基于BIM的超大体积混凝土水化热分析——以杨泗港长江大桥汉阳侧锚碇为例

肖本林， 金绍武, 林雪莹, 胡帅军, 李 红

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

基于BIM的超大体积混凝土水化热分析
——以杨泗港长江大桥汉阳侧锚碇为例

肖本林， 金绍武, 林雪莹, 胡帅军, 李 红

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

针对杨泗港长江大桥汉阳侧锚碇工程量大、时间紧迫、技术难点多的情况，运用BIM技术，依托Catia软件建立锚碇填芯混凝土三维可视化模型并将其导入到Midas FEA中进行前处理，之后进行水化热分析的后处理部分，对混凝土内外部温差大的区域添加冷却水管，减小混凝土内外部的温差，从而更好地控制混凝土温度裂缝。

BIM; 杨泗港长江大桥; 水化热

1 工程概况

杨泗港长江大桥是武汉市新一轮城市总体规划确定的“三环十三射”快速路骨架系统的重要组成部分(图1)。杨泗港长江大桥汉阳侧锚碇，其圆形地连墙直径98 m，壁厚1.5 m，土体开挖体积27万m3，采用逆筑法施工，分层开挖土体、分层施工内衬[1]。

图 1 杨泗港长江大桥位置图

2 模型的建立

2.1 BIM模型的建立

开工前准备工作仅有两个月时间，杨泗港长江大桥汉阳侧锚碇附近地址环境复杂，经过地质勘探单位多次补勘，设计变更多。本锚碇工程规模庞大，需要开挖地下土27万m3，内部异形构件多。若直接使用有限元分析软件建立有限元模型，必将面临对于构件复杂的地方难以建立的问题以及模型参数多次修改的困难。而这些困难就是BIM软件进行前处理部分亟待解决的问题。

直接使用Midas FEA建立有限元模型不能建立空间中的异形结构(图2)，故需要用到Catia软件来代替有限元模型的前处理模式。应用Catia软件建立的BIM模型(图3)。

图 2 BIM模型中的一些异形结构

图 3 BIM模型

2.2 BIM模型向有限元模型的转化

由于Catia模型CAT文件不能直接导入Midas FEA中，需要用Python语言编译一个插件，它可以将CAT格式转变为midas FEA的feb格式，之后进行单元格的划分、输入材料、荷载、边界条件、工况等，形成有限元模型(图4)。其中有限元模型浇筑的混凝土等级为C35，该模型共有201368个单元，204748个节点。

图 4 有限元模型

3 水化热分析

3.3 无冷却水管的水化热分析

虽然锚碇模型的尺寸具有对称性，取1/4锚碇进行建模计算分析可以提高建模速度、缩短分析时间，而且便于查看模型内部的温度以及应力分布情况。但是考虑到锚碇周围外部受力的不均衡等因素，所以必须使导入Midas FEA中的模型是完整的[2]。

由于锚碇的填芯混凝土是分层浇筑的，有限元模型必须按照实际情况来建模，浇筑分为五个阶段(图5)，其中在第五个阶段348 h时温度达到峰值(图5、图6)并且第一主应力与第三主应力在第五阶段同时达到峰值(图7、图8)。根据《公路桥涵施工技术标准》(JTJ041-2000)中规定：现场浇筑的最小边尺寸为1-3 m且必须采取措施以避免水化热引起的温差超过25℃的混凝土成为大体积混凝土。由于室温设置15℃，第五阶段最高温度已达到43.04℃，已经超过25℃，故此填芯混凝土属于大体积混凝土的范围，必须采用降温处理。

(a)第一施工阶段

(b)第二施工阶段

(c)第三施工阶段

(d)第四施工阶段

(e)第五施工阶段图 5 施工阶段

图 6 五个施工阶段温度变化图(无冷管)

图 7 第五阶段混凝土温度场云图(无冷管)

图 8 第五阶段混凝土应力场云图

3.4 有冷却水管的水化热分析

利用Midas FEA软件合理布置冷却水管，以控制混凝土内外温差和温度裂缝。

冷却水管(图9)采用外径50 mm，壁厚4 mm的钢管，安装时须确保管道畅通，接头可靠，并通水检验，防止混凝土浇筑过程出现管道漏水现象，冷却管在连续通水14 d后灌浆封孔并在停止通水后每隔12 h测量一次混凝土的温度。

图 9 冷却水管布置图

应用Midas FEA对建立冷却水管的有限元模型进行分析。经过分析每个阶段的温度都有所降低，其中第五阶段添加冷却水管后温度的峰值达到32.24℃(图10～12)，与此前未添加冷却水管的大体积混凝土模型相比，减少了10℃，大大减少了内外温差，为施工单位提供了理论依据[3]。

图10 为五个施工阶段温度变化图(有冷管)

图11 有冷却水管的有限元模型

图12 第五阶段混凝土温度场云图(有冷管)

4 结论

使用BIM模型进行有限元模型的前处理，然后导入有限元计算软件进行后处理，大大提高了模型的精确度与运算结果的准确度。添加冷却水管后的最高温度由43.04℃变为32.24℃，理论上减少了锚碇施工完毕时出现的温度裂缝，说明水化热分析及施工控制是有效的。温度场建模的精确分析、热原函数以及热对流系数的准确定义是保证施工质量的前提。

[1] 隋振国，马锦明，陈东，徐伟.BIM技术在土木工程施工领域的应用进展[J].施工技术，2013(42)：161-165.

[2] 罗庚，胡宝生，辛国平.桥梁承台大体积混凝土水化热分析及温控措施[J].公路交通技术，2013(3)：89-93.

[3] 康省桢.大体积混凝土水化热分析与施工控制[J]世界桥梁，2008(2)：42-44.

[责任编校： 张岩芳]

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， 湖南安乡人，湖北工业大学教授，研究方向为土木工程与建筑学

金绍武(1992-)，男，湖北襄阳人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为道路与桥梁工程

1003-4684(2017)02-0102-03

TU997

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