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        預(yù)應(yīng)力孔道循環(huán)壓漿試驗(yàn)與數(shù)值分析

        2018-03-01 10:50:09房慧明郭昊文馮亞麗
        關(guān)鍵詞:壓漿孔道水泥漿

        房慧明, 錢 波, 羅 輝, 郭昊文, 馮亞麗

        (1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074;2. 中南工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430070)

        孔道壓漿密實(shí)度在一定程度上決定了預(yù)應(yīng)力橋梁的承載能力與耐久性而被廣泛關(guān)注[1]。Cavell, Waldron[2]對(duì)英國(guó)的全部后張法預(yù)應(yīng)力孔道灌漿的混凝土橋梁進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)孔道存在非常多的缺陷,主要是壓漿不密實(shí)導(dǎo)致的空洞以及預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕等問題。Rouanet等[3]認(rèn)為壓漿密實(shí)度結(jié)果取決于壓漿工藝是否正確。Hirose等[4]發(fā)明了一種全新的壓漿工藝,真空壓漿法。

        孔道壓漿具有多種不同的壓漿工藝,包括傳統(tǒng)壓漿工藝、真空輔助壓漿工藝、循環(huán)壓漿工藝等[5~8]。過去的壓漿方法中,對(duì)孔道內(nèi)空氣及水,采取的是“堵”的方法,無法排出的水和雜質(zhì)一般堵在孔道內(nèi)[9, 10];循環(huán)壓漿工藝則顛覆了以往的理念,采用的是“疏”的方法,通過漿液在孔道內(nèi)持續(xù)循環(huán)的方式排出孔道內(nèi)所有空氣,保證壓漿完成后管道里都是水泥漿[11],循環(huán)壓漿系統(tǒng)如圖1所示。本文主要通過雙孔循環(huán)壓漿試驗(yàn)研究,測(cè)試灌漿質(zhì)量并與數(shù)值結(jié)果對(duì)比分析。

        圖1 循環(huán)壓漿系統(tǒng)

        1 預(yù)應(yīng)力孔道循環(huán)壓漿試驗(yàn)

        1.1 循環(huán)壓漿試驗(yàn)孔道及準(zhǔn)備工作

        本文依托宜昌廟嘴長(zhǎng)江大橋西壩岔道梁實(shí)際工程案例,根據(jù)實(shí)際工程中波紋管孔徑及雙孔注漿方式,利用橋下支撐混凝土墩制作試驗(yàn)孔道,對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道進(jìn)行循環(huán)壓漿試驗(yàn)。試驗(yàn)梁及預(yù)應(yīng)力循環(huán)壓漿試驗(yàn)孔道現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2所示。

        現(xiàn)澆支撐混凝土梁混凝土強(qiáng)度為C30,此現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件長(zhǎng)40 m,寬1.5 m,高0.5 m,在制作該梁時(shí),提前在梁下部平行放置3根塑料波紋管,波紋管為水平直線,三根預(yù)應(yīng)力孔道長(zhǎng)度均為40 m,塑料波紋管型號(hào)為SBG-100Y,內(nèi)徑為100 mm。為使試驗(yàn)結(jié)果更接近工程實(shí)際情況,在每根孔道內(nèi)均放置12根預(yù)應(yīng)力鋼筋。

        圖2 試驗(yàn)梁及預(yù)應(yīng)力循環(huán)壓漿試驗(yàn)孔道

        1.2 循環(huán)壓漿試驗(yàn)方案及過程

        1.2.1 循環(huán)壓漿試驗(yàn)主要材料及設(shè)備

        (1)壓漿材料

        本次試驗(yàn)中選用的預(yù)應(yīng)力孔道壓漿劑為湖北某公司開發(fā)的CG-100預(yù)應(yīng)力管道高性能壓漿料,具有零泌水、微膨脹作用。

        (2)智能循環(huán)壓漿設(shè)備

        選用的壓漿設(shè)備為西安璐江橋隧設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LJ-YJA1智能壓漿系統(tǒng)。該設(shè)備為可移動(dòng)式循環(huán)壓漿機(jī),主要包括三大系統(tǒng):壓漿及動(dòng)力系統(tǒng)、自動(dòng)控制操作系統(tǒng)、漿液攪拌系統(tǒng)。

