翁志海 徐才華

（1.湖州市城市投資發(fā)展集團有限公司 浙江湖州 313000 2.湖州市中心醫(yī)院 浙江湖州 313000）

0 前言

某醫(yī)學中心（原某市中心醫(yī)院遷建工程）后裝治療機房及直線加速器機房為大體積混凝土結構，其內(nèi)部將安裝的醫(yī)用直線加速器為2類類別，最大能量15Mev。醫(yī)用直線加速器在開機期間，會產(chǎn)生高強度的x射線、中子射線等，若射線泄露，有可能造成很大的危害，本項目采用超厚密實混凝土對射線進行屏蔽，對混凝土結構的抗裂要求高，故需要采取多種措施預防裂縫的產(chǎn)生。

大體積混凝土施工中，由于水泥水化熱引起混凝土澆筑體內(nèi)部溫度劇烈變化，使混凝土澆筑體早起塑性收縮和混凝土硬化過程中的收縮增大，使混凝土澆筑體內(nèi)部的溫度-收縮應力劇烈變化，而導致混凝土澆筑體或構件發(fā)生裂縫的現(xiàn)象并不罕見。大體積混凝土所產(chǎn)生的裂縫，起初絕大多數(shù)都是表面裂縫，但其中有一部分后來會發(fā)展為深層或貫穿性裂縫，影響結構的整體性和耐久性，危害很大。理論分析與實踐經(jīng)驗都表明，表面保溫是防止表面裂縫的最有效措施。鋼筋混凝土結構中，當鋼筋發(fā)揮作用時，混凝土早已開裂，利用鋼筋防止出現(xiàn)混凝土裂縫是困難的，主要需要依靠溫度控制以降低拉應力防止裂縫。為了防止大體積混凝土的裂縫，除了控制溫度外，還需要采取其他的技術措施，包括提高混凝土的抗裂能力、嚴格控制混凝土施工質(zhì)量、改善混凝土結構的約束條件等等，即需要采取綜合技術措施[1]。本文對部分抗裂技術措施進行了一些分析研究。

1 項目概況

直線加速器機房位于其項目東南側，該范圍底板厚度0.6m，完成面標高-6.500m。底板混凝土強度等級C40，其余混凝土強度等級C30，頂板最大板厚2900mm，一般板厚1400mm，完成面標高-0.600m、0.900m，最大墻板厚2900mm，一般板厚600mm、1400mm。其底板與地下室底板一同澆筑，墻板及頂板一同澆筑，本文主要論述墻板及頂板混凝土的抗裂措施。

圖1 直線加速器機房BIM模型

筆者作為業(yè)主項目部管理人員，著重從以下方面對直線加速器室混凝土結構抗裂進行了控制。

2 混凝土原材料選擇與配合比設計

直線加速機室結構主體結構混凝土容重愈重、結構厚度愈厚，其防護x射線的性能越好。對于中子射線防護，還需要混凝土體內(nèi)含有足夠量的結合水來慢化快中子的作用。故配制防輻射混凝土時，宜采用膠結力強、水化結合水量高的水泥。

合理選用混凝土原材料品種和配比，盡量使混凝土具有較大抗裂能力，即抗拉強度和極限拉伸較大，絕熱溫升、彈性模量和線脹系數(shù)較小，而且半熟齡期較大[2]。故本項目在普通混凝土的基礎上增加了聚丙烯單絲抗裂纖維及EA膨脹劑，并經(jīng)多次試配試驗，在滿足拌和、力學性能等要求的基礎上盡量減少水泥用量，增加混凝土容重，實際混凝土容重為23.7kN/m3。

3 溫度場及溫度應力有限元分析預測

為了掌握此結構的溫度場及應力場規(guī)律，科學指導溫度控制，引入仿真計算手段并與施工過程監(jiān)測相結合，對預防混凝土結構因溫度原因開裂有較大的指導意義。并且可以與施工方案所參照的《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496—2009）附錄中的溫度應力計算方法計算的結論進行對比分析。

