CN102508951A - 用于计算超高层混凝土泵送压力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，包括以下步骤：建立符合施工实验或经验的混凝土与典型管道结构的耦合模型；通过三维流固耦合计算获得典型管道混凝土输送压力；重复前面的步骤，总结不同管道结构相对于水平管输送压力的简化或换算关系；计算整个施工过程中混凝土泵送压力。本发明的计算结果可以反应混凝土在管道内的三维流动状态，管道动态响应，以及输送阻力和泵送压力，并且具有很好的准确性。

Description

用于计算超高层混凝土泵送压力的方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土泵送领域的方法，特别是涉及一种超高层混凝土泵送压力计算方法。

背景技术

混凝土施工中，尤其是一些混凝土量很大的大型钢筋混凝土构筑物和高层建筑，正确选择混凝土输送工具和浇注方法十分重要。目前常采用混凝土管道泵送方法。混凝土泵送技术能一次连续地完成水平输送和垂直输送，传输距离长，输送排量大，具有效率高、劳力省、费用低等显著优点。

随着泵送高度的增加，输送压力也不断提高。对于垂直高度大于300m的超高建筑，一般采用高强度混凝土，黏度通常较大。其混凝土泵的出口压力一般需要在20MPa以上。这种高强度混凝土的超高压泵送更是混凝土输送的一大难题。虽然工程中可以通过“接力”的方式实现超高建筑、超远距离的混凝土输送，这里所述的“接力”即在输送通道中间的若干个位置设置泵机，以增加输送能力。然而，“接力”会带来一系列难题。如泵机的上楼和拆运、泵机停放位置、楼板加固以及泵送结束后的板面处理(楼板混凝土要求一次抹面)、熟料的输送过程和混凝土入模时间的拖延、对混凝土拌合物各种性能要求更高、施工管理更加困难等。与之相比，混凝土一次泵送到位是最佳方案。

混凝土一次泵送到位的关键是选择适当的泵送设备和制定保证顺利泵送的管道布置工艺。然而目前高层混凝土泵送技术的理论体系还不完善。对于高层混凝土的泵送效果，大多数设备生产单位及施工单位还没有较为准确的计算方法。

经对现有技术的文献检索发现，目前通常是参照JGJ/T 10-95《混凝土泵送施工技术规程》执行。如李博等人在《科技导航》2009年第5期发表了文章“超高层泵送施工技术”。该文对于混凝土泵送压力的计算按照下述步骤进行：1)根据JGJ/T 10-1995将垂直管道、倾斜管道、弯头、锥管、软管折算为水平管道；2)根据S.Morinaga公式计算单位长度的水平管道压力损失；3)根据折算水平管道总长度与单位长度的压力损失之积，计算得到主泵送阻力；4)计算混凝土泵其余部分的附加泵送阻力；5)计算主泵送阻力与附加泵送阻力之和，得到总体泵送阻力。

张声军等在《建筑机械》2010年第3期上发表了文章“混凝土泵送阻力的修正算法”。该文对混凝土泵送阻力计算方法进行了修正，使之与实测阻力更为吻合，并使计算过程更为简化，对混凝土泵送工程具有重要应用价值。但本质上还是与传统的计算方法类似。

上述计算方法虽然具有简便、快速和易用的特点，但由于其忽略了如管道型式、结构和流动状态等诸多影响因素，所以存在较大的估算误差。从施工现场的应用情况来看，按照此法的参数计算和实验，通常不能准确的标定所需的混凝土泵的出口压力。此外，泵送过程中出现爆浆现象的重要原因之一也是现有规范参数确定中存在一定简化，不完全精确。特别是对于高度大于300m的超高层泵送商品混凝土，因泵送压力过高，所用混凝土强度高、黏度大，泵送尤其困难，给泵送施工带来一系列有待探讨的技术难题。因此，为了提高现场设备的可靠性和泵送能力，需要解决超高压混凝土输送中压力、阻力计算、管道振动和布置等技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，以解决超高层建筑混凝土泵送压力计算误差大、忽略因素多等困难和问题。