        1.2.2 循環(huán)壓漿試驗(yàn)方案

        試驗(yàn)梁共有3根孔道,編號(hào)分別為N1,N2,N3,分為兩組試驗(yàn)??椎繬1采用單孔壓漿方式,孔道N2,N3采用雙孔循環(huán)壓漿方式,兩個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道由一根高壓U型連接管連接(圖3)。本文主要研究雙孔循環(huán)壓漿。

        圖3 循環(huán)壓漿設(shè)計(jì)方案

        1.2.3 循環(huán)壓漿試驗(yàn)過程

        循環(huán)壓漿試驗(yàn)包括以下幾個(gè)步驟:

        (1)張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋,將鋼筋拉直即可,張拉控制應(yīng)力設(shè)置為0.3σk=418.5 Mpa,σk為張拉控制應(yīng)力;

        (2)采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5 Mpa的低堿普通硅酸鹽水泥將錨固連接部位所有裂縫包裹嚴(yán)實(shí),連接各壓漿管道及設(shè)備;

        (3)在正式壓漿試驗(yàn)前,對(duì)壓漿設(shè)備進(jìn)行檢查,并用清水進(jìn)行管道試壓;

        (4)在智能壓漿系統(tǒng)中設(shè)置好材料用量、攪拌時(shí)間等參數(shù),嚴(yán)格按照試驗(yàn)室計(jì)算的配合比對(duì)所有材料精確計(jì)量并進(jìn)料,通過智能壓漿設(shè)備測(cè)試,得出漿體初始流動(dòng)度為13 s,水膠比為0.28,初始粘度為0.9 Pa·s,初始密度為2040 g/cm3;

        (5)壓漿機(jī)通過電腦智能技術(shù),控制入口壓強(qiáng)(0.5 Mpa)、出入口流量、水灰比等參數(shù)。當(dāng)出漿口漿體飽滿,流動(dòng)度與初始流動(dòng)度相同,且入口流量與出口流量相同時(shí),可認(rèn)為壓漿充盈度達(dá)到要求;

        (6)清洗壓漿設(shè)備。

        循環(huán)壓漿現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖4所示。

        圖4 循環(huán)壓漿現(xiàn)場(chǎng)安裝

        1.3 循環(huán)壓漿試驗(yàn)結(jié)果

        雙孔循環(huán)壓漿試驗(yàn)的壓漿持續(xù)時(shí)間由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí),本次雙孔循環(huán)壓漿試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間為447 s。

        采取沖擊回波法[12,13]對(duì)試驗(yàn)的兩根預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)。

        每根孔道定位測(cè)試結(jié)果共分5個(gè)測(cè)試頻譜圖,每個(gè)測(cè)試頻譜圖的測(cè)線長(zhǎng)度均為8 m,測(cè)點(diǎn)布置在預(yù)應(yīng)力孔道上方,間距10 cm,各孔道按測(cè)線從左至右分別編號(hào)為:N2-1,N2-2,N2-3,N2-4,N2-5;N3-1,N3-2,N3-3,N3-4,N3-5,部分測(cè)試等值線圖如圖5所示。

        由圖5可知,N2-1測(cè)試等值線圖,錨頭部位約有10 cm不密實(shí)區(qū)域,整體灌漿質(zhì)量良好;N3-1測(cè)試等值線圖,錨頭部位約有10 cm不密實(shí)區(qū)域,整體灌漿質(zhì)量良好;其余測(cè)試等值線圖,整體灌漿質(zhì)量良好。

        圖5 部分測(cè)線測(cè)試等值線

        測(cè)試結(jié)果直觀示意如圖6和表1所示。

        圖6及表1表明,雙孔循環(huán)壓漿模型整體壓漿質(zhì)量非常好,壓漿時(shí)間為447 s,處于規(guī)范允許的范圍內(nèi),壓漿密實(shí)度達(dá)到98%以上。存在一些零星缺陷,主要位于錨頭位置。該位置位于截面突變處,屬于壓漿盲區(qū),氣泡不易被水泥漿帶走,可在壓漿結(jié)束后,對(duì)錨頭位置進(jìn)行人工補(bǔ)漿。因此,循環(huán)壓漿利用漿液持續(xù)循環(huán)的方式,帶走孔道中絕大部分的空氣,試驗(yàn)驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量灌漿。

