CN107330171A - 一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，包括，根据预应力孔道参数，建立预应力孔道几何模型；对预应力孔道流场进行网格划分，建立预应力孔道计算模型；根据材料参数，设定数值模拟计算条件，计算得到预应力孔道循环压浆施工模拟结果；改变预应力孔道参数和/或数值模拟计算条件，获得多个模拟结果，筛选出最佳模拟结果对应的施工工艺参数。本发明采用仿真模拟技术，建立与实际体系一致的预应力循环压浆模型，对循环压浆过程进行模拟，多次重复模拟后可根据模拟结果，优化循环压浆施工工艺参数，为循环压浆施工提供了优化指导，减少施工现场经验化施工可能出现的压浆质量缺陷。

Description

一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法

技术领域

本发明属于预应力桥梁施工领域，具体涉及一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法。

背景技术

预应力孔道循环压浆是预应力混凝土桥梁施工的关键工序，如何保证预应力孔道循环压浆的施工质量，是预应力桥梁建设过程中需要考虑的重点技术问题。预应力管道又称波纹管，其压浆密实性好坏对桥梁的耐久性具有重要影响。在预应力孔道循环压浆施工过程中，设计调节好压浆料粘度、灌浆压强、灌浆时间等施工工艺参数，是提高压浆质量和压浆效率的重要保证。根据预应力孔道参数的不同，其应采用的最佳浆料粘度、灌浆压强、灌浆时间等参数也会有所差异。

传统的预应力桥梁循环压浆施工主要依靠的是现场工人的经验化施工，这种方法主要存在两个弊端。一方面不同的施工人根据其经验对于施工工艺参数的控制没有统一的认识，主观上存在一定的差异；另一方面，经验化施工标准单一，即使面对不同的预应力孔道，仍采取相同的施工工艺参数。对不同长度的预应力孔道，不同粘度的压浆料，均采用相同的灌浆压强、经验化的灌浆时间。但是，随着随着大跨度、中跨径的预应力混凝土桥梁的数量急剧增加，预应力孔道长度也变的越来越长。若孔道长度长，压浆料粘度大时，工人仍然采用经验灌浆压强的话，可能会导致流动能量过小，流动过程中能量的损耗过大，水泥浆没有足够的推进力在孔道里流动，则无法完全排开空气而注满孔道，或者出现压浆时间不够，预应力孔道内气体未完全排除干净，出现局部空浆的情况。

目前对于预应力孔道循环压浆施工工艺的压浆密实性检测，主要采用传感器监测。具体来说，就是在预应力孔道的不同位置布置一定数量的传感器，进行压浆操作的过程中，根据传感器实时反馈的数据，监测施工过程。这种方法虽然可以控制循环压浆施工过程中的压浆时间等参数，但对于局部空浆等问题仍然只能及时发现而不能很好的预防。因此，在施工前需要根据实际的预应力孔道参数，优化设计压浆料粘度、灌浆压强、灌浆时间等，实时监测施工时孔道内流场各个位置的速度、压强、各相体积分布等基本物理量以及这些物理量随时间的变化情况，并形象、直观地对压浆过程做出分析和评价。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法。本发明技术方案的方法，充分利用了计算机仿真技术，在施工准备阶段，即可通过Fluent软件对不同预应力孔道进行数值模拟，将预应力孔道循环压浆工艺参数选择转化成数学问题进行研究，为预应力孔道循环压浆施工提供了更加精确可靠的工艺参数。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其特征在于，包括，

