泵送灌注钢管混凝土流态数值模拟.pdf

建筑与土木工程泵送灌注钢管混凝土流态数值模拟唐克伦1，周孝军1，赵艺程2（1.西华大学建筑与土木工程学院,四川成都610039；2.四川交通职业技术学院,四川成都611130）摘要：钢管混凝土在国内外的桥梁工程建造中被广泛应用，管内混凝土泵管灌注过程中的匀质性控制是保证钢管混凝土组合构件具有良好力学性能的关键。混凝土中各组成原料在钢管的分布情况直接影响钢管混凝土的力学性能，为了探究泵送灌注时各组成原料在钢管中分布规律，将混凝土拌合物等效为气相（空气，主相）、液相（水介质，第 2 相）、固相（拟流体，第 3 相），用流体力学软件模拟了混凝土拌合物在钢管垂直布置和倾斜布置时各相流动行为和各相的体积分布规律。对于钢管道垂直布置，混凝土拌合物表现出来第 2 相和第 3 相以不同速度的整体顶升推移；对于钢管道倾斜布置，混凝土拌合物表现出来第 2 相和第 3 相以不同速度沿上升通道顶升推移和沿下降通道的沉降；两种布置方式均会导致近液面部分出现浮浆趋势，而在底部出现骨料下沉；泵送压力与高度成正比。以上结论可为钢管混凝土在工程上的应用提供参考。关键词：钢管混凝土；物料分布；流体数值模拟；流体力学中图分类号：U445.4文献标志码：A文章编号：1673159X(2024)02007007doi：10.12198/j.issn.1673159X.5312NumericalSimulationofConcreteSlurryFlowThroughBumpinginSteelTubeTANGKelun1，ZHOUXiaojun1，ZHAOYicheng2（1.School of Architecture and Civil Engineering,Xihua University,Chengdu 610039 China;2.Sichuan Polytechnic of Communications,Chengdu 611130 China）Abstract:Theconcretefilledsteeltube(CFST)isincreasinglywidelyusedinbridgeconstructionathomeandabroad.ThehomogeneitycontrolofconcreteduringthepouringisthekeytoensurethegoodmechanicalpropertiesofCFSTmembers.Thedistributionofvariousrawmaterialsinthemainconcretepipedirectlyaffectsthemechanicalproperties.Inordertoexplorethedistributionoftherawmaterialinthetubeduringthepumping,theconcreteslurryisequivalenttothreephasematerial:air(phase1),water(phase2:liquidphase)andparticle(phase3:fakefluid).Throughfluidmechanicssoftware,theflowbeha-viorandthevolumedistributionlawofeachphaseweresimulatedwhenthetubewasverticallayoutandtiltlayout.Thepumpingpressurewiththeheightwasalsoobtained.Fortheverticallayout,thesecondandthethirdphasesoftheconcreteslurryshowstheoveralljackingatdifferentspeeds.Asforthetiltlayout,the收稿日期：20231012基金项目：国家自然科学基金资助项目（52008340）;西华大学高端人才启动基金项目(Z201130)。第一作者：唐克伦（1972），男，教授，博士，主要研究方向为建筑材料、力学、模式识别与装置。ORCID：000000028851916XE-mail：引用格式：唐克伦，周孝军，赵艺程.泵送灌注钢管混凝土流态数值模拟J.西华大学学报（自然科学版），2024，43（2）：7076.TANGKelun,ZHOUXiaojun,ZHAOYicheng.NumericalSimulationofConcreteSlurryFlowThroughBumpinginSteelTubeJ.JournalofXihuaUniversity（NaturalScienceEdition）,2024,43（2）:7076.