        圖6 部分測(cè)線測(cè)試等值線

        測(cè)試孔道測(cè)線測(cè)線長(zhǎng)度/m缺陷壓漿密實(shí)度/%N218錨頭部位約0.1m不密實(shí)(空洞型)28正常38正常48正常58正常98.54N318錨頭部位約0.1m不密實(shí)(空洞型)28正常38正常48正常58正常98.61

        2 預(yù)應(yīng)力孔道循環(huán)壓漿數(shù)值模擬

        2.1 模型的簡(jiǎn)化及假設(shè)

        由于在實(shí)際中,水泥漿的材料屬性及流動(dòng)過程很復(fù)雜,數(shù)值模擬時(shí),對(duì)于孔道和水泥漿需要進(jìn)行一定的合理性簡(jiǎn)化和假設(shè):

        (1)假設(shè)水泥漿為連續(xù)均勻介質(zhì)且具有穩(wěn)定性,在模型的參數(shù)設(shè)置中體現(xiàn)為將水泥漿設(shè)置為密度為2.040 g/cm3的由單一物質(zhì)組成的純凈物,入口水泥漿體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為100%,空氣體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0;

        (2)將模型簡(jiǎn)化為二維模型,二維模型取管道過圓心的垂直切面,考慮重力,并將U形管長(zhǎng)度拉直,則該模型模擬簡(jiǎn)化為同一垂直二維面上兩根直線連接的預(yù)應(yīng)力孔道。通過調(diào)節(jié)簡(jiǎn)化后的連接管粗糙度系數(shù),來考慮U形管局部阻力影響;

        (3)不考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)水泥漿流動(dòng)的影響;

        (4)假設(shè)在流動(dòng)過程中,忽略流體壓強(qiáng)對(duì)波紋管的擠壓,即不考慮波紋管的變形,波紋管為剛性;

        (5)實(shí)際工程中,往管道注漿的軟管一般是彎曲的,因此注入管道內(nèi)的水泥漿一般有一定的傾角。數(shù)值分析過程中,在管道入口處設(shè)置了一段0.5 m長(zhǎng)的入口導(dǎo)管,將水泥漿的流速矯正成垂直于管道入口面,因此可假設(shè)水泥漿在入口處只有垂直于進(jìn)口方向的速度;

        (6)每根管道壓漿過程持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng),且溫度對(duì)壓漿的影響非常微小,因此壓漿過程中溫度恒定。

        2.2 循環(huán)壓漿數(shù)值模型的建立

        2.2.1 幾何模型的建立

        通過AutoCAD建立幾何模型(圖7)。試驗(yàn)?zāi)M為同一垂直二維面上兩根直線連接的預(yù)應(yīng)力孔道,每根預(yù)應(yīng)力孔道的長(zhǎng)度均為40 m,波紋管管徑為100 mm,波紋管左右兩側(cè)均設(shè)置一根連接導(dǎo)管,出口導(dǎo)管與入口導(dǎo)管長(zhǎng)度均為0.5 m,管徑為30 mm;兩根預(yù)應(yīng)力孔道間有一根長(zhǎng)度為1 m的連接管。

        圖7 雙孔注漿二維幾何模型/mm

        2.2.2 網(wǎng)格劃分

        將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS ICEM,進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最大單元尺寸為12 mm,網(wǎng)格類型為四邊形網(wǎng)格(圖8)。

        2.2.3 模型參數(shù)設(shè)置

        通過Ansys Fluent 16.0進(jìn)行孔道灌漿的數(shù)值

        圖8 部分區(qū)域網(wǎng)格劃分

        計(jì)算,導(dǎo)入ICEM劃分好的網(wǎng)格并進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查,確保沒有負(fù)體積以后就進(jìn)行模型各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置。

        (1)水泥漿密度

        模型中水泥漿的密度參數(shù)輸入為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得數(shù)據(jù)2.040 g/cm3。

        (2)重度

        重力加速度g為9.8 m/s2。

        (3)水泥漿粘度

        現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得水泥漿的粘度為0.9 Pa·s。

        (4)壓縮性

        水泥漿的固液分子平均間距均比較小,不容易被壓縮,工程中通常將其忽略不計(jì),在數(shù)值模型設(shè)置中將其假設(shè)為不可壓縮流體。

        (5)液氣表面張力

        水泥漿是一種固液混合物,水泥漿與空氣的表面張力即為水與空氣的表面張力,將此參數(shù)輸入為25 ℃時(shí)水的表面張力0.072 N/m。

        (6)雷諾數(shù)Re與流態(tài)

