混凝土泵送管道減振支架流固耦合分析

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100020)

引言

在高層建筑的施工過程中會大量使用混凝土泵送系統(tǒng)進行混凝土澆筑。高層建筑混凝土泵送系統(tǒng)在工作時，會對管道產(chǎn)生附加的不平衡推力，產(chǎn)生劇烈的振動，并伴隨沖擊和噪音，影響主體結構質量，甚至造成質量安全事故。

為分析上述問題產(chǎn)生的機理，本文對管內(nèi)、管體和支座進行了整體流固耦合建模，結合施工項目的實際情況，針對混凝土泵送系統(tǒng)減振支架進行研究，采用減緩泵管振動最簡單、最直接的管外減振支架措施。在管道與支架間增加一層柔性橡膠，形成一種新型的減振支架。既能保證高層建筑混凝土泵送管道安全性，又能減小對主體結構的不良影響從而提升主體結構質量。

本文采用數(shù)值計算方法建立了泵送管道和減振支架的計算模型，針對管道彎管及支架受力問題，考慮管道輸送混凝土—管壁結構—支架整體作用體系，利用流固耦合分析方法，對其泵送過程中的混凝土流動特征，流動產(chǎn)生的粘性力、壓力等對管道的影響以及對不同減振支架減振剛度下的支架底座應力進行了靜力和動力特性研究，研究了彎管管道和支架在考慮流動的預加載作用下的整體模態(tài)特征。該研究工作為泵送混凝土施工減振降噪提供了理論依據(jù)，并為主體結構的安全提供重要的技術支撐。

計算結果在六安高臺小區(qū)安置房項目等多個工程上成功應用。應用結果表明，減振支架可以有效降低支架底部的應力，有利于保障主體結構的施工質量。

1 技術路線

管道系統(tǒng)的流固耦合問題的研究一直是熱點問題，近年來隨著仿真技術的發(fā)展，許多專家學者開始利用大型商業(yè)軟件對管道系統(tǒng)進行計算[1-3]。本文基于Workbench軟件建立了泵送混凝土動力學模型，對管道內(nèi)流體和管道結構及支撐系統(tǒng)建模，進行考慮流固耦合的模態(tài)分析及動態(tài)響應的有限元分析。結合建立的數(shù)值計算模型，計算中分為管道內(nèi)流體計算、管道內(nèi)混凝土—管壁結構荷載轉換、管道與支架體系3個計算分析步驟。計算過程中考慮混凝土流體與管道系統(tǒng)之間耦合作用，流體計算考慮流體粘性力、體積力、慣性力、壓力等影響，建立N-S方程，用時均法分析流體的流動特征，再把流體載荷插值到管道內(nèi)壁，建立考慮預加載下的管道系統(tǒng)模態(tài)分析，并通過模態(tài)分析討論不同橡膠減振剛度對支架內(nèi)力的影響。結構在泵送壓力周期性變化下產(chǎn)生的振動，通過對帶激勵源的振動微分方程，采用直接法計算，考慮管道系統(tǒng)的支撐形式、轉動慣量以及管道重力等因素的影響以及支架剛度變化帶來的影響。

由于管道變形微小，對內(nèi)部流動的影響小，實際操作中可以采用單向流固耦合。先在幾何模塊中建立幾何模型，再劃分網(wǎng)格單元，流固之間的載荷在耦合界面上可實現(xiàn)自動傳遞。在ANSYS中分別創(chuàng)建管道和流場的單元，分別將劃分好的單元導入各自的軟件，然后進入Fluent模塊中求解計算，最后將計算結果以荷載的形式預加載到管道和支架上。最后進行求解，得到管道和支架的應力、應變及流速跡線圖。

2 減振支架

減振支架的目的是減少泵送管道和主體建筑結構之間的傳遞。為使管道振動得到有效消除，在剛性支架上增加橡膠減振墊，這種減震方式具有成本小、易安裝等優(yōu)點。詳細構造參見圖3。安裝了橡膠減震墊的減振支架可以達到緩解混凝土泵送系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生的振動和減小對主體結構的不良影響的最佳綜合效果。