第 43卷第 2 期西华大学学报（自然科学版）2024年3月Vol.43，No.2JournalofXihuaUniversity（NaturalScienceEdition）Mar.2024secondandthethirdphasesrisealongtheascendingchannelandsedimentalongthedescendingchannel.Thebotharrangementswillleadtothestratificationnearliquidlevel,andthesedimentationatthebottom.Andthepumpingpressureisproportionaltotheheight.TheaboveconclusionscanprovideareferencefortheapplicationofCFSTinengineering.Keywords:concretefilledsteeltube(CFST)；distributionoftherawmaterial；numericalsimulationsoffluid；fluidmechanics钢管混凝土（concretefilledsteeltubular，CFST）拱桥利用钢管对核心混凝土产生的套箍效应提高了混凝土的抗压强度1，能有效减小结构截面尺寸和自重。CFST拱桥从材料强度和施工措施两个方面解决了拱桥朝更大跨度发展的技术瓶颈2，在国内外的桥梁建造中被广泛应用，已有 100 多年的历史。早在 1879 年，英国Servern铁路桥就采用钢管作为桥墩，并在钢管中灌注混凝土作为填充物3。在 1937 年，前苏联的列宁格勒（现俄罗斯圣彼得堡）涅瓦河上，Perederiy 教授采用了集束的小直径钢管，并在其中填充混凝土作为拱肋，建造了主跨101m的下承式拱桥。两年后 Perederiy 教授又在西伯利亚依谢季河建成了 140m 的上承式钢管混凝土铁路拱桥。随后，钢管混凝土桥梁在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国于 1990 年建成首座钢管混凝土拱桥：四川旺苍东河大桥，跨径115m。钢管混凝土桥梁由于具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能优越、施工方便等优点，在国内得到广泛应用和快速发展。国内已建成钢管混凝土拱桥460余座，超过500m跨径钢管混凝土拱桥3座4。如四川合江长江三桥主跨507m，为目前世界最大跨径飞燕式钢管混凝土拱桥5，大桥主拱钢管直径 1.3m，主拱矢高119m，全桥主拱管内灌注C70混凝土 5716m3，单根主拱管内混凝土灌注方量为714.5m36-7。四川合江长江三桥总体布置如图 18所示。然而，随着钢管混凝土桥梁的高速发展，钢管混凝土的承载能力与管内混凝土的灌注质量关系密切，主拱管内混凝土灌注一直以来都是施工的重点和难点，随着主拱跨径增大，管内混凝土的方量、泵送距离、强度随之增大，导致管内混凝土灌注难度进一步提升。(a)纵断面第 3 级上弦灌注口第 2 级上弦灌注口93.479.464.377.2120.334.28.9第 3 级下弦灌注口第 2 级上弦灌注口第 1 级上弦灌注口第 1 级下弦灌注口第 3 级弧长 86 m第 1 级弧长 119 m第 2 级弧长 86 m(b)横断面29.34432.921.380.580.5507图1四川合江长江三桥Fig.1The3rdHejiangbridgeofSichuanYangtzeRiver第2期唐克伦等:泵送灌注钢管混凝土流态数值模拟71计算流体力学(CFD)提供了一种模拟泵送混凝土流变性能的新方法，具有预测结果准确且可视化、可减少试验工作量等优点,该方法可以得到许多试验无法测得的结果9。贾海深等10借助fluent 软件对混凝土在螺旋输送装置内的输送过程进行数值模拟，探讨了螺旋输送装置的转速、螺径比对其输送过程的影响规律，研究结果为矿用螺旋输送装置的结构设计、优化、输送性能分析提供一定理论依据。本文将从流体力学出发，通过流体数值模拟，揭示管内混凝土运动规律。1数值计算模型1.1物理模型本次数值模拟研究钢管内固液两相流体的流动规律。参数来源于已有的工程现场实验平台参数11（如图 2 所示）：钢管长 20m，管径为 1.3m，壁厚为 14mm，外接泵管选用 125mm 高压泵管，长20m。