S1根据预应力孔道参数和材料参数，建立预应力孔道几何模型；

S2根据所述几何模型对预应力孔道流场进行网格划分，建立预应力孔道计算模型；

S3设定数值模拟计算条件，通过所述计算模型计算得到预应力孔道循环压浆施工模拟结果；

S4改变预应力孔道参数和/或数值模拟计算条件，重复步骤S1～S3，获得多个模拟结果，根据对应的的预应力孔道压浆过程模拟结果，筛选出最佳模拟结果对应的参数。

为了在预应力孔道循环压浆施工之前获得最佳的施工工艺参数，本发明技术方案的方法，利用了计算机仿真模型，模拟预应力孔道循环压浆施工过程。具体来说，首先根据预应力孔道施工图纸，得到预应力孔道的基本尺寸参数，利用计算机软件建立预应力孔道的几何模型，优选采用AutoCAD软件建立预应力孔道几何模型。将预应力孔道的几何模型网格化，即将预应力孔道的几何模型导入网格化处理器，一般是ICEM前处理器，对预应力孔道模型进行网格划分。根据气液两相流的情况，选取结构化网格对整个流场进行网格划分，创建物理模型，输出网格划分结果。经过上述步骤，可以在fluent软件中初步得到预应力孔道的计算模型。针对该计算模型，首先需要确认数值模拟计算的各类条件，包括域条件、边界条件及初始化条件等，在此前提下开始对整个压浆过程进行数值模拟计算。计算的结果经过处理后得到最终的模拟结果，最终的模拟结果包括预应力孔道压浆过程中的各相体积云图、速度矢量云图、压强云图及各相的体积分数等。根据预应力孔道压浆过程中的各相体积云图、速度矢量云图、压强云图及各相的体积分数，可以判断在该参数条件下的预应力孔道循环压浆施工的仿真概况。一次仿真结果并不能确定最佳工艺参数，因此需要改变部分参数，重复进行仿真模拟，得到多个仿真结果，利用这些仿真结果判断该参数是否可以使得预应力孔道循环压浆施工达到最佳，以筛选出预应力孔道循环压浆施工过程中的灌浆压强、灌浆时间、压浆料粘度等最佳施工工艺参数。

作为本发明的一个优选技术方案，模拟结果包括气相和/或液相的体积云图、速度矢量云图、压强云图以及气相和/或液相的体积分数。

计算模型输出的结果文件需要进一步导入后处理软件进行处理，然后得到预应力孔道压浆过程结果图形并输出，其中包括但不限于预应力孔道压浆过程中的各相体积云图、速度矢量云图、压强云图及各相的体积分数，其中相态主要是气相和液相状态。通过云图，可以直接观察预应力孔道循环压浆施工的过程和结果，确定最优的施工参数。

作为本发明的一个优选技术方案，网格划分优选结构化四边形网格，所述四边形网格的质量优选超过0.99。

结构化网格有很多优点，其很容易实现区域的边界拟合，适于进行流体或者表面应力的计算。本发明技术方案中，优选通过计算机生成网格，其计算量小，能够较好的控制生成质量，同时保证边界层网格，计算更容易达到收敛，本次模型优选质量更高的结构化四边形网格，网格质量优选0.99。

作为本发明的一个优选技术方案，预应力孔道参数包括预应力孔道长度、管径、壁厚和曲率；所述材料参数包括空气和水泥浆的密度、粘度以及表面张力。

实际中，预应力孔道的物理量很多，包括但不限于孔道长度、孔道内外壁的管径、孔壁厚度以及孔道的曲率等，根据实际的需要，还可以将预应力孔道的刚性参数等物理参数列入。预应力孔道施工的时候，需要向孔道内灌注水泥浆，水泥浆排开空气填满孔道腔体内的空间。在流体力学中，空气的密度、体积等对于水泥浆的灌注有很大的影响。水泥浆的密度、粘度以及表面张力对于整体的灌注来说，是必须考量的因素。因此，在利用仿真模型进行模拟的时候，这些材料参数需要添加进去。

作为本发明的一个优选技术方案，数值模拟计算条件包括域条件、边界条件及初始化条件。

作为本发明的一个优选技术方案，域条件为设置当前预应力孔道为流体域。

作为本发明的一个优选技术方案，边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、壁面条件及水力直径。

作为本发明的一个优选技术方案，初始化条件包括初始空气体积分数、初始压强、初始速度。

针对实际需求的仿真模拟，还涉及到仿真边界条件的问题。在具体的施工过程中，预应力孔道并不是无限的，其具备有限的长度、有限的空间，其所处的环境也具有一定的限制。因此，为了尽可能准确的模拟预应力孔道在循环压浆施工工艺中的情况，需要设置一系列的计算条件，其中包括域条件、边界条件及初始化条件。域条件对应着空气和水泥浆的物理状态，因此本发明技术方案中将其设置为流体域。边界条件则包括入口边界条件、出口边界条件、壁面条件及水力直径等，进一步限定了预应力孔道的施工条件。初始化条件包括了空气体积分数、初始压强、初始速度等，因为循环压浆施工的过程中始终存在水泥浆排开空气的过程，其本身是在一定的边界条件下，空气与水泥浆的流体力学分析，因此空气和水泥浆的初始条件对于整个预应力孔道循环压浆施工过程的流体力学分析来说是必备的。