3.1 溫度場仿真分析

根據(jù)熱傳導原理進行溫度場分析，就是根據(jù)混凝土的熱學性能與氣候條件，在給定的邊界條件及初始條件下求解導熱方程。

3.1.1 大體積混凝土溫度場計算原理

溫度場是溫度在時間及空間上的分布，描述一個區(qū)域內(nèi)的溫度如何隨時間變化，如式（1）所示：

式中：a-導溫系數(shù)；Q-單位時間內(nèi)單位體積中發(fā)出的熱量；c-比熱；ρ-密度；τ-時間。

3.1.2 熱學性能與氣候條件

混凝土溫度場和溫度應力的計算需要各類熱學性能參數(shù)，包括導熱系數(shù)、導溫系數(shù)、比熱、密度等。它們?nèi)Q于骨料、膠凝材料及水的特性，重要工程應由試驗確定，一般工程可根據(jù)混凝土的各種組份的質(zhì)量百分比計算。氣候條件則根據(jù)當?shù)匾酝甑臍庀筚Y料及天氣預報數(shù)據(jù)來預估。本項目實際施工季節(jié)為初春。

3.1.3 初始條件及邊界條件

初始條件就是在初始瞬時的溫度場分布規(guī)律，一般來說，當τ=0時，初始瞬時溫度可以認為是常數(shù)。

混凝土結構頂及四周通過模板及保溫板與空氣進行熱交換，屬于第三類邊界條件；結構底部與原混凝土底板直接接觸，屬于第四類邊界條件，底部土壤定位為第二類邊界，取絕熱狀態(tài)。

目前關于大體積混凝土表面保溫計算的常用方法有等效表面散熱系數(shù)法、等效厚度法、導熱系數(shù)法等[2]，本文采用等效表面散熱系數(shù)法進行仿真計算，當新澆混凝土表面覆蓋模板及保溫板時，定義邊界條件仍按第三類邊界考慮，此時傳熱系數(shù)β應考慮保溫措施的影響，得到總傳熱系數(shù) βs如式（2）所示：

式中：Rs-保溫層總熱阻；δi-第i層保溫材料厚度；λi-第i層保溫材料導熱系數(shù)，木模板、保溫板分別取0.23、0.04W（/m·K）；βμ-固體在空氣中的傳熱系數(shù)，取22W/（m2·K）。

3.1.4 荷載

水化熱放熱規(guī)律公式是影響混凝土結構溫度場有限元仿真精度的關鍵因素，本文采用單參數(shù)指數(shù)式經(jīng)驗公式進行仿真計算，公式如式（3）所示：

式中：Q（τ）-在齡期τ時的積累水化熱；Q0-τ→∞時的最終水化熱，取335kJ/kg；τ-齡期；m-水化熱系數(shù)，取 0.3。

ANSYS中不能直接定義混凝土的絕熱溫升，需做一定的數(shù)學轉換。在ANSYS中，混凝土的絕熱溫升通過生熱率HGEN來實現(xiàn)。生熱率就是單位時間內(nèi)混凝土的生熱量[3]，如式（4）所示：

式中：HGEN-混凝土水化生熱率；W-每m3混凝土膠凝材料用量；F-每m3混凝土混合材用量；K-折減系數(shù)，取0.25。

圖2 澆筑后第3天溫度場分布

圖3 澆筑后第7天溫度場分布

圖4 澆筑后第28天溫度場分布

如圖2～圖4所示，結構中心溫度最高，并向表面依次降低。最高溫度出現(xiàn)在中間機房的頂板及墻板位置。隨著齡期增長，高溫區(qū)域逐漸縮小，最高溫度保持在不易散熱的中間墻體位置。

