(中交第四公路工程局有限公司，北京 100020)

引言

在高層建筑的施工過(guò)程中會(huì)大量使用混凝土泵送系統(tǒng)進(jìn)行混凝土澆筑。高層建筑混凝土泵送系統(tǒng)在工作時(shí)，會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生附加的不平衡推力，產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，并伴隨沖擊和噪音，影響主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，甚至造成質(zhì)量安全事故。

為分析上述問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理，本文對(duì)管內(nèi)、管體和支座進(jìn)行了整體流固耦合建模，結(jié)合施工項(xiàng)目的實(shí)際情況，針對(duì)混凝土泵送系統(tǒng)減振支架進(jìn)行研究，采用減緩泵管振動(dòng)最簡(jiǎn)單、最直接的管外減振支架措施。在管道與支架間增加一層柔性橡膠，形成一種新型的減振支架。既能保證高層建筑混凝土泵送管道安全性，又能減小對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不良影響從而提升主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

本文采用數(shù)值計(jì)算方法建立了泵送管道和減振支架的計(jì)算模型，針對(duì)管道彎管及支架受力問(wèn)題，考慮管道輸送混凝土—管壁結(jié)構(gòu)—支架整體作用體系，利用流固耦合分析方法，對(duì)其泵送過(guò)程中的混凝土流動(dòng)特征，流動(dòng)產(chǎn)生的粘性力、壓力等對(duì)管道的影響以及對(duì)不同減振支架減振剛度下的支架底座應(yīng)力進(jìn)行了靜力和動(dòng)力特性研究，研究了彎管管道和支架在考慮流動(dòng)的預(yù)加載作用下的整體模態(tài)特征。該研究工作為泵送混凝土施工減振降噪提供了理論依據(jù)，并為主體結(jié)構(gòu)的安全提供重要的技術(shù)支撐。

計(jì)算結(jié)果在六安高臺(tái)小區(qū)安置房項(xiàng)目等多個(gè)工程上成功應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，減振支架可以有效降低支架底部的應(yīng)力，有利于保障主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

1 技術(shù)路線

管道系統(tǒng)的流固耦合問(wèn)題的研究一直是熱點(diǎn)問(wèn)題，近年來(lái)隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始利用大型商業(yè)軟件對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算[1-3]。本文基于Workbench軟件建立了泵送混凝土動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)管道內(nèi)流體和管道結(jié)構(gòu)及支撐系統(tǒng)建模，進(jìn)行考慮流固耦合的模態(tài)分析及動(dòng)態(tài)響應(yīng)的有限元分析。結(jié)合建立的數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算中分為管道內(nèi)流體計(jì)算、管道內(nèi)混凝土—管壁結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)換、管道與支架體系3個(gè)計(jì)算分析步驟。計(jì)算過(guò)程中考慮混凝土流體與管道系統(tǒng)之間耦合作用，流體計(jì)算考慮流體粘性力、體積力、慣性力、壓力等影響，建立N-S方程，用時(shí)均法分析流體的流動(dòng)特征，再把流體載荷插值到管道內(nèi)壁，建立考慮預(yù)加載下的管道系統(tǒng)模態(tài)分析，并通過(guò)模態(tài)分析討論不同橡膠減振剛度對(duì)支架內(nèi)力的影響。結(jié)構(gòu)在泵送壓力周期性變化下產(chǎn)生的振動(dòng)，通過(guò)對(duì)帶激勵(lì)源的振動(dòng)微分方程，采用直接法計(jì)算，考慮管道系統(tǒng)的支撐形式、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及管道重力等因素的影響以及支架剛度變化帶來(lái)的影響。

由于管道變形微小，對(duì)內(nèi)部流動(dòng)的影響小，實(shí)際操作中可以采用單向流固耦合。先在幾何模塊中建立幾何模型，再劃分網(wǎng)格單元，流固之間的載荷在耦合界面上可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳遞。在ANSYS中分別創(chuàng)建管道和流場(chǎng)的單元，分別將劃分好的單元導(dǎo)入各自的軟件，然后進(jìn)入Fluent模塊中求解計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果以荷載的形式預(yù)加載到管道和支架上。最后進(jìn)行求解，得到管道和支架的應(yīng)力、應(yīng)變及流速跡線圖。

2 減振支架

減振支架的目的是減少泵送管道和主體建筑結(jié)構(gòu)之間的傳遞。為使管道振動(dòng)得到有效消除，在剛性支架上增加橡膠減振墊，這種減震方式具有成本小、易安裝等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)構(gòu)造參見(jiàn)圖3。安裝了橡膠減震墊的減振支架可以達(dá)到緩解混凝土泵送系統(tǒng)工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和減小對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不良影響的最佳綜合效果。