外接泵管距底部 1.4m 处沿 45方向斜插钢管内，延伸至钢管中心（距钢管底部 2m）沿钢管横截面开口，由于主要研究混凝土在钢管内流动状态，外接泵管（外露部分）仅选了约 1.3m 长。钢管上方采用压强出口条件，表压为 0；泵管采用速度入口条件。流体采用三相流混合模型，滑动速度、体积分率参数为隐含，通过输入 Y、Z 两方向的重力加速度分量来模拟管的倾斜角度。流体三相分别为常温下气相（空气，主相）、液相（水介质）、固相（拟流体）。依据 C60 自密实补偿收缩混凝土配合比表（外加剂占 1.3%，其余成分占比见表 1），估算出相应流体参数。主相输入体积占比 2%；液相输入体积占比 24%，密度 1000kg/m3；固相输入体积占比 74%，密度 2600kg/m3，黏度 120Pas。其余为传统的壁面边界条件。网格划分为自由网格划分，壁面边界处 3 级加密处理。选用 K-RNG 方程，标准壁面条件。混凝土结构包含气体相（空气）、流体相（水）、以及颗粒主导的乳化相。其中气相在开始阶段充满整个钢管空间，但在后面混凝土填充钢管阶段却含量极低，体积比小于 2%。为了数值模拟的数值稳定性，通常选择密度较小的气相作为主相。液相和乳化相（拟流体）初始阶段在钢管内体积占比设置为 0，由外接泵管输入钢管，平均流速输入、三相输入速度均设置为 1.2m/s。1.2数值模拟的理论基础ii混凝土浆液在钢管中的流动表现出一种较为复杂的多相流状态，涉及气体、液体以及固体颗粒。流体力学基本方程从理论上讲是可以用于多相流的，但在多相流中，一般应对各相列出各自的守恒方程，同时还要考虑各相之间的相互作用；因此，描述多相流要比单相流要困难和复杂得多。多相流模型12-14通常分为，VOF模型（volumeoffluidmodel）、混合模型（mixturemodel）和欧拉模型(Eulerianmodel)。VOF模型适合于分层的或自由表面流，通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分率来模拟 2 种或 3 种不能混合的流体。对于本文来讲，这显然是不合适的。而Mixture和Eulerian模型适合于流动中有相混合或分离，或者分散相的体积分率超过10%的情形。如果分散相有着宽广的分布，通常选择 Mixture模型。如果分散相只集中在区域的一部分，则应当使用Eulerian模型。如果系统的相间曳力规律已知，Eulerian模型通常比Mixture模型能给出更精确的结果。如果相间的曳力规律不知道，Mixture模型可能是更好的选择。同时，尽管精度方面Eulerian模型较高，但 Mixture模型计算付出时间较少，计算稳定性高。因此本文选择 Mixture模型。Mixture 模型使用单流体方法，它允许相之间互相贯穿（interpenetrating）。所以对一个控制容积的体积分数可以是0和1之间的任意值，取决于第 相所占有的体积空间。Mixture 模型使用了滑流速度的概念，允许各相以不同的速度运动。本文表1C60 自密实补偿收缩混凝土施工配合比Tab.1Construction mix ratio of C60 self-compactingcompensationshrinkageconcrete原材料水泥粉煤灰硅灰膨胀剂细集料小石大石水用量/kg440753550740282658170(a)实验方案(b)数值模拟图2流体数值模拟方案Fig.2Fluidnumericalsimulationscheme72西华大学学报（自然科学版）2024年主要描述各相之间的运动，只涉及连续性方程和动量方程。混合模型的连续方程为t(m)+(mvm)=m（1）vm=ni=1iivimm=ni=1ii m其中：为质量平均速度；为混合物密度；为由于气穴（describedinSection20.5）或用户定义的质量源的质量传递。混合模型的动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求和来获得。它可表示为t(mvm)+(mvmvm)=p+m(vm+vTm)+mg+F+(ni=1iivm,jvm,j)（2）Fm=ni=1iivi,j=vjvijivm,j=vjvmjvi,j=tijatij式中：n是相数；是体积力；是混合黏性；为第 相相对于第 相的相对速度，而是第 相的飘移速度。相对速度，其中，为弛豫时间。