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，城市對高層建筑的需求也與日俱增。高層建筑施工過程中，需使用混凝土泵送系統進行高壓、長距離、長時間的混凝土澆筑。由于泵送管道長、彎管多，混凝土泵送系統工作時會產生劇烈振動，并伴隨強烈的沖擊和噪聲，影響主體結構質量，甚至造成質量安全事故。

為解決上述問題，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，以振動最嚴重的彎管部分為研究對象，對管內混凝土、鋼管和管外支架進行流固耦合有限元分析，以管內壓力和泵送速度為研究參數，研究泵送過程中支架內力和混凝土運動規律。結合六安高臺小區安置房項目實際施工情況，研究不同管道壓力、不同泵送速度下彎管支架對主體結構的影響。

1 數值計算模型

彎管結構采用有限元法，管內流動采用有限體積法。基于Workbench流固耦合計算，流體采用雷諾平均N-S方程計算，固體采用靜力和瞬態2種計算方法進行對比分析。

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個支架為混凝土泵送管道進行建模。管外徑為165.2mm，內徑為155.2mm，壁厚5mm，水平段長1 000mm，垂直段長500mm，彎管部位為半徑1m 的 1/4 彎管，泵管支架寬100mm，與主體結構連接處為固定支架，泵管間、支架與管道間的連接簡化為綁定連接。

1.2 網格劃分及邊界條件

采用 ANSYS Mesh進行流體域和固體域網格劃分，如圖1所示。考慮管內混凝土流動具有黏性，在流體域交界面設置3mm加密邊界層，流體網格5萬。管道和支架采用四面體單元自動劃分網格，管壁與支架間接觸共節點。

圖1 泵送混凝土彎管及內流體網格劃分

以速度入口和壓力出口作為流動邊界條件。固體部分設定支架底部固支，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算流體，壓力結果傳遞給管壁，內壓施加在管內壁，如圖2所示。

圖2 管道內壓荷載施加(單位：Pa)

1.3 流動模型

流體計算中采用壓力基求解器，耦合計算方法，數值計算格式采用二階迎風格式。

1.4 工況設定

考慮泵送管道不同部位的壓力環境，按5，0.22，0.15MPa 3種壓力，1，2，3m/s 3種入口速度，頻率20Hz進行計算。

2 計算結果分析

對管內混凝土、鋼管和管外支架進行流固耦合有限元分析，研究不同管內壓力、不同泵送速度對支架及主體結構的影響。

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，對稱平面內管內流動壓力如圖3所示，速度流線如圖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(單位：m/s)

為分析不同速度對管道受力的影響，統計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；在轉彎段，流線方向發生扭轉，外側受壓較大，彎管內側受壓較小。

2.2 彎管結構靜力分析

考慮混凝土流速對彎管系統應力、支架應力及主體結構的影響，泵送速度2m/s，低壓0.15MPa條件下彎管及支架位移應力云圖如圖5,6所示。

圖5 彎管及支架位移云圖(單位：m)

圖6 彎管及支架應力云圖(單位：Pa)

由圖5,6可知，管道入口壓強對管道總變形影響顯著；在定常流動下，流速1，2m/s對彎管及支架整體影響不大，最大應力出現在彎管部位，由于支架剛度很大，應力和應變均很小。

2.3 彎管支架系統振動分析

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)應力分析 考慮管道流動入口速度v=2m/s，出口壓力在0.15MPa水平上周期性變化時，計算0.5s內管道系統的響應，0.1s時刻瞬態位移和應力如圖7,8所示。與靜態應力相比，管道結構應力水平明顯提高，應力、變形增大幅度可達1個數量級。通過模態分析得到管道1階頻率為89Hz，而泵送壓力輸入頻率為20Hz，故應力提高并非共振引起。

圖8 彎管及支架系統瞬態應力(單位：Pa)

2)支架反力 垂直段和水平段支架反力時程變化如圖9所示。

圖9 支架x，y方向反力時程變化

直管、彎管和支架的應力變化具有明顯的周期性。相對來說，水平支架反力小于垂直管支架反力。彎管部位的應力變化出現多個小峰值，此處的振動受到管道支架剛度的影響。

3 結語

本文運用流固耦合技術進行混凝土泵送管道和支架的有限元數值模擬，分析泵送過程中混凝土流動引起的管道及支架受力機理。計算結果表明，在水平和垂直分布的管道設計中，彎管受力最大，速度和壓力的提高均會增大支架支承反力。本研究對混凝土泵送管道的振動控制具有一定的工程應用價值，為混凝土泵送系統減振降噪提供了一種研究方法。通過參數設計，可在保證高層建筑混凝土泵送管道安全性的基礎上，減少彎管系統內力，降低對已建結構的不利影響，保證主體結構質量。