圖3 減振支架構造

橡膠減震墊具有高彈性和粘彈性，具有良好的阻尼特性。固有頻率低，隔振緩沖和隔聲性能好，內(nèi)部摩擦大，減震效果好，有利于越過共振區(qū)，衰減高頻振動和噪聲，對吸收泵管傳來的高頻振動的能量較突出，可以滿足不同方向的剛度和強度的要求。

減振支架設置了橡膠減振墊，在布設水平泵管時先將減振支架放置在模板上，再將泵管架設在橡膠減振墊上，這樣可將泵管與樓面鋼筋完全隔離開，泵送混凝土時泵送的沖擊力可被支架完全吸收，避免了產(chǎn)生的振動對模板支撐穩(wěn)定性的破壞； 同時解決了泵送混凝土時水平泵管產(chǎn)生的沖擊荷載對樓面層鋼筋的破壞和產(chǎn)生的振動對模板支撐穩(wěn)定性產(chǎn)生影響兩大問題。

3 數(shù)值模擬

本文截取一段帶彎管的水平和垂直段研究。彎管結構采用有限元分析，管內(nèi)混凝土采用有限體積法。用Workbench軟件考慮流固耦合，流體采用N-S方程計算。管道及支架采用靜動力兩種計算方法。

3.1 幾何模型

泵送混凝土輸送管采用高壓管，截取彎管和兩個支架為混凝土泵送管道有限元計算模型，管外徑165.2mm，內(nèi)徑155.2mm，壁厚5mm，水平段長度750mm，垂直段500mm，轉彎段半徑為0.75m的1/4彎管，泵管卡箍寬度100mm，卡箍與與主體結構連接處為固定連接，管道與卡箍之間考慮為帶微小摩擦約束。在水平泵管和垂直管道中部固定。施工中支架的間距一般為3 m左右，每根泵管下至少有1個固定支架。

材料參數(shù)：鋼材為Q345b，密度7 850kg/m3，彈性模量210GPa，泊松比0.3。減振橡膠墊層的泊松比為0.49。

3.2 數(shù)值計算模型及邊界條件

荷載邊界條件主要由重力荷載及流體壓力邊界條件組成，幾何邊界條件主要涉及支架底座，考慮其固定于主體結構不可移動，因此下底面采用固支邊界形式，約束6個方向位移，如圖4所示，計算模型中共有兩組主要接觸面，其一為流體與管道間的流—固界面，其二為支架與主體結構間的固體界面。

圖4 結構計算邊界條件

3.3 計算過程

采用ANSYS Mesh進行網(wǎng)格劃分，如圖5～6所示，盡量使用六面體單元，分別劃分流體域和固體域網(wǎng)格，在流固交界面網(wǎng)格設置加密的邊界層，振動響應問題時需綜合考慮計算時間和精度。

圖5 流體網(wǎng)格劃分

圖6 泵送混凝土管道有限元網(wǎng)格劃分

在流體模型中考慮質量方程、動量方程和湍流方程，不考慮熱能傳遞的影響，將入口速度設置為2m/s，出口設置為10×101.325kPa，且隨時間周期性變化，頻率20Hz。

對于結構部分考慮了幾種情況：

1)單獨管道，兩端固支；

2)卡箍下支撐為剛性，考慮彈性模量E=210GPa，兩端自由；

3)模擬管道下部低剛度柔性支撐，卡箍下支撐低彈性模量E=2GPa；

4)采用橡膠墊模型，兩邊剛性支撐，中間橡膠模量E=2GPa；

先在靜力模塊中進行靜強度分析，得到管道和支架的變形、應變和應力。對加載流體力作用下的預應力模型進行模態(tài)分析，對比不同結構形式模態(tài)參數(shù)的差異，最后進行了瞬態(tài)結構響應分析。