圖3 減振支架構(gòu)造

橡膠減震墊具有高彈性和粘彈性，具有良好的阻尼特性。固有頻率低，隔振緩沖和隔聲性能好，內(nèi)部摩擦大，減震效果好，有利于越過(guò)共振區(qū)，衰減高頻振動(dòng)和噪聲，對(duì)吸收泵管傳來(lái)的高頻振動(dòng)的能量較突出，可以滿(mǎn)足不同方向的剛度和強(qiáng)度的要求。

減振支架設(shè)置了橡膠減振墊，在布設(shè)水平泵管時(shí)先將減振支架放置在模板上，再將泵管架設(shè)在橡膠減振墊上，這樣可將泵管與樓面鋼筋完全隔離開(kāi)，泵送混凝土?xí)r泵送的沖擊力可被支架完全吸收，避免了產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)模板支撐穩(wěn)定性的破壞； 同時(shí)解決了泵送混凝土?xí)r水平泵管產(chǎn)生的沖擊荷載對(duì)樓面層鋼筋的破壞和產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)模板支撐穩(wěn)定性產(chǎn)生影響兩大問(wèn)題。

3 數(shù)值模擬

本文截取一段帶彎管的水平和垂直段研究。彎管結(jié)構(gòu)采用有限元分析，管內(nèi)混凝土采用有限體積法。用Workbench軟件考慮流固耦合，流體采用N-S方程計(jì)算。管道及支架采用靜動(dòng)力兩種計(jì)算方法。

3.1 幾何模型

泵送混凝土輸送管采用高壓管，截取彎管和兩個(gè)支架為混凝土泵送管道有限元計(jì)算模型，管外徑165.2mm，內(nèi)徑155.2mm，壁厚5mm，水平段長(zhǎng)度750mm，垂直段500mm，轉(zhuǎn)彎段半徑為0.75m的1/4彎管，泵管卡箍寬度100mm，卡箍與與主體結(jié)構(gòu)連接處為固定連接，管道與卡箍之間考慮為帶微小摩擦約束。在水平泵管和垂直管道中部固定。施工中支架的間距一般為3 m左右，每根泵管下至少有1個(gè)固定支架。

材料參數(shù)：鋼材為Q345b，密度7 850kg/m3，彈性模量210GPa，泊松比0.3。減振橡膠墊層的泊松比為0.49。

3.2 數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件

荷載邊界條件主要由重力荷載及流體壓力邊界條件組成，幾何邊界條件主要涉及支架底座，考慮其固定于主體結(jié)構(gòu)不可移動(dòng)，因此下底面采用固支邊界形式，約束6個(gè)方向位移，如圖4所示，計(jì)算模型中共有兩組主要接觸面，其一為流體與管道間的流—固界面，其二為支架與主體結(jié)構(gòu)間的固體界面。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算邊界條件

3.3 計(jì)算過(guò)程

采用ANSYS Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5～6所示，盡量使用六面體單元，分別劃分流體域和固體域網(wǎng)格，在流固交界面網(wǎng)格設(shè)置加密的邊界層，振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題時(shí)需綜合考慮計(jì)算時(shí)間和精度。

圖5 流體網(wǎng)格劃分

圖6 泵送混凝土管道有限元網(wǎng)格劃分

在流體模型中考慮質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和湍流方程，不考慮熱能傳遞的影響，將入口速度設(shè)置為2m/s，出口設(shè)置為10×101.325kPa，且隨時(shí)間周期性變化，頻率20Hz。

對(duì)于結(jié)構(gòu)部分考慮了幾種情況：

1)單獨(dú)管道，兩端固支；

2)卡箍下支撐為剛性，考慮彈性模量E=210GPa，兩端自由；

3)模擬管道下部低剛度柔性支撐，卡箍下支撐低彈性模量E=2GPa；

4)采用橡膠墊模型，兩邊剛性支撐，中間橡膠模量E=2GPa；

先在靜力模塊中進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，得到管道和支架的變形、應(yīng)變和應(yīng)力。對(duì)加載流體力作用下的預(yù)應(yīng)力模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式模態(tài)參數(shù)的差異，最后進(jìn)行了瞬態(tài)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 泵送混凝土流動(dòng)特性分析

