泵送混凝土彎管流固耦合有限元分析*

王 月，趙清春

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100020)

0 引言

隨著城市人口密度的增加，城市對(duì)高層建筑的需求也與日俱增。高層建筑施工過(guò)程中，需使用混凝土泵送系統(tǒng)進(jìn)行高壓、長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間的混凝土澆筑。由于泵送管道長(zhǎng)、彎管多，混凝土泵送系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，并伴隨強(qiáng)烈的沖擊和噪聲，影響主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，甚至造成質(zhì)量安全事故。

為解決上述問(wèn)題，本文利用Workbench軟件建立泵送混凝土彎管流固耦合混凝土模型，以振動(dòng)最嚴(yán)重的彎管部分為研究對(duì)象，對(duì)管內(nèi)混凝土、鋼管和管外支架進(jìn)行流固耦合有限元分析，以管內(nèi)壓力和泵送速度為研究參數(shù)，研究泵送過(guò)程中支架內(nèi)力和混凝土運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)合六安高臺(tái)小區(qū)安置房項(xiàng)目實(shí)際施工情況，研究不同管道壓力、不同泵送速度下彎管支架對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

彎管結(jié)構(gòu)采用有限元法，管內(nèi)流動(dòng)采用有限體積法。基于Workbench流固耦合計(jì)算，流體采用雷諾平均N-S方程計(jì)算，固體采用靜力和瞬態(tài)2種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 幾何模型

泵送混凝土輸送管采用高壓管，截取彎管和2個(gè)支架為混凝土泵送管道進(jìn)行建模。管外徑為165.2mm，內(nèi)徑為155.2mm，壁厚5mm，水平段長(zhǎng)1 000mm，垂直段長(zhǎng)500mm，彎管部位為半徑1m 的 1/4 彎管，泵管支架寬100mm，與主體結(jié)構(gòu)連接處為固定支架，泵管間、支架與管道間的連接簡(jiǎn)化為綁定連接。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

采用 ANSYS Mesh進(jìn)行流體域和固體域網(wǎng)格劃分，如圖1所示?？紤]管內(nèi)混凝土流動(dòng)具有黏性，在流體域交界面設(shè)置3mm加密邊界層，流體網(wǎng)格5萬(wàn)。管道和支架采用四面體單元自動(dòng)劃分網(wǎng)格，管壁與支架間接觸共節(jié)點(diǎn)。

圖1 泵送混凝土彎管及內(nèi)流體網(wǎng)格劃分

以速度入口和壓力出口作為流動(dòng)邊界條件。固體部分設(shè)定支架底部固支，與管道部分剛性連接。鋼材為Q345B，密度為7 850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。

采用單向流固耦合計(jì)算流體，壓力結(jié)果傳遞給管壁，內(nèi)壓施加在管內(nèi)壁，如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)壓荷載施加(單位：Pa)

1.3 流動(dòng)模型

流體計(jì)算中采用壓力基求解器，耦合計(jì)算方法，數(shù)值計(jì)算格式采用二階迎風(fēng)格式。

1.4 工況設(shè)定

考慮泵送管道不同部位的壓力環(huán)境，按5，0.22，0.15MPa 3種壓力，1，2，3m/s 3種入口速度，頻率20Hz進(jìn)行計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)管內(nèi)混凝土、鋼管和管外支架進(jìn)行流固耦合有限元分析，研究不同管內(nèi)壓力、不同泵送速度對(duì)支架及主體結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 混凝土流速及壓力影響

0.22MPa壓力、2m/s入口速度條件下，對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)管內(nèi)流動(dòng)壓力如圖3所示，速度流線(xiàn)如圖4所示。由圖3,4可知，在水平段壓力、速度分布較均勻，彎管處速度矢量變化大，流線(xiàn)紊亂，下壁面受沖擊明顯。由于沿程壓力損失，出口壓力低于入口壓力，彎管下部拐角處壓力明顯大于上部，這也是管道沖蝕受損的原因。

圖4 速度流線(xiàn)(單位：m/s)

為分析不同速度對(duì)管道受力的影響，統(tǒng)計(jì)0.15MPa壓力、1～3m/s泵送速度條件下管道水平方向受力，如表1所示。

表1 管道水平方向受力 N

由表1可知，彎管所受壓力明顯大于水平段和垂直段；隨著速度的提高，壓力增大，黏性作用也明顯增大。泵送壓力越高，管道彎段受力也越大，其中以壓力為主；在轉(zhuǎn)彎段，流線(xiàn)方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，外側(cè)受壓較大，彎管內(nèi)側(cè)受壓較小。

2.2 彎管結(jié)構(gòu)靜力分析

考慮混凝土流速對(duì)彎管系統(tǒng)應(yīng)力、支架應(yīng)力及主體結(jié)構(gòu)的影響，泵送速度2m/s，低壓0.15MPa條件下彎管及支架位移應(yīng)力云圖如圖5,6所示。

圖5 彎管及支架位移云圖(單位：m)

圖6 彎管及支架應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖5,6可知，管道入口壓強(qiáng)對(duì)管道總變形影響顯著；在定常流動(dòng)下，流速1，2m/s對(duì)彎管及支架整體影響不大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彎管部位，由于支架剛度很大，應(yīng)力和應(yīng)變均很小。

2.3 彎管支架系統(tǒng)振動(dòng)分析

由于泵送壓力以周期性變化，管道受力也呈周期性變化，討論正弦波形式的管道受力情況。

1)應(yīng)力分析 考慮管道流動(dòng)入口速度v=2m/s，出口壓力在0.15MPa水平上周期性變化時(shí)，計(jì)算0.5s內(nèi)管道系統(tǒng)的響應(yīng)，0.1s時(shí)刻瞬態(tài)位移和應(yīng)力如圖7,8所示。與靜態(tài)應(yīng)力相比，管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平明顯提高，應(yīng)力、變形增大幅度可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)模態(tài)分析得到管道1階頻率為89Hz，而泵送壓力輸入頻率為20Hz，故應(yīng)力提高并非共振引起。

圖8 彎管及支架系統(tǒng)瞬態(tài)應(yīng)力(單位：Pa)

2)支架反力 垂直段和水平段支架反力時(shí)程變化如圖9所示。

圖9 支架x，y方向反力時(shí)程變化

直管、彎管和支架的應(yīng)力變化具有明顯的周期性。相對(duì)來(lái)說(shuō)，水平支架反力小于垂直管支架反力。彎管部位的應(yīng)力變化出現(xiàn)多個(gè)小峰值，此處的振動(dòng)受到管道支架剛度的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用流固耦合技術(shù)進(jìn)行混凝土泵送管道和支架的有限元數(shù)值模擬，分析泵送過(guò)程中混凝土流動(dòng)引起的管道及支架受力機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明，在水平和垂直分布的管道設(shè)計(jì)中，彎管受力最大，速度和壓力的提高均會(huì)增大支架支承反力。本研究對(duì)混凝土泵送管道的振動(dòng)控制具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，為混凝土泵送系統(tǒng)減振降噪提供了一種研究方法。通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)，可在保證高層建筑混凝土泵送管道安全性的基礎(chǔ)上，減少?gòu)澒芟到y(tǒng)內(nèi)力，降低對(duì)已建結(jié)構(gòu)的不利影響，保證主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。