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(cè)錨碇為例

肖本林， 金紹武, 林雪瑩, 胡帥軍, 李 紅

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)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(cè)錨碇為例

肖本林， 金紹武, 林雪瑩, 胡帥軍, 李 紅

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

針對(duì)楊泗港長江大橋漢陽側(cè)錨碇工程量大、時(shí)間緊迫、技術(shù)難點(diǎn)多的情況，運(yùn)用BIM技術(shù)，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(dǎo)入到Midas FEA中進(jìn)行前處理，之后進(jìn)行水化熱分析的后處理部分，對(duì)混凝土內(nèi)外部溫差大的區(qū)域添加冷卻水管，減小混凝土內(nèi)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(guī)劃確定的“三環(huán)十三射”快速路骨架系統(tǒng)的重要組成部分(圖1)。楊泗港長江大橋漢陽側(cè)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(nèi)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(zhǔn)備工作僅有兩個(gè)月時(shí)間，楊泗港長江大橋漢陽側(cè)錨碇附近地址環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)過地質(zhì)勘探單位多次補(bǔ)勘，設(shè)計(jì)變更多。本錨碇工程規(guī)模龐大，需要開挖地下土27萬m3，內(nèi)部異形構(gòu)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(duì)于構(gòu)件復(fù)雜的地方難以建立的問題以及模型參數(shù)多次修改的困難。而這些困難就是BIM軟件進(jìn)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(jié)構(gòu)(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(yīng)用Catia軟件建立的BIM模型(圖3)。

圖 2 BIM模型中的一些異形結(jié)構(gòu)

圖 3 BIM模型

2.2 BIM模型向有限元模型的轉(zhuǎn)化

由于Catia模型CAT文件不能直接導(dǎo)入Midas FEA中，需要用Python語言編譯一個(gè)插件，它可以將CAT格式轉(zhuǎn)變?yōu)閙idas FEA的feb格式，之后進(jìn)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(jí)為C35，該模型共有201368個(gè)單元，204748個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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(duì)稱性，取1/4錨碇進(jìn)行建模計(jì)算分析可以提高建模速度、縮短分析時(shí)間，而且便于查看模型內(nèi)部的溫度以及應(yīng)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(dǎo)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(shí)際情況來建模，澆筑分為五個(gè)階段(圖5)，其中在第五個(gè)階段348 h時(shí)溫度達(dá)到峰值(圖5、圖6)并且第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力在第五階段同時(shí)達(dá)到峰值(圖7、圖8)。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ041-2000)中規(guī)定：現(xiàn)場(chǎng)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(shè)置15℃，第五階段最高溫度已達(dá)到43.04℃，已經(jīng)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(gè)施工階段溫度變化圖(無冷管)

圖 7 第五階段混凝土溫度場(chǎng)云圖(無冷管)

圖 8 第五階段混凝土應(yīng)力場(chǎng)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(nèi)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(shí)須確保管道暢通，接頭可靠，并通水檢驗(yàn)，防止混凝土澆筑過程出現(xiàn)管道漏水現(xiàn)象，冷卻管在連續(xù)通水14 d后灌漿封孔并在停止通水后每隔12 h測(cè)量一次混凝土的溫度。

圖 9 冷卻水管布置圖

應(yīng)用Midas FEA對(duì)建立冷卻水管的有限元模型進(jìn)行分析。經(jīng)過分析每個(gè)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(dá)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(nèi)外溫差，為施工單位提供了理論依據(jù)[3]。

圖10 為五個(gè)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(chǎng)云圖(有冷管)

4 結(jié)論

使用BIM模型進(jìn)行有限元模型的前處理，然后導(dǎo)入有限元計(jì)算軟件進(jìn)行后處理，大大提高了模型的精確度與運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。添加冷卻水管后的最高溫度由43.04℃變?yōu)?2.24℃，理論上減少了錨碇施工完畢時(shí)出現(xiàn)的溫度裂縫，說明水化熱分析及施工控制是有效的。溫度場(chǎng)建模的精確分析、熱原函數(shù)以及熱對(duì)流系數(shù)的準(zhǔn)確定義是保證施工質(zhì)量的前提。

[1] 隋振國，馬錦明，陳東，徐偉.BIM技術(shù)在土木工程施工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J].施工技術(shù)，2013(42)：161-165.

[2] 羅庚，胡寶生，辛國平.橋梁承臺(tái)大體積混凝土水化熱分析及溫控措施[J].公路交通技術(shù)，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(zé)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(xiāng)人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)橥聊竟こ膛c建筑學(xué)

金紹武(1992-)，男，湖北襄陽人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榈缆放c橋梁工程

1003-4684(2017)02-0102-03

TU997

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