本发明提出一种用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，包括以下步骤：

1)建立符合施工实验或经验的混凝土与典型管道结构的耦合模型；

2)通过三维流固耦合计算获得典型管道混凝土输送压力；

3)重复前面的步骤，总结不同管道结构相对于水平管输送压力的简化或换算关系；

4)计算整个施工过程中混凝土泵送压力。

进一步的，步骤2)之后还进一步包括：21)将计算结果与实验或经验的传统计算方法的结果对比，若吻合，则进入步骤3)，若不吻合，则返回步骤1)，并调整混凝土的参数。

进一步的，步骤4)中，通过全尺寸计算方法，计算整个施工过程中混凝土泵送压力。

进一步的，所述全尺寸计算方法包括以下步骤：

411)基于前述混凝土模型基础上，建立与实际工程布置一致的1∶1全尺寸混凝土管道结构模型；

412)通过仿真计算直接得到实际的混凝土输送压力。

进一步的，步骤4)中，通过等效简化或非等效简化，计算整个施工过程中混凝土泵送压力。

进一步的，所述等效简化的计算方法包括以下步骤：

421)基于前述混凝土与典型管道耦合计算结果，得到所有管道结构相对于单位长度水平直管的比例关系；

422)依此比例关系，将真实的泵送管道结构依次换算为相对应长度的水平直管，得到对应的总等效水平直管长度；

423)根据单位长度水平直管混凝土压力与等效的水平直管长度乘积得到混凝土输送压力。

进一步的，所述非等效简化的计算方法包括以下步骤：

431)基于前述混凝土与典型管道耦合计算结果，得到各种类型管道的混凝土输送压力；

432)分别计算在实际长度下对应的混凝土压力损失；

433)进行求和计算，得到混凝土输送压力。

进一步的，步骤1)中，所述的耦合模型是基于任意拉格朗日欧拉法建立的，模拟了混凝土的高粘度和宾汉姆流体特性的三维模型。

进一步的，所述典型管道结构是指混凝土泵送过程中常用的100mm/125mm/150mm三种管径的水平直管、垂直直管、90°水平弯管、90°垂直弯管、锥管。

进一步的，步骤2)中，采用显式动力学并行算法进行计算。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明考虑了混凝土的高粘度、宾汉姆流体特性、流固耦合导致的管道振动、管道布置等多种复杂因素对混凝土泵送压力的影响。根据实际情况的不同，可以通过简单的参数调整来模拟实际情况的变化。计算结果可以反应混凝土在管道内的三维流动状态，管道动态响应，以及输送阻力和泵送压力，并且具有很好的准确性。

附图说明

图1为本发明用于计算超高层混凝土泵送压力的方法的一种实施例流程图；

图2为混凝土与典型管道的一种耦合模型示意图；

图3为显式动力学并行算法的计算过程示意图；

图4为管道内混凝土断面流速理论计算结果与实际仿真计算结果的对比示意图；

图5为几种不同计算方法的结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

请参见图1，其为本发明用于计算超高层混凝土泵送压力的方法的一种详尽的实施例流程图，其包括以下步骤：

S11，建立符合施工实验或经验的混凝土与典型管道结构的耦合模型。

所述典型管道结构可以是混凝土泵送过程中常用的100mm/125mm/150mm三种管径的水平直管、垂直直管、90°水平弯管、90°垂直弯管、锥管等。结合参见图2，其为混凝土与典型管道的一种耦合模型示意图，耦合模型包括新拌混凝土、输送管道、地面(或墙面)以及进出口边界等。将混凝土、管道结构和地面(或墙面)模型装配在一起，设定正确的边界条件以后，就形成了数值求解模型，由于图2是整个施工泵送管道中的一段管道，因此图2中未绘示出地面(或墙面)。其中混凝土与管道之间的关系通过耦合关系实现。模型主要包括流体(空气、混凝土等)、管道、边界(支撑、进出口压力、流速等)。流体为实体单元。为确保计算结果的准确性，经多轮试算后，确定流体沿管道截面周向为24个单元，轴向尺寸为0.04～0.1m。

