂房（BSA/BSB/BSC）、燃料厂房（BFX）的共用基础，BRX反应堆厂房筏基外观为半径27m的圆柱体，筏基底标高为-12.09m，顶标高为-8.39m，厚度为3.70m。
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图1：核岛厂房筏基整体布置图
2 工艺原理
根据以往工程经验和动态均衡的养护理念，为削减最高温升峰值，在混凝土升温期间可适当延缓保温层覆盖进度。在内部温度经过温升峰值前后，为防止出现过快的降温梯度，一定要提前预测到达时间，设置充足的保温养护措施。在养护后期可根据监测结果科学动态调整养护层设置，在保证不开裂的前提下，达到在合理的周期内结束养护工作的目的，为后续工程开展提供工作面，保证项目总体施工进度。
实际养护过程中温度和应力监测是必不可少的，监测内容包括对混凝土内部（中心层和上下表层）和外部（上表面、环境或棚内）温度、以及重点位置混凝土内应力应变的持续测试，最终每次养护层调整时机和调整力度是根据筏基内部温度场和应力场监测结果，以及环境温度的变化来判断并实施的。保温层的调整实际上改变的是保温层表面等效放热系数，换言之，不同的保温层表面等效放热系数设置就代表了相应的保温层敷设方案。
3 温度场及温度应力计算
有限单元法与其它方法相比，其最大的优点是可以计算混凝土温度变化的动态过程。须综合考虑混凝土入模温度、水化热、水化速率、环境温度，混凝土的导热系数等等；混凝土温度场的计算主要是为温度应力应变场服务的，有限单元法的应用为混凝土动态应力场的规律探讨奠定了理论基础，为施工养护技术指标、温控指标以及养护方式提供切实可行的计算方法，为温控及应变监控施工开拓了广阔的空间。
本次计算使用Midas有限元分析软件的相关模块，计算分析同时考虑了收缩和徐变，并试图计算分析具体的养护技术指标和温控指标，把握混凝土的水化温度及其温度应力分布特点和数值大小，确保混凝土的浇筑及养护成型质量。
由于模型具有对称性，所以这里只取1/4模型进行建模和分析。建模中考虑到如果将筏基的支撑条件使用弹簧模拟，则无法模拟筏基底面基岩传递筏基热量的过程，故将筏基下基岩厚度取为10m，并赋予相应的比热和热传导率，这样才能正确反应筏基混凝土的水化热传播过程。
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图2：筏基Midas计算模型
3.1筏基有限元计算结果
温度计算参考相关核电站筏基的实际计算和监测结果，调整混凝土表面的保温层参数进行试算，通过计算选择最佳温度边界条件，同时取24-480h温度场分析。
根据温度计算曲线，筏基中心点最高温度为72.60℃，升温时间大约为68h，以后温度逐渐降低，中心位置最高温在入模温度的基础上温升为42.60℃。整个降温过程中内外温差保持在15.81℃以内。
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图3：中心点上中下三层温度曲线 图4：中心点温差曲线
3.2应力计算结果
从典型位置的应力发展曲线图可看出，在绝大多数混凝土龄期范围内，主要计算区域的计算应力都处于容许抗拉应力限值以内，这意味着计算对象在总体上不会开裂。
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图5：中心点应力及允许拉应力曲线曲线
4 施工要点
4.1 监测方案
主要监测混凝土的温度应变与收缩，由于采用的应变传感器具有测温功能，应变测点处同样可进行温度监测，凡有应变测点处无需单独埋设温度测点。
筏基整体浇筑，混凝土浇筑时间增长，各部分混凝土的水化温度差异悬殊增大，先浇筑混凝土温度与后浇筑混凝土温度会存在差异，由于浇筑时间不同引起的温度差异同样会在混凝土内部形成温度应力，因此应变测点的布置应能够反映整体混凝土应力应变状态。
4.2 应变监测点布置