tmj=(mj)d2j18jfdrag（3）曳力来自Schiller和Naumann，定义12为fdrag=1+0.15Re0.687Re 1 0000.183ReRe 1 000（4）j第 相粒子的加速度定义为a=g(vm)vmvmt（5）2模拟结果及分析2.190布置时速度与相体积分布情况N(,)所选截面 7（距钢管底部 2.2m）、截面 8（距钢管底部 3m）、截面 10（距钢管底部 5m）、截面15（距钢管底部 10m）的混凝土 Z 相速度（即顶升速度）沿 X 轴投影分布如图 3 所示。由图 3 可知，速度分布近似成正态分布，随着截面距钢管底部的高度增加，位置参数 减小，速度峰值中心由右略偏下向钢管中心移动；同时尺度参数减小，速度分布趋于缓和。进一步分析第 2 相与第 3 相速度可知（见图 4），尽管该两相速度分布形态相同，但速度峰值有着微弱差异，第 3 相速度要略低于第 2 相速度。相较于第 2 相，第 3 相由于自身密度较大，有沉降力作用，导致离底部较近处，第3 相体积比率略微偏高；截面离底部越近，体积比率越大。同时在接近钢管液面位置，第 2 相体积比率较高(如图 5 所示)，占主导地位。而在钢管底部外接泵管以下区域，第 2 相分布较小，几乎是第3 相占据了整个流体空间。在外接泵管以下截面（截面 20，距钢管底部 1.5m），除了同样存在着顶升速度以外，还存在下沉速度，特别是第 3 相。顶升速度峰值在钢管中心偏右下方，下沉速度峰值在管周边，离管壁约 0.1m 处。对于第 2 相与第 3相，它们之间也存在微小的速度滑移，这使得随着时间的推移，第 3 相体积分布率会变得越来越高。Z velocity(phase-1)/(ms1)0.350.300.250.200.150.100.0500.050.8 0.6 0.4 0.200.20.40.60.8Position/mplane-10plane-15plane-7plane-8图3各截面Z 向速度沿X 轴投影（90）Fig.3The Z-direction velocity of each section projectedalongtheX-axis(90)Z velocity(phase-2)/(ms1)2.83e 012.25e 011.67e 011.08e 015.02e 027.93e 02Z velocity(phase-2)/(ms1)3.69e 022.95e 022.21e 021.48e 027.36e 030Z velocity(phase-2)/(ms1)1.50e 021.17e 028.37e 035.05e 031.73e 031.58e 03Z velocity(phase-3)/(ms1)1.00e 026.71e 033.42e 031.26e 033.17e 036.46e 03Z velocity(phase-3)/(ms1)3.20e 022.54e 021.88e 021.22e 025.53e 031.08e 03Z velocity(phase-3)/(ms1)2.78e 012.20e 011.62e 011.04e 014.54e 021.28e 02(a)截面 7 第 2 相(b)截面 7 第 3 相(c)截面 10 第 2 相(d)截面 10 第 3 相(e)截面 20 第 2 相(f)截面 20 第 3 相图4速度云图（90）Fig.4Nephogramofvelocity(90)2.260布置时速度与相体积分布情况所选截面 7（距钢管底部 2.2m）、截面 8（距钢管底部 3m）、截面 10（距钢管底部 5m）、截面15（距钢管底部 10m）的混凝土 Z 向速度（即顶升第2期唐克伦等:泵送灌注钢管混凝土流态数值模拟73N(,)速度）沿 Y 轴投影分布如图 6 所示。由图 6 可以看出，每一个截面 Y 的正向和 Y 的负向均出现一个类似正态分布的速度分布，Y 的正向速度总是大于 Y 的负向速度；Y 的正向位置参数 随着截面距钢管底部的高度增加而增大，逐渐趋于一个稳定数值（0.46）；而 Y 的负向位置参数 基本上维持在一个恒定的数值 0.46 左右。为了更为清晰展示速度分布情况，我们列出截面 8 与截面 15 的 Z 向速度云图（如图 7 所示）。从图 7 可以看出，Z 向速度存在一个正的峰值与一个负的峰值；正的峰值在截面右上方，负的峰值在截面左下方，几乎关于中心对称。Z 向速度峰值沿 Y 的正向速度幅值总是大于沿 Y 的负向速度幅值；沿 Y 的正向速度为正速度（顶升）；沿 Y 的负向速度为负速度（沉降）；同时发现，各截面第 2 相和第 3 相速度也有细微差别。第 2 相顶升速度略高于第 3 相，但第 2 相沉降速度略低于第 3 相。