作为本发明的一个优选技术方案，计算模型包括多相流模型、湍流模型；所述多相流模型采用VOF多相流模型；所述湍流模型采用标准k-ε模型。

预应力孔道的循环压浆施工中包括空气和水泥浆的相互作用，属于一个包括空气的气态和水泥浆液态的多相模型，结合实际的需求，计算模型中还可以包含一个湍流模型。因此在对该仿真模型进行计算的时候，既采用了多相流模型，也采用了湍流模型。具体来说，本发明技术方案中，多相流模型优选采用VOF多相流模型，湍流模型优选采用标准k-ε模型。

作为本发明的一个优选技术方案，步骤S4中所述预应力孔道参数和/或数值模拟计算条件包括预应力孔道的长度、直径和/或入口压强。

一次仿真模拟的结果难以分辨出该参数是否是最佳施工参数，实际上，本发明技术方案的方法中，采用了改变部分参数，重复进行仿真模拟，得到多个仿真结果，利用这些仿真结果判断该参数是否可以使得预应力孔道循环压浆施工达到最佳，以筛选出预应力孔道循环压浆施工过程中的灌浆压强、灌浆时间、压浆料粘度等最佳施工工艺参数。考虑实际，改变的参数包括预应力孔道的长度、直径和/或入口压强，这些参数是可以进行调控的。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明技术方案的方法，利用fluent软件模拟预应力孔道循环压浆过程，可以得到复杂过程中流体的速度、压强、各相体积分数等基本物理参数及其随时间变化的情况；对于预应力孔道循环压浆这个复杂的多相流过程来说，这些数据能直观形象的反映出压浆质量的好坏；

2)本发明技术方案的方法，采用了仿真模拟技术，通过建立与实际体系一致的预应力循环压浆模型，实现了对循环压浆过程进行模拟，多次重复模拟后可根据模拟结果，优化循环压浆施工工艺参数，为循环压浆施工提供了优化指导，减少施工现场经验化施工可能出现的压浆质量缺陷。

附图说明

图1是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的模拟方法流程图；

图2是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的预应力孔道几何模型；

图3是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的预应力孔道局部网格划分图；

图4是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的某时刻预应力孔道局部体积云图；

图5是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的孔道长度与压浆时间的关系曲线图；

图6是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的孔道长度与压浆密实度的关系曲线图；

图7是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的灌浆压强与压浆时间的关系曲线；

图8是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的灌浆压强与压浆密实度的关系曲线；

图9是本发明技术方案的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法的一个实施例的不同孔道长度灌浆压强与压浆密实度的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

结合图1所示的模拟方法的流程图，本发明技术方案实施例的一种基于Fluent软件的预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化的方法，其中包括以下步骤：

步骤1、在利用fluent软件对预应力孔道的循环压浆工艺进行仿真模拟之前，首先需要确定预应力孔道的三维几何模型。本发明技术方案的一个实施例中，根据预应力梁施工图纸，可以得到预应力孔道的一系列物理参数，包括但不限于孔道长度、管径、壁厚、曲率等基本尺寸参数，基于上述物理参数，可以建立预应力孔道的三维几何模型。本发明技术方案的实施例中优选通过AutoCAD软件建立预应力孔道的三维几何模型，如图2所示即为本发明实施例的预应力孔道几何模型。

步骤2、在采用AutoCAD软件建立预应力孔道的三维几何模型的前提下，其所输出的几何模型文件格式为*.sat文件。对几何模型进行网格化，优选采用ICEM进行处理。即将预应力孔道的几何模型文件导入ICEM前处理器，对预应力孔道模型进行网格划分。具体的，根据气液两相流的情况，选取结构化网格对整个流场进行网格划分，预应力孔道网格优选划分为结构化四边形网格，网格质量优选超过0.99，即可输出得到网格划分结果，如图3所示即为本发明实施例的预应力孔道局部网格划分图。

步骤3、根据步骤2对预应力孔道的几何模型进行网格划分后，将输出结果利用例如Fluent的软件进行读取，以建立预应力孔道的计算模型。在fluent软件中，检查网格的质量是否符合计算需求，如果网格体积为负，则重新划分网格。通过这种检测机制，确保了预应力孔道网格划分的准确性，进一步的，还可以保证预应力孔道循环压浆施工过程仿真模拟结果的准确性。