根据筏基混凝土浇筑方向，主要选择135°、225°、315°及45°四个半径方向布置应变传感器；315°半径方向选择四个点，1#、2#、3#、4#；225°沿半径方向选择8#）、9#和10#三个点；135°沿半径方向选择5#、6#和7#三个点；45°方向选择11#、12#和13#三个点；在混凝土厚度方向按照下、中、上三层布设。各测点具体布置见剖面图。
选择0°、90°、180°和270°四个半径方向作为次要布置方向；0°半径方向选择两个点，分别14#）、和15#；90°沿半径方向18#和19#两个点；180°沿半径方向16#和17#两个点；270°方向选择20#和21#两个点；在混凝土厚度方向按照下、中、上三层布设。考虑到对混凝土应变测试值的修正，在1#、2#、6#和10#测点位置共布置10个零应力测点。
筏基统计应变传感器共84个，另有零应力传感器10个。
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图6：筏基应变及温度测点布置图
4.3测温点布置
除应变测点处提供温度测量外，在1#、3#、4#、6#和7#应变测点中上、中下层各增加1个温度传感器；增加4个（22#、23#、24#和25#）温度测点，分上中下三层布置；大气温度测点1个，保温层温度测点4个，保温棚温度测点2个，廊道温度测点4个，温度传感器共33个。
在0°筏基边缘外区域设置监测室一个，全部数据线经数据模块中继后联入监控室，用于数据实时显示和实时调整养护措施。
4.4传感器与测试系统
4.4.1应变传感器
YJ-4200应变计由钢弦、O型密封端块、热敏电阻、激励与接收线圈、电缆等组成。线圈与保护管是通过卡箍安装在一起，使得整个YJ-4200应变计形成一个整体。
安装保护要求：YJ-4200应变传感器是预埋在混凝土内的，其一般安装也可采用EAU仪表通用的安装方式，这里考虑到本工程的实际特点，一次浇筑混凝土厚度大，水化热高，混凝土应力应变复杂，使用附着钢筋的方式进行安装。
储存维护：应变计在使用前宜保存在不易受振动和碰撞的地方，环境温度10-30℃，相对湿度不大于70%，周围空气不应含有可能造成应变计及配件腐蚀的杂质。安装前应对传感器进行检查，传感器和其他引出电缆应外观正常，无凹坑，扭曲和弯折、破损、断线等情况。
4.4.2温度传感器
应变进行测量时使用的是一种热敏电阻测温单元，因而温度测量采用与应变计同等规格型号的热敏电阻测温单元。
4.4.3零应力装置
零应力装置是一个预埋在大体积混凝土中能够不受约束，可以自由变形的设备。与整个大体积混凝土同时浇筑，由筒壁将其与环境隔离开来，四周不受周围混凝土约束，但其温度湿度变化及混凝土强度的发展与周围混凝土完全一致。所以，其内的传感器所测得的应变值即为其它所有条件与工作应变传感器相同，而无约束状态下的应变值。
大体积混凝土施工过程中，由于温度场的变化，造成混凝土本身形成了自身约束及边界约束两种约束情况，造成传感器的输出应变和应力呈非线性关系。
4.4.4数据采集系统
为了实现所有测点的同步采集，采用自动化数采系统，采集时间可以根据混凝土的浇筑情况任意设置。计算机接收到数据后对其进行计算，并实时在计算机屏幕上显示。数据采集从混凝土浇筑开始进行直至养护结束，数据采集频率为每15分钟采集一次数据，在进行数据初判后，数据无明显异常的情况下，应每12小时向甲方上报温度和应变数据一次，若发现数据明显异常，应及时上报相关负责人员，以便及时分析处理。当混凝土表面温度与平均气温差小于15℃时，且混凝土里表温差小于20℃时结束测温。
4.4.5测试系统保护要求
在测试点位处设置明显标记，在以该点位为圆心，半径0.25m的圆形范围内禁止振捣作业或在其上踩踏，混凝土下料孔应避开测点位置，以防止混凝土下料、吊物或材料倒运等其它工序施工时将其损坏避免测试传感器发生不可修复的损坏。传感器引出线及传感器延长线尽量沿钢筋横平竖直布置，在混凝土浇筑及养护期内作业时，必须对其进行妥善保护防止损坏。
测试主控室内微机及测试设备需保证24小时不间断稳定电源，微机和测试设备在测试人员离开时应妥善保护。
4.5温控技术措施
4.5.1养护层设置
混凝土上表面：2层土工布+2层纵横塑料薄膜+4层土工布+2层塑料薄膜；
混凝土侧面：2层土工布+ 2层纵横塑料薄膜+7层土工布+1层塑料薄膜。