因此表现出来对于整个截面：混合物速度方向是沿Z的正向，导致混合物液面上升（顶升）；第 3 相相对于第 2 相有沿Z 负方向的相对速度，随着截面距钢管底部距离的减少，第 3 相的沉降会越来越大，导致第 3 相体积比沿 Z 负向逐渐增大；随着截面距钢管底部的距离增加，第 2 相体积分布占比逐渐增大，在一定高度导致第 2 相的集中堆积，形成分层浮浆趋势（如图 8 所示）；第 2 相与第 3 相体积分布沿坐标轴 Y 方向也存在差异。第 2 相在 Y 轴正向 0.46m 处的体积分率略微高于Y 轴负向 0.46m 处；第 3 相在 Y 轴正向 0.46m 处的体积分率略微低于 Y 轴负向 0.46m 处；其体积分布表现出来类似在 Y 轴正向 0.46m 处附近为第2 相的顶升通道，在 Y 轴负向 0.46m 处附近为第3 相的沉降通道。Z velocity(mixture)/(ms1)0.300.250.200.150.100.0500.050.100.8 0.6 0.4 0.200.20.40.60.8Position/mplane-10plane-15plane-7plane-8图6各截面 Z 向速度沿 Y 轴投影（60）Fig.6Z-directionvelocityofeachsectionprojectedalongtheY-axis(60)(a)截面 8 第 2 相(b)截面 8 第 3 相(c)截面 15 第 2 相(d)截面 15 第 3 相Z velocity(phase-2)/(ms1)1.68e 011.22e 017.53e 022.91e 021.71e 026.33e 02Z velocity(phase-3)/(ms1)1.63e 011.17e 017.11e 022.49e 022.13e 026.75e 02Z velocity(phase-2)/(ms1)8.78e 028.21e 023.85e 021.08e 021.48e 024.05e 02Z velocity(phase-3)/(ms1)8.36e 025.79e 023.23e 028.80e 031.91e 024.47e 02图7速度云图（60）Fig.7Nephogramofvelocity(60)2.330的分布情况30的分布情况类似于 60时的分布情况，只不过顶升通道位置参数 进一步远离钢管轴心。顶升速度与沉降速度均有所下降（见图 9、图 10）。2.4泵送压力（进口压力）泵送压力关系到工程选泵，按照钢管 90布置绘制了入口压力随时间变化的曲线。泵送压力随phase2Volue fraction(phase.8.94e 018.05e 017.15e 016.26e 015.36e 014.47e 013.58e 012.68e 011.79e 028.94e 025.52e 13phase3Volue fraction(phase.)1.00e 019.00e 018.00e 017.00e 016.00e 015.00e 014.00e 013.00e 012.00e 021.00e 025.36e 13(a)第 2 相体积比率(b)第 3 相体积比率图5Y 截面液体分布情况（90，t=1602.9s）Fig.5FluiddistributioninY-section(90,t=1602.9s）74西华大学学报（自然科学版）2024年时间变化曲线如图 10 所示。由图 10 可知，后期泵送压力与时间几乎成正比，近似为一条直线。由于采用了定速入口边界，压力随时间变化情况等同于压力随液面高度变化，因而工程上可以估算出泵的功率，为泵选用提供依据。3结论本文通过数值模拟研究了泵送混凝土在钢管内流动情况，为泵送混凝土在工程上应用提供参考。得到的主要结论如下所示。1）对于钢管垂直布置，在外接泵管以上，钢管内流速波峰由起始阶段的偏心逐渐对中，且截面流速波峰随离底部高度增加而逐渐降低；第 2 相和第 3 相 Z 向速度存在差异，它们之间存在相对滑动速度，第 2 相顶升速度要略大于第 3 相的顶升速度，结果导致第 2 相在液面附近集中，形成分层浮浆；同时导致第 3 相沿钢管高度分布的差异性，截面离钢管底部越高，第 3 相体积分布率越低，各相体积分布差异主要由相之间相对速度引起。在外接泵管以下，第 3 相体积分布率明显偏高。2）对于钢管倾斜布置，在外接泵管以上，钢管内流速波峰由起始阶段的接近中心区域逐渐向远离中心偏移，且截面流速波峰随离底部高度增加也逐渐降低；在 Y 的正向形成一个正的速度波峰，在Y 的负向形成一个负的速度波峰，形成一个回流；正的速度波峰要大于负的速度波峰；第 2 相和第3 相 Z 向速度存在差异，它们之间存在相对滑动速度；对于正的速度波峰，第 2 相顶升速度要略大于第 3 相的顶升速度；对于负的速度波峰，第 3 相下沉速度要略大于第 2 相的下沉速度。