泵送混凝土弯管流固耦合有限元分析*

王 月，赵清春

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100020)

0 引言

随着城市人口密度的增加，城市对高层建筑的需求也与日俱增。高层建筑施工过程中，需使用混凝土泵送系统进行高压、长距离、长时间的混凝土浇筑。由于泵送管道长、弯管多，混凝土泵送系统工作时会产生剧烈振动，并伴随强烈的冲击和噪声，影响主体结构质量，甚至造成质量安全事故。

为解决上述问题，本文利用Workbench软件建立泵送混凝土弯管流固耦合混凝土模型，以振动最严重的弯管部分为研究对象，对管内混凝土、钢管和管外支架进行流固耦合有限元分析，以管内压力和泵送速度为研究参数，研究泵送过程中支架内力和混凝土运动规律。结合六安高台小区安置房项目实际施工情况，研究不同管道压力、不同泵送速度下弯管支架对主体结构的影响。

1 数值计算模型

弯管结构采用有限元法，管内流动采用有限体积法。基于Workbench流固耦合计算，流体采用雷诺平均N-S方程计算，固体采用静力和瞬态2种计算方法进行对比分析。

1.1 几何模型

泵送混凝土输送管采用高压管，截取弯管和2个支架为混凝土泵送管道进行建模。管外径为165.2mm，内径为155.2mm，壁厚5mm，水平段长1 000mm，垂直段长500mm，弯管部位为半径1m 的 1/4 弯管，泵管支架宽100mm，与主体结构连接处为固定支架，泵管间、支架与管道间的连接简化为绑定连接。

1.2 网格划分及边界条件

采用 ANSYS Mesh进行流体域和固体域网格划分，如图1所示。考虑管内混凝土流动具有黏性，在流体域交界面设置3mm加密边界层，流体网格5万。管道和支架采用四面体单元自动划分网格，管壁与支架间接触共节点。

图1 泵送混凝土弯管及内流体网格划分

以速度入口和压力出口作为流动边界条件。固体部分设定支架底部固支，与管道部分刚性连接。钢材为Q345B，密度为7 850kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。

采用单向流固耦合计算流体，压力结果传递给管壁，内压施加在管内壁，如图2所示。

图2 管道内压荷载施加(单位：Pa)

1.3 流动模型

流体计算中采用压力基求解器，耦合计算方法，数值计算格式采用二阶迎风格式。

1.4 工况设定

考虑泵送管道不同部位的压力环境，按5，0.22，0.15MPa 3种压力，1，2，3m/s 3种入口速度，频率20Hz进行计算。

2 计算结果分析

对管内混凝土、钢管和管外支架进行流固耦合有限元分析，研究不同管内压力、不同泵送速度对支架及主体结构的影响。

2.1 混凝土流速及压力影响

0.22MPa压力、2m/s入口速度条件下，对称平面内管内流动压力如图3所示，速度流线如图4所示。由图3,4可知，在水平段压力、速度分布较均匀，弯管处速度矢量变化大，流线紊乱，下壁面受冲击明显。由于沿程压力损失，出口压力低于入口压力，弯管下部拐角处压力明显大于上部，这也是管道冲蚀受损的原因。

图4 速度流线(单位：m/s)

为分析不同速度对管道受力的影响，统计0.15MPa压力、1～3m/s泵送速度条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，弯管所受压力明显大于水平段和垂直段；随着速度的提高，压力增大，黏性作用也明显增大。泵送压力越高，管道弯段受力也越大，其中以压力为主；在转弯段，流线方向发生扭转，外侧受压较大，弯管内侧受压较小。

2.2 弯管结构静力分析

考虑混凝土流速对弯管系统应力、支架应力及主体结构的影响，泵送速度2m/s，低压0.15MPa条件下弯管及支架位移应力云图如图5,6所示。

图5 弯管及支架位移云图(单位：m)

图6 弯管及支架应力云图(单位：Pa)

由图5,6可知，管道入口压强对管道总变形影响显著；在定常流动下，流速1，2m/s对弯管及支架整体影响不大，最大应力出现在弯管部位，由于支架刚度很大，应力和应变均很小。

2.3 弯管支架系统振动分析

由于泵送压力以周期性变化，管道受力也呈周期性变化，讨论正弦波形式的管道受力情况。

1)应力分析 考虑管道流动入口速度v=2m/s，出口压力在0.15MPa水平上周期性变化时，计算0.5s内管道系统的响应，0.1s时刻瞬态位移和应力如图7,8所示。与静态应力相比，管道结构应力水平明显提高，应力、变形增大幅度可达1个数量级。通过模态分析得到管道1阶频率为89Hz，而泵送压力输入频率为20Hz，故应力提高并非共振引起。

图8 弯管及支架系统瞬态应力(单位：Pa)

2)支架反力 垂直段和水平段支架反力时程变化如图9所示。

图9 支架x，y方向反力时程变化

直管、弯管和支架的应力变化具有明显的周期性。相对来说，水平支架反力小于垂直管支架反力。弯管部位的应力变化出现多个小峰值，此处的振动受到管道支架刚度的影响。

3 结语

本文运用流固耦合技术进行混凝土泵送管道和支架的有限元数值模拟，分析泵送过程中混凝土流动引起的管道及支架受力机理。计算结果表明，在水平和垂直分布的管道设计中，弯管受力最大，速度和压力的提高均会增大支架支承反力。本研究对混凝土泵送管道的振动控制具有一定的工程应用价值，为混凝土泵送系统减振降噪提供了一种研究方法。通过参数设计，可在保证高层建筑混凝土泵送管道安全性的基础上，减少弯管系统内力，降低对已建结构的不利影响，保证主体结构质量。