基于本文4.2條，實際監(jiān)測與仿真分析之間的誤差在可以接受的范圍內(nèi)，證明使用ANSYS模擬溫度場是可行的，也奠定了應力場仿真的基礎。

3.2 應力場仿真分析

混凝土澆筑初期，處于升溫階段，彈性模量較小，由變形引起的應力也較小，經(jīng)過一段時期后，彈性模量會隨時間推移迅速提高，因此由變形引起的應力會顯著增大，混凝土彈性模量隨時間增長過程可用式（5）模擬[4]。

式中：β-摻合料修正系數(shù)，取0.95；φ-系數(shù)，取0.09；E0-混凝土彈性模量，取 3.0×104N/mm2；E（t）-混凝土齡期為 t時的彈性模量。

如圖5～圖7所示，升溫期間表面最可能出現(xiàn)拉應力，最大應力出現(xiàn)在幾處轉角位置，降溫期間表面拉應力逐漸下降，最大拉應力出現(xiàn)在其內(nèi)部。

3.3 控制溫度裂縫條件

圖5 澆筑后第3天應力場分布

圖6 澆筑后第7天應力場分布

圖7 澆筑后第28天應力場分布

大體積混凝土控溫抗裂安全系數(shù)為相應齡期混凝土的抗拉強度標準值與對應齡期溫度應力值之比，安全系數(shù)越大，混凝土結構開裂的概率越小。參照大體積混凝土施工規(guī)范，按安全系數(shù)取值按1.15控制，如式（6）所示：式中：K-防裂安全系數(shù)。

此外混凝土的抗拉強度如式（7）表示：

式中：ftk（t）-混凝土齡期為t時的抗拉強度標準值；ftk-混凝土抗拉強度標準值，取2.01MPa；γ-系數(shù)，當無試驗數(shù)據(jù)時，可取0.3。

此結構應力計算結果：第 3、7、14、28d 最大拉應力為 1.06、1.67、1.19、0.68MPa，符合抗裂要求。

4 保溫措施及溫控實測

4.1 保溫保濕措施

直線加速器機房位于負一層，其周邊區(qū)域頂板及底板已先期澆筑，故澆筑混凝土結構時，其墻板位于室內(nèi)，頂板位于室外。項目部根據(jù)仿真分析結果，對養(yǎng)護措施進行了完善。其墻板木模板外鋪50mm厚保溫板，并在墻體外側一米開外，用彩條布環(huán)繞外墻一周圍成一個封閉區(qū)域，在封閉區(qū)域內(nèi)布置加濕器進行加濕。其頂板表面鋪設塑料薄膜一層，上鋪70mm厚保溫板，經(jīng)常性澆水，并測量水溫，監(jiān)控其與混凝土表面溫度關系。

4.2 計算值與實測值對比

圖8 中間機房頂板測點計算與實測值對比

僅取中間位置機房頂板中心測點進行示例，如圖8所示。其中心最高溫度計算值為52.1℃，實測結果表明，此處最高溫度為58.8℃，模擬結果與實測溫度變化基本吻合，結構實際最大里表溫差為16℃。達到預計控溫要求，也說明保溫效果較好，但需注意良好的保溫有可能造成拆除保溫設施及模板時也可能造成“冷擊”作用，因此本項目實際拆除模板時間為澆筑完成70d之后（此區(qū)域作業(yè)非關鍵線路，故允許較長的保溫時間）。實際溫控措施規(guī)范完善，拆模后未發(fā)現(xiàn)任何有害裂縫，圓滿完成施工任務。

5 結論

本文通過對混凝土配合比的分析，優(yōu)化其自身材料性能。并采用ANSYS仿真分析預測及實測數(shù)據(jù)對比，對制定合理的溫控措施提供了較為可行的參考并付諸實際應用，達到預期抗裂效果，工程質(zhì)量也得到保證。但鑒于大體積混凝土結構施工過程、施工材料的復雜性，隨機性，使得真正嚴格意義的仿真計算還有待工程界的共同努力，本文僅做了一些淺顯的研究分析。