文摘

传统方法无法正确预测高性能混凝土的泵送压力损失在超级高楼注入情况下由于复杂变化的具体属性。因此,必须提出一个相对准确的泵送压力估算方法超级高楼大厦。本文建立了简化的压力计算方法”压力引起的重力+压力沿管道。“后来的人获得通过建立基于计算流体动力学的拓扑优化模型和考虑到润滑层的形成。流变特性和流量的影响分析了基于该模型的细节。此外,开发了计算方法验证了高层建筑施工测量中泵送压力超级的上海中心大厦(最近在中国最高建筑)。之间的相对差异原位的实测数据和计算结果小于6%,表明该方法的适用性,预测超级高楼泵的压力损失。

1。介绍

混凝土泵送几十年来一直采用模板铸造。它广泛用于混凝土输送在摩天大楼建设,因为它省时,环保。然而,如何避免管道泄漏仍然是一个瓶颈在长距离泵送过程中,如超级高楼大厦,超长桥梁,和长距离隧道、泵送压力起着至关重要的作用。这主要是因为新鲜混凝土混合料设计和设备选择取决于泵送压力的预测,尤其是对超级高楼抽水。

因此,它是非常重要的预测混凝土的泵送压力准确、简单。ACI 304.2 r - 96图表给出了一个用于计算的压力损失1]。此外,技术规范施工的混凝土泵为压力提供了一个经验公式每米(2]。这些规范发挥重要指导作用在传统的混凝土泵送施工中,但他们不适合高性能混凝土的压力预测3]。这主要是由于原因,高性能混凝土的和易性可能受到重大影响的各种强塑剂或辅助胶结材料(4]。因此,作为混凝土的流变机制不能充分考虑,有必要开展研究流变的角度修改计算的混凝土泵送压力传统估计方法。新鲜混凝土viscoelastic-plastic身体,其流引起的剪切行为(5]。流变参数,尤其是塑性粘度和屈服应力,在流动过程中关键因素(6- - - - - -9]。不同的流变模型,包括宾汉模型,赫歇尔和巴尔克利模型,和卡森模型,提出了描述新浇混凝土的流态10]。其中,宾汉模型是最常用的模型之一,高性能混凝土(11]。此外,润滑层混凝土泵送过程中是至关重要的,这关系到泵内的shear-induced粒子迁移管(12]。

基于摩擦学理论,润滑层的流变特性,并在边界摩擦可以准确计算(13]。此外,压力损失与放电率有很强的关系。线性压力损失之间的关系曲线和放电率已经通过原位测试(14- - - - - -18)或滑动管流变仪(19]。压力损失也可以反向放电率的计算,得到的放电率的综合管道截面的速度分布(20.,21]。然而,理论模型不能直接用于预测实际的压力损失因为他们的隐式表达式。因此,研究进行捕获压力及其控制因素之间的关系。由于屈服应力和塑性粘度保持相对稳定,压降显示一个线性变化的管道长度增加(22]。有一个一阶物理压降和流量之间的相关性(23];更重要的是,一个合适的方法来评估基于全尺寸抽水试验的压力(24]。这提供了一种新方法得到的压力,但全面的抽水试验是耗费时间和劳动力。最近关注实际的混凝土泵送项目。基于x射线CT和三维细观数值模拟,多尺度力学性质改变后实际抽水和真实的泵项目给出的建议25]。一盒可加工性的自密实混凝土(SCC)适合直接注入到超级高楼,其中讨论了屈服应力和塑性粘度(26]。因此,它还必须开发一个简化的新鲜混凝土泵压力损失计算方法超级高楼大厦。

解决上述问题,本研究旨在建立一个简化的基于机械分析和泵送压力估计方法测量现场。抽力每米获得了计算流体动力学。各种因素的影响,如流量、润滑层厚度、屈服应力和粘度润滑效应进行了研究。之后,计算结果较高层上海中心大厦建设过程中泵送压力记录。