值得注意的是，所述的耦合模型可以是基于任意拉格朗日欧拉法(Arbitrary Lagrange Euler，ALE)建立的，模拟了混凝土的高粘度和宾汉姆流体特性的三维模型。其中，所述的宾汉姆流体(Bingham)属于非牛顿流体的一种：当施加的外力超过一定值后，混凝土流体从不流动变成流动，且粘度不再变化。

任意拉格朗日欧拉法是结合拉格朗日描述和欧拉描述提出的。拉格朗日法着眼于流体质点，其描述出单个流体质点的运动过程，研究流体质点的速度、加速度、压力等描述流体运动的参数随时间的变化规律，以及相邻流体质点之间这些参数的变化规律。欧拉法着眼于空间点，其描述出空间点处的运动参数，研究空间点上的速度和加速度等运动参数随时间的变化规律，以及相邻空间点之间的这些参数的变化规律。因此，基于任意拉格朗日欧拉法，对流体运动方式的控制就能比较灵活，可以建立一种混凝土与管道之间无滑移、无穿透的三维动态耦合模型。

S12，通过三维流固耦合计算获得典型管道混凝土输送压力。

这里所述的流固耦合是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象。而本这里通过三维流固耦合来计算管道混凝土输送压力，使计算过程更贴合实际。

此外，本发明优选采用显式动力学并行算法对步骤S11建立的模型进行仿真计算。通过显式算法对模型进行求解，从而避免了通过隐式方法迭代求解流体压力而可能带来的计算不收敛的问题。图3为显式动力学并行算法的计算过程示意图，其中tmax为最大计算时间，Δt为计算时间步，n为计算迭代步。

S13，将计算结果与实验或经验的传统计算方法的结果对比，若吻合，则进入步骤S14，若不吻合，则返回步骤S11，并调整混凝土的参数。

结合参见图4，其为管道内混凝土断面流速理论计算结果与实际仿真计算结果的对比示意图，图中“-”为步骤S12计算得到的数据，“×”为实验或经验的传统计算方法得到的数据，图中两种数据形成的图像相近似，说明步骤S12得到的计算结果和实验或经验相吻合。若不吻合，则要返回步骤S11，重新调整混凝土的各项参数，以使得计算结果与实际仿真结果相吻合。

S14，重复前面的步骤，总结不同管道结构相对于水平管输送压力的简化或换算关系。

在大量三维计算结果的基础上，在考虑一定安全系数的基础上得到换算系数。表1为混凝土在两种流速1.5m/s和2m/s下在125mm管道内流动的实际压力和换算系数表。

表1

S15，计算整个施工过程中混凝土泵送压力。

本发明优选采用等效简化或非等效简化或全尺寸的计算方法，来计算整个施工过程中混凝土泵送压力。

其中，全尺寸计算方法的计算过程是(1)基于前述混凝土模型基础上，建立与实际工程布置一致的1∶1全尺寸混凝土管道结构模型。(2)通过仿真计算直接得到实际的混凝土输送压力。

等效简化的计算过程是：(1)基于前述混凝土与典型管道耦合计算结果，得到所有管道结构相对于单位长度水平直管的比例关系。(2)依此比例关系，将真实的泵送管道结构依次换算为相对应长度的水平直管，得到对应的总等效水平直管长度。(3)根据单位长度水平直管混凝土压力与等效的水平直管长度乘积得到混凝土输送压力。

非等效简化的计算过程是：(1)基于前述混凝土与典型管道耦合计算结果，得到各种类型管道的混凝土输送压力。(2)分别计算在实际长度下对应的混凝土压力损失。(3)进行求和计算，得到混凝土输送压力。

下面结合表1的数据来具体说明等效简化和非等效简化的计算过程。假设已有资料知：管道总长度，垂直高度393m，加上布料机和水平管道部分，总长550m；90°弯管约20个(含布料杆弯管)；45°弯管约2个；锥管1个。每个90°弯管、锥管压力损失0.1MPa；每个45°弯管和截止阀压力损失0.05MPa。S分配阀压力损失0.2MPa。每套管道设置2个截止阀。