步骤4、为了进一步完善预应力孔道的计算模型，还需要选用一些数学模型。其中选用的数学模型包括但不限于多相流模型、湍流模型。本发明技术方案的一个优选实施例中，多相流模型优选采用VOF多相流模型，即将空气确定为气相，水泥浆确定为液相，二者之间相互作用；湍流模型优选采用标准(Standard)k-ε模型。除此之外，还优选采用PISO算法进行数值模拟计算，优选采用Presto模式下的压力修正方程。经过上述步骤，初步得到了预应力孔道的计算模型。

步骤5、在利用预应力孔道的计算模型进行计算之前，需要对其进行模拟。具体来说就是设置各参数以及条件。参数属于预应力孔道、空气以及水泥浆的一些固有性质，例如其中的材料参数包括空气及水泥浆的密度、粘度、表面张力等，空气的密度、粘度、表面张力等这些材料参数优选通过Fluent软件数据库直接导入，水泥浆的密度、粘度、表面张力等材料参数可以通过试验测出。本发明是技术方案的实施例中对于参数的获取，并不构成对本发明技术方案的限定，仅作为一个优选实施例以供参考，其他可以获得这些参数的方法亦可。

计算模型的条件属于对预应力孔道的进一步详细描述。仿真模型理论上属于理想模型，其可以具有无限长度、光滑无摩擦等理想条件，但是在指导实际施工的仿真模型中，需要尽可能模拟真实环境的每个条件。考虑到气相和液相特征，本发明技术方案的实施例中优选将数值模拟计算的域条件设置为当前预应力孔道为流体域。施工中的预应力孔道具备明确的出口和入口的尺寸、压强、刚性、壁面摩擦等实际限制，因此还需要设定边界条件，其中包括但不限于入口边界条件、出口边界条件、壁面条件等。本发明技术方案的实施例中，边界条件中入口边界条件优选设置为压强入口条件，出口边界条件优选设置为压强出口条件，具体的，由于出口与外界自然接触，出口压强优选设置为0；边界条件中壁面条件优选设为粗糙，粗糙度高度优选设为0.5mm；以及边界条件中的水力直径优选为预应力管道的直径。

最后设定初始化条件，其中包括但不限于整个计算域内初始空气体积分数、初始压强、初始速度等。本发明技术方案的实施例中，初始化条件优选通过Fluent中的Patch功能进行初始化。

步骤7、经过上述步骤，可以得到仿真模拟的预应力孔道计算模型，利用该模型对整个压浆过程进行数值模拟计算，可以得出计算结果。该计算结果需要进行一定的处理，才能输出。具体来说，在一个优选实施例中，计算模型输出的结果文件需要进一步导入后处理软件，优选Tecplot软件，进行处理。这样的话，可以得到预应力孔道压浆过程结果图形并输出，其中包括但不限于预应力孔道压浆过程中的各相体积云图、速度矢量云图、压强云图及各相的体积分数，其中相态主要是气相和液相状态。通过云图，可以直接观察预应力孔道循环压浆施工的过程和结果，确定最优的施工参数。

需要说明的是，本发明是技术方案实施例中对于结果图形的说明并不构成对本发明技术方案的限制，仅作为一个优选方案以供参考。

步骤8、根据预应力孔道不同孔道长度，进行多次数值模拟，每次数值模拟时改变步骤1中的预应力孔道长度、直径等基本尺寸参数和步骤3中的边界条件参数中的压强入口条件，重复步骤1～11，得出多个参数下的结果图形。比较这些结果图形，筛选出预应力孔道施工的最佳工艺参数。一次仿真结果并不能确定最佳工艺参数，因此需要改变部分参数，重复进行仿真模拟，得到多个仿真结果，利用这些仿真结果判断该参数是否可以使得预应力孔道循环压浆施工达到最佳，以筛选出预应力孔道循环压浆施工过程中的灌浆压强、灌浆时间、压浆料粘度等最佳施工工艺参数。

本发明技术方案的实施例中，进一步计算了不同长度的预应力孔道在同一灌浆压强参数下，压浆时间对应的压浆密实度。本发明技术方案的一个优选实施例中，孔道长度分别为30m，60m，90m，120m，150m，180m，210m，240m，270m，300m，330m，360m的十二组模型，每组模型的灌浆压强均为0.75MPa，压浆料粘度均为0.9Pa.s。其结果如表1所示。