入口速度2m/s，出口壓力為1MPa，定常分析時(shí)流管內(nèi)壓力分布和速度分布圖如圖7～8所示。由于在彎道處速度矢量變化大，流線發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)，管道外側(cè)壓力會(huì)大于內(nèi)側(cè)，靠?jī)?nèi)側(cè)局部出現(xiàn)低壓區(qū)。管道內(nèi)載荷力的分布也極不平衡，主要由彎管部位產(chǎn)生，水平段和垂直段在水平速度沖擊下載荷不大。

圖7 出口為1MPa下管道內(nèi)流體壓力分布

圖8 速度流線圖

4.2 不同結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

對(duì)情況a單獨(dú)管道和情況b的鋼支撐、情況c柔性支撐3種形式結(jié)構(gòu)，考慮有水壓下的模態(tài)進(jìn)行分析，前6階自振頻率結(jié)果如表1?？梢钥闯觯寒?dāng)管道為整體結(jié)構(gòu)，沒(méi)有法蘭盤(pán)連接，兩端固支時(shí)管道自振頻率最高，當(dāng)用卡箍剛性支撐在支架上，管道自振頻率會(huì)隨著連接形式而降低，假定卡箍下部連接部位采用柔性支撐后，結(jié)構(gòu)整體自振頻率最低，一階自振頻率由119.32 Hz降低到19.501 Hz。所以支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響很大。

表1 3種結(jié)構(gòu)形式下自振頻率

圖9為情況c下前3階振型，分別為繞支撐的扭轉(zhuǎn)、搖擺模態(tài)，后3階為以上下拉伸和管道的呼吸模態(tài)為主。

4.3 靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

考慮柔性支撐影響，情況c條件下結(jié)構(gòu)流固耦合下的靜強(qiáng)度分析結(jié)果如圖10。彎管中心部位變形最大，和剛性支撐比較變形增大，應(yīng)力最大處為柔性支撐根部，同時(shí)應(yīng)力傳遞到支架根部，垂直段工字型支架鋼板上應(yīng)力略高于水平段。2個(gè)支架底座承受泵送管道傳遞的力和力矩作用，如表2。

圖10 柔性支撐下管道系統(tǒng)的靜變形和靜應(yīng)力結(jié)果

圖9 柔性支撐時(shí)前三階振型圖

表2 支座反力和力矩

根據(jù)以上對(duì)管道和支架體系進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：?jiǎn)渭兛紤]支撐結(jié)構(gòu)的剛度降低，反而會(huì)使得系統(tǒng)的一階頻率下降很大，結(jié)構(gòu)受力在柔性支撐根部最大，導(dǎo)致管道變形也增大，不利于結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)； 相反如果在保證支撐剛度條件下，增加中間的橡膠墊環(huán)節(jié)，可以吸收管道的振動(dòng)能，同時(shí)支架底部傳遞給主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力逐步減少。改進(jìn)支架減振裝置，可以達(dá)到緩解混凝土泵送系統(tǒng)工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和減小對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不良影響的最佳綜合效果。

隨著減振橡膠墊層剛度的降低，相同荷載作用下的減振支架下部應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)，主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力相應(yīng)逐步減小，且減幅明顯。降低減振橡膠墊層剛度，其各向應(yīng)力呈降低趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力降幅較為明顯。當(dāng)減振橡膠墊層彈性模量增大時(shí)，支架底部應(yīng)力有增大現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果表明，減振橡膠墊層彈性模量不應(yīng)太大，可兼顧泵管、減振橡膠墊層、支架等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)彎管和支架受力問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)流固耦合數(shù)值計(jì)算方法分析了不同減振剛度情況下支架體系結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)，并討論了其不同工況下頻率特性和對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

仿真結(jié)果證明，本文方法考慮了流固耦合及管道支撐的各種形式，對(duì)管道支架的受力情況進(jìn)行的模擬更為詳細(xì)和準(zhǔn)確。計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)支架減振裝置，可以達(dá)到緩解混凝土泵送系統(tǒng)工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和減小對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不良影響的最佳綜合效果。減振支架可以有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，避免在泵送混凝土?xí)r輸送管對(duì)主體結(jié)構(gòu)的沖擊及振動(dòng)，保障了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件澆筑質(zhì)量。

本文為混凝土泵送系統(tǒng)減振降噪提供了一種優(yōu)化方法，在保證高層建筑混凝土泵送管道安全性的基礎(chǔ)上，避免了對(duì)已建結(jié)構(gòu)的不利影響，保證了主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。本文研究結(jié)果在六安高臺(tái)小區(qū)安置房項(xiàng)目等工程上得到了成功應(yīng)用。