结果导致第2 相在液面附近集中，形成分层浮浆；同时导致第3 相沿钢管高度分布的差异性，截面离钢管底部越高，第 3 相体积分布率越低，各相体积分布差异主要由相之间相对速度和回流共同引起。回流也引起同一截面 Y 的正向与 Y 的负向间各相的体积分布差异；第 3 相体积分布率在 Y 的负向要略高于Y 的正向。在外接泵管以下，第 3 相体积分布率也明显偏高。3）在定速入口边界情况下，泵送压力随时间或随高度变化成正比。工程师可依据此变化规律选用泵或判别泵是否会超载。参考文献1蒋家奋,汤关祚.三向应力混凝土 M.北京:中国铁道出版社,1988.(a)第 2 相体积比率(b)第 3 相体积比率phase2Volue fraction(phase.9.45e 018.51e 017.56e 016.62e 015.67e 014.73e 013.78e 012.84e 011.89e 019.45e 021.50e 13phase3Volue fraction(phase.9.99e 018.99e 017.99e 016.99e 015.99e 014.99e 014.00e 013.00e 012.00e 019.99e 021.56e 11图8Y 截面液体分布情况（t=1388s）Fig.8FluiddistributioninY-section（t=1388s）Z velocity(mixture)/(ms1)0.250.200.150.100.0500.050.8 0.6 0.4 0.200.20.40.60.8Position/mplane-10plane-15plane-7plane-8图9各截面 Z 向速度沿 Y 轴投影（30）Fig.9Z-directionvelocityofeachsectionprojectedalongtheY-axis(30)8.07.57.06.56.05.55.0P/105 Pa0200400600800 1 000 1 200 1 400t/s图10泵送压力随时间变化Fig.10Pumppressurewithtime第2期唐克伦等:泵送灌注钢管混凝土流态数值模拟75JIANGJF,TANGGZ.Three-waystressconcreteM.Beijing:ChinaRailwayPress,1988.2陈宝春,杨亚林.钢管混凝土拱桥应用概况分析C/中国公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文集.杭州:s.n.,2005:219226.CHENBC,YANGYL.ApplicationsituationofsteelpipeconcretearchbridgeC/Proceedingsofthe2005NationalBridgeAcademicConferenceofBridgeandStruc-turalEngineeringBranchofChinaHighwaySociety.Hang-zou:s.n.,2005:219226.3刘志祥.桥梁中预制 T 梁体的施工技术探讨J.黑龙江科技信息,2012（19）:9899.LIUZX.DiscussionontheconstructiontechnologyoftheprecastT-beambodyinthebridgeJ.HeilongjiangScienceandTechnologyInformation,2012（19）:9899.4牟廷敏,范碧琨,赵艺程,等.钢管混凝土桥梁在中国的应用与发展J.公路,2017,62（12）:161165.MOUTM,FANBK,ZHAOYC,etal.Applicationand development of concrete filled steel tube bridge inChinaJ.Highway,2017,62（12）:161165.5张俊锋,曹菲.打破钢管混凝土系杆拱桥世界纪录,四川合江长江公路大桥还有这些设计巧思 EB/OL.https:/ pipe concrete rod arch bridge,Sichuan HejiangYangtzeRiverHighwayBridgealsohasthesedesignideasEB/OL.https:/ EB/OL.https:/ closureEB/OL.https:/ concrete in bridge 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