基于BIM的超大體積混凝土水化熱分析
——以楊泗港長江大橋漢陽側錨碇為例

肖本林， 金紹武, 林雪瑩, 胡帥軍, 李 紅

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

基于BIM的超大體積混凝土水化熱分析
——以楊泗港長江大橋漢陽側錨碇為例

肖本林， 金紹武, 林雪瑩, 胡帥軍, 李 紅

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

針對楊泗港長江大橋漢陽側錨碇工程量大、時間緊迫、技術難點多的情況，運用BIM技術，依托Catia軟件建立錨碇填芯混凝土三維可視化模型并將其導入到Midas FEA中進行前處理，之后進行水化熱分析的后處理部分，對混凝土內外部溫差大的區域添加冷卻水管，減小混凝土內外部的溫差，從而更好地控制混凝土溫度裂縫。

BIM; 楊泗港長江大橋; 水化熱

1 工程概況

楊泗港長江大橋是武漢市新一輪城市總體規劃確定的“三環十三射”快速路骨架系統的重要組成部分(圖1)。楊泗港長江大橋漢陽側錨碇，其圓形地連墻直徑98 m，壁厚1.5 m，土體開挖體積27萬m3，采用逆筑法施工，分層開挖土體、分層施工內襯[1]。

圖 1 楊泗港長江大橋位置圖

2 模型的建立

2.1 BIM模型的建立

開工前準備工作僅有兩個月時間，楊泗港長江大橋漢陽側錨碇附近地址環境復雜，經過地質勘探單位多次補勘，設計變更多。本錨碇工程規模龐大，需要開挖地下土27萬m3，內部異形構件多。若直接使用有限元分析軟件建立有限元模型，必將面臨對于構件復雜的地方難以建立的問題以及模型參數多次修改的困難。而這些困難就是BIM軟件進行前處理部分亟待解決的問題。

直接使用Midas FEA建立有限元模型不能建立空間中的異形結構(圖2)，故需要用到Catia軟件來代替有限元模型的前處理模式。應用Catia軟件建立的BIM模型(圖3)。

圖 2 BIM模型中的一些異形結構

圖 3 BIM模型

2.2 BIM模型向有限元模型的轉化

由于Catia模型CAT文件不能直接導入Midas FEA中，需要用Python語言編譯一個插件，它可以將CAT格式轉變為midas FEA的feb格式，之后進行單元格的劃分、輸入材料、荷載、邊界條件、工況等，形成有限元模型(圖4)。其中有限元模型澆筑的混凝土等級為C35，該模型共有201368個單元，204748個節點。

圖 4 有限元模型

3 水化熱分析

3.3 無冷卻水管的水化熱分析

雖然錨碇模型的尺寸具有對稱性，取1/4錨碇進行建模計算分析可以提高建模速度、縮短分析時間，而且便于查看模型內部的溫度以及應力分布情況。但是考慮到錨碇周圍外部受力的不均衡等因素，所以必須使導入Midas FEA中的模型是完整的[2]。

由于錨碇的填芯混凝土是分層澆筑的，有限元模型必須按照實際情況來建模，澆筑分為五個階段(圖5)，其中在第五個階段348 h時溫度達到峰值(圖5、圖6)并且第一主應力與第三主應力在第五階段同時達到峰值(圖7、圖8)。根據《公路橋涵施工技術標準》(JTJ041-2000)中規定：現場澆筑的最小邊尺寸為1-3 m且必須采取措施以避免水化熱引起的溫差超過25℃的混凝土成為大體積混凝土。由于室溫設置15℃，第五階段最高溫度已達到43.04℃，已經超過25℃，故此填芯混凝土屬于大體積混凝土的范圍，必須采用降溫處理。

(a)第一施工階段

(b)第二施工階段

(c)第三施工階段

(d)第四施工階段

(e)第五施工階段圖 5 施工階段

圖 6 五個施工階段溫度變化圖(無冷管)

圖 7 第五階段混凝土溫度場云圖(無冷管)

圖 8 第五階段混凝土應力場云圖

3.4 有冷卻水管的水化熱分析

利用Midas FEA軟件合理布置冷卻水管，以控制混凝土內外溫差和溫度裂縫。

冷卻水管(圖9)采用外徑50 mm，壁厚4 mm的鋼管，安裝時須確保管道暢通，接頭可靠，并通水檢驗，防止混凝土澆筑過程出現管道漏水現象，冷卻管在連續通水14 d后灌漿封孔并在停止通水后每隔12 h測量一次混凝土的溫度。

圖 9 冷卻水管布置圖

應用Midas FEA對建立冷卻水管的有限元模型進行分析。經過分析每個階段的溫度都有所降低，其中第五階段添加冷卻水管后溫度的峰值達到32.24℃(圖10～12)，與此前未添加冷卻水管的大體積混凝土模型相比，減少了10℃，大大減少了內外溫差，為施工單位提供了理論依據[3]。

圖10 為五個施工階段溫度變化圖(有冷管)

圖11 有冷卻水管的有限元模型

圖12 第五階段混凝土溫度場云圖(有冷管)

4 結論

使用BIM模型進行有限元模型的前處理，然后導入有限元計算軟件進行后處理，大大提高了模型的精確度與運算結果的準確度。添加冷卻水管后的最高溫度由43.04℃變為32.24℃，理論上減少了錨碇施工完畢時出現的溫度裂縫，說明水化熱分析及施工控制是有效的。溫度場建模的精確分析、熱原函數以及熱對流系數的準確定義是保證施工質量的前提。

[1] 隋振國，馬錦明，陳東，徐偉.BIM技術在土木工程施工領域的應用進展[J].施工技術，2013(42)：161-165.

[2] 羅庚，胡寶生，辛國平.橋梁承臺大體積混凝土水化熱分析及溫控措施[J].公路交通技術，2013(3)：89-93.

[3] 康省楨.大體積混凝土水化熱分析與施工控制[J]世界橋梁，2008(2)：42-44.

[責任編校： 張巖芳]

Hydration Thermal Analysis of Large Volume Concrete Based on BIM —A Case Study of Yangsigang Yangtze River Bridge of Hanyang Side Anchorage

XIAO Benlin, JIN Shaowu, LIN Xueying, HU Shuaijun, LI Hong

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

In view of many challenges of Yangsigang Yangtze River Bridge, such as large quantities of Hanyang side anchorage, time constraints and technical difficulties , based on Catia software,the paper builds a three-dimensional visual model of Anchorage and import it into Midas FEA in pre-processing using BIM technology. After the post-processing of hydration thermal analysis, it adds cooling water pipes in concrete areas with great temperature differences between inside and outside,reducing the concrete outside temperature, so as to better control the temperature cracks in concrete.

BIM, Yangsigang Yangtze River Bridge, hydration thermal

2016-02-29

肖本林(1962-)， 男， 湖南安鄉人，湖北工業大學教授，研究方向為土木工程與建筑學

金紹武(1992-)，男，湖北襄陽人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為道路與橋梁工程

1003-4684(2017)02-0102-03

TU997

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