        本模型中的管道直徑非常小,流動(dòng)軌跡相對(duì)簡(jiǎn)單,在溫度為25 ℃情況下,壓漿料的密度ρ為2.040 g/cm3,孔道中壓漿液的最大流速v為5 m/s,粘度μ為0.9 pa· s,孔道管徑d為100 mm。雷諾數(shù)Re=ρvd/μ=1133.3﹤2300,流動(dòng)狀態(tài)屬于層流。

        (7)管壁粗糙高度

        波紋管管壁粗糙高度設(shè)置為5 mm。

        (8)邊界條件

        入口邊界條件設(shè)置為壓力入口條件,由于試驗(yàn)段長(zhǎng)度管道長(zhǎng)度比較短,雙孔注漿模型入口壓強(qiáng)均設(shè)置為0.5 Mpa;出口邊界條件設(shè)定為壓力出口條件,由于水泥漿流出后直接排到與大氣相連的攪拌桶中,所以出口壓強(qiáng)為0;水泥漿進(jìn)入管道時(shí)不含氣泡,流出管道時(shí)為固液混合物,所以在進(jìn)口處,空氣體積分?jǐn)?shù)為0,流體體積分?jǐn)?shù)為1,出口處為混合相。

        (9)相設(shè)置

        第一相為空氣,第二相為水泥漿。

        (10)邊界滑移條件

        因?yàn)楣鼙趽碛邢喈?dāng)程度的粗糙度,所以流體在壁面的相對(duì)速度為0,取水泥漿速度對(duì)管壁為無滑移邊界條件。

        (11)多相流模型

        本次計(jì)算參數(shù)選擇VOF多相流模型,VOF采用一階迎風(fēng)離散。

        (12)方程求解算法

        方程的計(jì)算采取瞬態(tài)計(jì)算方法,因此使用PISO算法。

        (13)初始條件

        本次仿真需要模擬流體充滿孔道的全過程,因此,初始條件設(shè)置為整個(gè)計(jì)算域內(nèi)初始空氣體積分?jǐn)?shù)為1,初始?jí)簭?qiáng)為0,初始速度為0。

        (14)時(shí)間步長(zhǎng)

        將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001 s,并設(shè)定每20個(gè)步長(zhǎng)保存一次數(shù)據(jù)。

        2.3 循環(huán)壓漿數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

        分別截取了壓漿期間各特征時(shí)間點(diǎn)在孔道出入口等位置的體積云圖、速度云圖及壓強(qiáng)云圖,以分析水泥漿在預(yù)應(yīng)力孔道內(nèi)的流動(dòng)情況,如圖9~13所示。

        圖9體積云圖中,F(xiàn)luent以單元為基本單位,計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)空氣的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)單元內(nèi)空氣體積分?jǐn)?shù)為0時(shí),即單元內(nèi)流體均為水泥漿時(shí),顯示為藍(lán)色;當(dāng)單元內(nèi)空氣體積分?jǐn)?shù)為1時(shí),即單元內(nèi)均為空氣時(shí),顯示為紅色;當(dāng)單元內(nèi)空氣體積分?jǐn)?shù)界于0與1之間時(shí),則顯示圖左側(cè)所示的其它顏色。

        流動(dòng)時(shí)間為5.67 s時(shí),流體已由入口導(dǎo)管進(jìn)入孔道內(nèi),流動(dòng)比較平穩(wěn),水泥漿與空氣交界面可能有少量微小氣泡,由于氣泡尺寸過小,部分網(wǎng)格尺寸大于氣泡尺寸,所以無法形成比較清晰的兩相界面。

        由速度云圖可以看出,水泥漿在孔道下部的流入,帶動(dòng)了孔道上部空氣的流動(dòng)。由靜壓云圖可以看出流動(dòng)時(shí)間為5.67 s時(shí),入口處水泥漿的靜壓為0.5 Mpa,水泥漿進(jìn)入孔道以后便接觸到外部大氣壓,其靜壓為0。而總壓為靜壓與水泥漿的動(dòng)能之和,與速度有關(guān)。

        流動(dòng)時(shí)間為5.67 s時(shí),孔道中的水泥漿已流至8 m處,由于水泥漿粘性、管道的阻力及液氣表面張力存在的原因,水泥漿不同位置的液面高度并不相同,不同位置流體速度也不同,流體端部水泥漿流動(dòng)速度為0。