参考理论计算中45°弯管压力损失是90°弯管的一半取值；同时对锥管、S分配阀和截止阀则取规范推荐值。总压力计算式：

P＝P1+P2+P3

式中P1为水平管损失；P2为垂直管损失；P3为弯管等其它管道损失。

1)非等效计算

根据表1中125mm管径的单位长度压力损失，有以下计算：

P1＝167*1.39E4＝2.32MPa

P2＝393*4.06E4＝16MPa

P3＝21*7.18E4+4*0.5*7.18E4+0.2＝1.852MPa

最终P＝P1+P2+P3≈20.2MPa。

2)等效计算

水平直管压力损失仍为：

P1＝2.32MPa；

垂直管按系数3.5换算为水平管：

P2＝393*4*1.39E3.5＝19.12MPa；

弯管按等效系数6折算为水平管，其它类管道参考规范推荐值：

P3＝2.1MPa

最终P＝P1+P2+P3≈23.54MPa。

图5列出了实际采用值、传统理论计算值、经验值、非等效计算和等效计算的对比图。由图中可以看出，由于已经考虑了安全系数，所以三维等效方法计算的结果与实际值最接近。此外，所用的计算方法的结果都大于传统理论计算值。

由上述实例可以得出如下结论：基于三维流固耦合仿真得到的结果与理论计算，特别是已有经验所得的混凝土输送压力具有很好的吻合性。能够较为准确的反应实际工程中的混凝土输送压力。三维等效和非等效在一定程度上可视为泵送压力的两个极限值。

最后，结合传统计算方法的计算结果，对比和分析上述三维计算结果，并最终确定施工方案。

本发明考虑了混凝土的高粘度、宾汉姆流体特性、流固耦合导致的管道振动、管道布置等多种复杂因素对混凝土泵送压力的影响。根据实际情况的不同，可以通过简单的参数调整来模拟实际情况的变化。计算结果可以反应混凝土在管道内的三维流动状态，管道动态响应，以及输送阻力和泵送压力，并且具有很好的准确性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，只要不超出所附权利要求书所述范围，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立符合施工实验或经验的混凝土与典型管道结构的耦合模型；

2)通过三维流固耦合计算获得典型管道混凝土输送压力；

3)重复前面的步骤，总结不同管道结构相对于水平管输送压力的简化或换算关系；

4)计算整个施工过程中混凝土泵送压力。

2.如权利要求1所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，步骤2)之后还进一步包括：

21)将计算结果与实验或经验的传统计算方法的结果对比，若吻合，则进入步骤3)，若不吻合，则返回步骤1)，并调整混凝土的参数。

3.如权利要求2所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，步骤4)中，通过全尺寸计算方法，计算整个施工过程中混凝土泵送压力。

4.如权利要求3所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，所述全尺寸计算方法包括以下步骤：

411)基于前述混凝土模型基础上，建立与实际工程布置一致的1∶1全尺寸混凝土管道结构模型；

412)通过仿真计算直接得到实际的混凝土输送压力。

5.如权利要求1所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，步骤4)中，通过等效简化或非等效简化，计算整个施工过程中混凝土泵送压力。

6.如权利要求5所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，所述等效简化的计算方法包括以下步骤：

421)基于前述混凝土与典型管道耦合计算结果，得到所有管道结构相对于单位长度水平直管的比例关系；

422)依此比例关系，将真实的泵送管道结构依次换算为相对应长度的水平直管，得到对应的总等效水平直管长度；

423)根据单位长度水平直管混凝土压力与等效的水平直管长度乘积得到混凝土输送压力。

7.如权利要求5所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，所述非等效简化的计算方法包括以下步骤：

431)基于前述混凝土与典型管道耦合计算结果，得到各种类型管道的混凝土输送压力；

432)分别计算在实际长度下对应的混凝土压力损失；

433)进行求和计算，得到混凝土输送压力。

8.如权利要求1所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的耦合模型是基于任意拉格朗日欧拉法建立的，模拟了混凝土的高粘度和宾汉姆流体特性的三维模型。

9.如权利要求1所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，所述典型管道结构是指混凝土泵送过程中常用的100mm/125mm/150mm三种管径的水平直管、垂直直管、90°水平弯管、90°垂直弯管、锥管。

10.如权利要求1所述的用于计算超高层混凝土泵送压力的方法，其特征在于，步骤2)中，采用显式动力学并行算法进行计算。

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