4 計算結果及分析

4.1 泵送混凝土流動特性分析

入口速度2m/s，出口壓力為1MPa，定常分析時流管內(nèi)壓力分布和速度分布圖如圖7～8所示。由于在彎道處速度矢量變化大，流線發(fā)生彎曲、扭轉，管道外側壓力會大于內(nèi)側，靠內(nèi)側局部出現(xiàn)低壓區(qū)。管道內(nèi)載荷力的分布也極不平衡，主要由彎管部位產(chǎn)生，水平段和垂直段在水平速度沖擊下載荷不大。

圖7 出口為1MPa下管道內(nèi)流體壓力分布

圖8 速度流線圖

4.2 不同結構的模態(tài)分析

對情況a單獨管道和情況b的鋼支撐、情況c柔性支撐3種形式結構，考慮有水壓下的模態(tài)進行分析，前6階自振頻率結果如表1?？梢钥闯觯寒敼艿罏檎w結構，沒有法蘭盤連接，兩端固支時管道自振頻率最高，當用卡箍剛性支撐在支架上，管道自振頻率會隨著連接形式而降低，假定卡箍下部連接部位采用柔性支撐后，結構整體自振頻率最低，一階自振頻率由119.32 Hz降低到19.501 Hz。所以支撐對結構的響應影響很大。

表1 3種結構形式下自振頻率

圖9為情況c下前3階振型，分別為繞支撐的扭轉、搖擺模態(tài)，后3階為以上下拉伸和管道的呼吸模態(tài)為主。

4.3 靜動態(tài)響應分析

考慮柔性支撐影響，情況c條件下結構流固耦合下的靜強度分析結果如圖10。彎管中心部位變形最大，和剛性支撐比較變形增大，應力最大處為柔性支撐根部，同時應力傳遞到支架根部，垂直段工字型支架鋼板上應力略高于水平段。2個支架底座承受泵送管道傳遞的力和力矩作用，如表2。

圖10 柔性支撐下管道系統(tǒng)的靜變形和靜應力結果

圖9 柔性支撐時前三階振型圖

表2 支座反力和力矩

根據(jù)以上對管道和支架體系進行的數(shù)值計算結果表明：單純考慮支撐結構的剛度降低，反而會使得系統(tǒng)的一階頻率下降很大，結構受力在柔性支撐根部最大，導致管道變形也增大，不利于結構應力設計； 相反如果在保證支撐剛度條件下，增加中間的橡膠墊環(huán)節(jié)，可以吸收管道的振動能，同時支架底部傳遞給主體結構的內(nèi)力逐步減少。改進支架減振裝置，可以達到緩解混凝土泵送系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生的振動和減小對主體結構的不良影響的最佳綜合效果。

隨著減振橡膠墊層剛度的降低，相同荷載作用下的減振支架下部應力呈遞減趨勢，主體結構的應力相應逐步減小，且減幅明顯。降低減振橡膠墊層剛度，其各向應力呈降低趨勢，最大拉應力降幅較為明顯。當減振橡膠墊層彈性模量增大時，支架底部應力有增大現(xiàn)象。計算結果表明，減振橡膠墊層彈性模量不應太大，可兼顧泵管、減振橡膠墊層、支架等各項力學性能指標。

5 結論

本文針對彎管和支架受力問題進行了研究，通過流固耦合數(shù)值計算方法分析了不同減振剛度情況下支架體系結構靜動力響應，并討論了其不同工況下頻率特性和對主體結構的影響。

仿真結果證明，本文方法考慮了流固耦合及管道支撐的各種形式，對管道支架的受力情況進行的模擬更為詳細和準確。計算結果表明，改進支架減振裝置，可以達到緩解混凝土泵送系統(tǒng)工作過程中產(chǎn)生的振動和減小對主體結構的不良影響的最佳綜合效果。減振支架可以有效地保護主體結構，避免在泵送混凝土時輸送管對主體結構的沖擊及振動，保障了主體結構構件澆筑質量。

本文為混凝土泵送系統(tǒng)減振降噪提供了一種優(yōu)化方法，在保證高層建筑混凝土泵送管道安全性的基礎上，避免了對已建結構的不利影響，保證了主體結構的質量。本文研究結果在六安高臺小區(qū)安置房項目等工程上得到了成功應用。