表1不同孔道长度数值计算结果

灌浆压强为0.75MPa，压浆料粘度为0.9Pa.s时，孔道长度与压浆时间的关系曲线图如图5所示，孔道长度与压浆密实度的关系曲线图如图6所示。

在本发明技术方案的实施例中，还计算了不同压浆料粘度所对应的压浆时间和压浆密实度。该实施例优选确定十组模型，粘度分别为0.5Pa.s，0.6Pa.s，0.7Pa.s，0.8Pa.s，0.9Pa.s，1.0Pa.s，1.1Pa.s，1.2Pa.s，1.3Pa.s，1.4Pa.s，1.5Pa.s，每组模型的灌浆压强均为0.75MPa，孔道长度为210m。其结果如表2所示。

表2不同压浆料粘度数值计算结果

在本发明技术方案的另一个实施例中，计算了灌浆压强与压浆时间和压浆密实度的关系。该实施例优选建立十一个模型，灌浆压强的范围为0.5MPa至1.0MPa，分别为0.5MPa，0.55MPa，0.6MPa，0.65MPa，0.7MPa，0.75MPa，0.8MPa，0.85MPa，0.9MPa，0.95MPa，1MPa等情况。每组模型的压浆料粘度均为0.9Pa.s，孔道长度为210m。其结果如表3所示。

表3不同灌浆压强数值计算结果

压浆料粘度均为0.9Pa.s，孔道长度为210m时，灌浆压强与压浆时间的关系曲线如图7所示，灌浆压强与压浆密实度的关系曲线如图8所示。

在本发明技术方案的一个实施例中，粘度为0.9Pa.s时，不同长度的预应力孔道在不同的灌浆时间下获得的压浆密实度结果也有差别，其具体结果请见表4。

表4不同孔道长度、灌浆压强时压浆密实度结果

在本发明技术方案的一个实施例中，还对于超长预应力孔道的循环压降施工工艺进行了模拟，不同长度的预应力孔道对应的最小灌浆压强结果如表5所示。

表5超长孔道的最小灌浆压强

不同孔道长度灌浆压强与压浆密实度的关系曲线图如图9所示。

表6是根据本发明技术方案的实施例的计算结果，所得到的不同的长度的预应力孔道所对应的优选灌浆压强。

孔道长度	推荐灌浆压强
		120m	0.7MPa～0.8MPa
150m	0.7MPa～0.8MPa
		180m	0.75MPa～0.85MPa
210m	0.75MPa～0.85MPa
		240m	0.8MPa～0.9MPa
270m	0.85MPa～0.95MPa
		300m	0.95MPa～1.0MPa
330m	孔道过长，无法高质量压浆
		360m	孔道过长，无法高质量压浆

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其特征在于，包括，

S1根据预应力孔道参数和材料参数，建立预应力孔道几何模型；

S2根据所述几何模型对预应力孔道流场进行网格划分，建立预应力孔道计算模型；

S3设定数值模拟计算条件，通过所述计算模型计算得到预应力孔道循环压浆施工模拟结果；

S4改变预应力孔道参数和/或数值模拟计算条件，重复步骤S1～S3，获得多个模拟结果，根据对应的的预应力孔道压浆过程模拟结果，筛选出最佳模拟结果对应的参数。

2.根据权利要求1所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，所述模拟结果包括气相和/或液相的体积云图、速度矢量云图、压强云图以及气相和/或液相的体积分数。

3.根据权利要求1或2所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，所述网格划分优选结构化四边形网格，所述四边形网格的质量优选超过0.99。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，所述预应力孔道参数包括预应力孔道长度、管径、壁厚和曲率；所述材料参数包括空气和水泥浆的密度、粘度以及表面张力。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，所述数值模拟计算条件包括域条件、边界条件及初始化条件。

6.根据权利要求5所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，所述域条件为设置当前预应力孔道为流体域。

7.根据权利要求5或6所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，所述边界条件包括入口边界条件、出口边界条件、壁面条件及水力直径。

8.根据权利要求5～7中任一项所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，所述初始化条件包括初始空气体积分数、初始压强、初始速度。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，所述计算模型包括多相流模型、湍流模型；所述多相流模型采用VOF多相流模型；所述湍流模型采用标准k-ε模型。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的一种预应力孔道循环压浆施工工艺参数优化方法，其中，步骤S4中所述预应力孔道参数和/或数值模拟计算条件包括预应力孔道的长度、直径和/或入口压强。