        速度云圖中顯示的是整個(gè)管道內(nèi)混合相的流速,可以看出空氣被水泥漿帶動(dòng)以一定的速度往出口流動(dòng),整個(gè)管道橫向截面上,由于管壁粗糙的原因,靠近管壁處混合相速度為0,管道中部速度最大。8 m位置處,流體直接接觸空氣,流體靜壓為0,存在一定的動(dòng)壓強(qiáng)。

        圖9 5.67 s入口處云圖

        圖10 5.67 s時(shí)8 m處云圖

        圖11 48.01 s時(shí)入口處云圖

        圖12 48.01 s時(shí)20 m處云圖

        流動(dòng)時(shí)間為48.01 s時(shí),由于入口處水泥漿壓入的速度比較快,在管道左上角與導(dǎo)管交界面附近形成一個(gè)盲區(qū),該位置的空氣不容易被水泥漿帶走,形成兩個(gè)約400 mm左右大小的氣泡,隨著流動(dòng)時(shí)間的增加,該位置氣泡會(huì)逐漸被水泥漿帶走一部分,但無法完全被帶走。

        隨著流動(dòng)時(shí)間的增加,管道內(nèi)相當(dāng)多的區(qū)域已經(jīng)被水泥漿所充滿,水泥漿在入口處的流動(dòng)中心由底部逐漸上升,在速度云圖及總壓云圖中顯示為代表流速最快的黃色區(qū)域的升高。入口處雖然有兩個(gè)大氣泡,但是為封閉氣泡,不與外界大氣相連,因此此位置無論水泥漿還是該處氣泡壓強(qiáng)都比較大。

        流動(dòng)時(shí)間為48.01 s時(shí),此時(shí)水泥漿剛剛流動(dòng)至第1根管道的出口導(dǎo)管處。由體積云圖可以看出,20 m處孔道內(nèi)大部分已被水泥漿所充滿,但仍存在部分條狀氣泡分布在孔道上壁,隨著流動(dòng)的繼續(xù),孔道內(nèi)的氣泡將逐漸被排出。

        圖13 425.77 s時(shí)各位置體積云圖

        由圖13可以看出,孔道在截面突變處,特別是小截面突變?yōu)榇蠼孛鏁r(shí),該位置會(huì)出現(xiàn)一個(gè)壓漿盲區(qū),該盲區(qū)均有一個(gè)約10 mm的氣泡,如圖13a,13b所示。圖13c,13d中可以看出60 m處及出口位置的管壁附著有少量氣泡。一般在實(shí)際工程中,出口位置不出現(xiàn)連續(xù)氣泡就可認(rèn)為壓漿結(jié)束。壓漿密實(shí)度已達(dá)到98%以上,符合規(guī)范要求,且少量的管壁處氣泡遠(yuǎn)離預(yù)應(yīng)力鋼筋,對(duì)橋梁的安全幾乎沒有影響,繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)壓漿會(huì)浪費(fèi)能源和材料。

        通過數(shù)值仿真,雙孔循環(huán)壓漿模型壓漿425.77 s后可認(rèn)為壓漿完成,壓漿密實(shí)度為98.15%?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)雙孔循環(huán)壓漿試驗(yàn)的壓漿持續(xù)時(shí)間為447 s,數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差4.75%;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)雙孔循環(huán)壓漿試驗(yàn)的壓漿密實(shí)度為98.54%,數(shù)值模擬的壓漿密實(shí)度結(jié)果為98.15%,數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,說明數(shù)值模擬較可靠。

        3 結(jié) 論

        通過對(duì)預(yù)應(yīng)力孔道循環(huán)壓漿試驗(yàn)研究和數(shù)值分析,得到如下結(jié)論:

        (1) 理論分析和試驗(yàn)均表明,循環(huán)壓漿工藝?yán)脻{液持續(xù)循環(huán)的方式帶走孔道中絕大部分空氣,達(dá)到較高壓漿質(zhì)量;

        (2)數(shù)值模擬重現(xiàn)了循環(huán)壓漿過程中水泥漿的流動(dòng)情景。發(fā)現(xiàn)壓漿完成以后,仍有少量氣泡分布在波紋管管壁及截面突變處,試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了在入口處及界面突變處較容易出現(xiàn)壓漿缺陷。建議實(shí)際施工時(shí)采用人工二次補(bǔ)漿方法消除這些缺陷。

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