根据现场实际监测结果进行动态灵活调整，混凝土浇筑完毕后，为避免预应力张拉廊道空气对流对筏基下表面产生不良影响，需将廊道入口用防雨油布进行封闭，并采用将竖向预应力管道端口封堵严实，保证在养护过程中廊道内温度不低于25℃。
4.5.2防裂措施
对于大筏基侧壁以及外缘顶部插筋区域设置Φ8@200的抗裂钢筋；对于其它表面，考虑到大体积混凝土收缩危害的存在，设置Φ8@200的抗裂钢筋。
4.5.3数据分析及控制
通过温度及应力应变的现场监控为混凝土养护提供依据，通过科学主动的养护控制和避免混凝土出现有害裂缝，因此必须对现场数据进行实时的分析，数据分析与控制可从以下两方面进行：
1）温度控制
降温速率决定了混凝土温度降低的快慢，控制在2°C/d以内，如果降温速率过低，将影响后续的施工进度，因此降温速率不宜控制过严。
内外温差决定了混凝土的温度梯度和温度应力水平，原则上不能超过25°C，一旦接近或出现超标情况应及时采取有关措施。
在筏基养护过程中，由于环境的复杂多变性，混凝土的里表温差和降温速率难免表现较大波动，为了更准确的对温度进行控制，必须对温度控制指标进行预警设置，从而实现从严控制。对于降温速率中心区域原则上受外围养护状态影响小，因此一般对表面的降温速率达到1.8℃时或者由此造成的里表温差达到22℃时，立即启动养护调整措施，实时快捷做好动态养护。
2）应力、应变控制
应变控制；混凝土的开裂与混凝土受力的速率有关，在严格控制降温速率和内外温差情况下，混凝土的开裂时的应变会加大，混凝土应变从严控制，原则上控制在预警值120με之内。
应力控制：将测试数据转化为应力值，同时和混凝土不同龄期抗拉强度（计算值和试验值）进行比较，接近限值时应及时预警。
4.5.4养护措施及调整
混凝土养护是一个较长时间的过程，期间的环境变化对于养护工作影响很大，必须根据监测结果结合前述控制原则实施进行动态养护调整。影响动态养护措施调整的因素很多，主要是混凝土养护期间的环境状态与预期的理论状态可能会存在较大的不同，比如气温剧降、大风、寒霜雨露的存在，特别是大风、大雨导致养护棚内小环境温度的巨变，造成混凝土温度下降过低、应变增长较大甚至超限，所以密切关注监测结果尤为重要，应根据天气预报做好养护措施的准备，根据监测做好数据实时分析处理，一旦接近预警值应立即启动响应措施。
对于接近预警值的应按照测点区域覆盖代表性的原则进行区域措施调整，下降过慢适当减少保温层，反之应立即增加保温层；如果因为大风造成温度下降过快，在增加保温层覆盖厚度的同时做好保温棚的避风或恢复工作；如果因为大雨造成棚内雨水浸湿保温层，需要及时更换加强保温层，对于明显积水应予以抽干。
前期养护非常重要，往往决定整个筏基的应力水准，混凝土的应变是逐渐增加的，对于前期养护不当造成应力应变水准较高后期对于应力应变的控制比较困难，所以做好前期养护是重中之重。对于应力应变积累到一定的水准，接近甚至超越预警值，此时养护应结合整体温度场状况进行综合调整。
5 结语
随着中国经济的快速发展，掀起建设高潮，大体积混凝土在各类构筑中被广泛应用，在现代工程建设中占有重要的地位。核电站对结构混凝土的质量要求严格，同时恶劣的气候条件对混凝土成型质量有很大影响，通过对混凝土进行浇筑施工温度应力应变分析，验证整体浇筑的可行性，寻求最佳的养护技术措施；通过测试结果和理论分析，得出筏基大体积混凝土温度场分布规律一致性以及理论分析指导温控监测的必要性和可行性，可为类似筏基施工提供测试依据和理论基础。总之，文中的理论分析结果与实测结果吻合较好，所得结论为大体积混凝土结构的合理设计与施工提供了理论支撑，具有一定的理论意义和使用价值。
参考文献：
[1]《大体积混凝土施工技术规范》GB50496-2018
[2]《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2017
[3]《大体积混凝土温度测控技术规范》GB/T51028-2015
[4] 核电站筏基大体积混凝土温控监测及仿真分析 魏建国 工业建筑 2008
第一作者简介：李燕，女，高级工程师，中建电力建设有限公司，太平岭项目技术部经理