2。计算方法介绍

2.1。泵送混凝土的力条件

实际的混凝土泵送过程如图1。混凝土流经管道压力作用下所提供的泵。根据流体机制、入口作为速度类型的值是由实际的流量。与此同时,出口设置为压力型的速度是零。当混凝土流发展到稳定的模式,代表整个抽线是分开的一部分进行机械分析如图1。新鲜混凝土承受压力(P)、重力(G和摩擦F)与此同时,在方程(1)。新拌混凝土分析了拥有一个圆柱体的形状。地面部分的半径和高度表达r和h,分别。摩擦力等于剪切应力乘以它的面积在方程(2),而重力可以很容易地得到方程(3)。P代表泵力(公斤·m / s²),G表示gravity-induced力(公斤·m / s²),f反映了由摩擦引起的力(公斤·m / s²)。和p是材料的固有性能,代表屈服应力(Pa)和密度(公斤/米³),分别。r是半径(米)管道的截面和h的垂直高度抽水管(m);是重力加速度(m / s²)。

泵送压力可以获得,见以下方程:

基于以上方程,计算压力损失见以下方程:

一个简化的形式显示在方程(5)划分双方的相同的参数方程(5)。 在哪里代表了泵送压力(Pa)。根据方程(6),泵送压力与两个因素有关:gravity-induced压力和frictional-induced。同样的材料,前者只取决于泵的高度。至于之后,还有更复杂的影响因素。在压力作用下,新浇混凝土熊一个线性剪切应力作用,它改变了零中心峰值在管道内表面。shear-induced变形不会发生,除非下剪切应力大于屈服应力。因此,剪切速率的线性趋势显示变形区域。没有变形的中心地区。因此,塞流形成(见图2)。管的放电率是通过集成部分。

新鲜的混凝土在宾汉流管;其所描述的本构关系方程(7)。相关性很容易发现剪切率和泵之间的放电率。也就是说,沿着管道的压力损失可以由塑性粘度,管半径和放电率。

给出一个简化的方程,方程(1)和(6)考虑,如所示 在哪里表示压力损失系数沿管道(Pa / m),l是抽水管的总长度(米),然后呢h代表抽水管的高度(米)。

的系数在(8每米)代表的压力损失,这是由流变参数,管半径和放电率。本文建立了数值模拟模型来确定压力损失系数沿注入管道。

2.2。压力损失每米计算流体动力学

一个合适的模型是成功模拟的前提。2 d对称网格方法用于简化三维仿真(15]。这种方法带来了高重合度与原位测试结果。如果计算过程是不对称的,二维对称方法不再适用。因此,本文采用三维仿真模型。流量被假定为常数在整个抽水过程和计算单元的长度设置为10米。整个网格建立过程显示在图中3。正如上面所讨论的,150毫米管塞流形式。几何的身体首先建立。对润滑层的厚度是2毫米(6),两个同心圆勾勒出外径150毫米和146毫米内。这两个圈子后混凝土砌块和润滑层。这时,一个圆柱形拉伸身体是由图像。建立的三维模型。

模型准备建立显著影响仿真分析的效率和精度。管壁附近的混凝土流熊摩擦润滑层的存在。因此,用于润滑层的质量决定了压力损失模拟值的准确性。因此,整个部分分为两个部分,如图3。5层的束缚是加密润滑层(蓝色部分如图3),0.4毫米厚度的层。同时,网格块区域的厚度如图(紫色部分3)是润滑层的5倍。佩带的长度都是一样的在这两个领域。网格大小设置为50毫米沿着管方向。这个共识的使者每个双方应该接近90°的流体做准备。拓扑操作叫做O-grid强加给原来的束缚。整个部分分为五部分;红线皇后的边缘。从图3,我们可以看到,所有的天使双方应该接近90°佩带任何部分。

根据实际抽水定义的边界条件。从力学分析在图1,入口被定义为速度入口类型和速度值是由流量决定。出口类型被定义为压力出口,它的速度是零。速度有两个入口和两个网点由于部分部门的压力。注入管的内表面设置为无衬壁边界条件以反映摩擦。确保自由粒子交换之间的界面润滑和块区域,内部设置接触平面上的联系。最后,计算步骤是预定在1500年考虑的计算效率和精度。

2.3。泵送条件

为了提高仿真分析的准确性,工作条件设计取决于实际的抽运条件。根据上面的讨论中,造成的压力损失主要是重力和friction-induced压力。对于前者,垂直管方向考虑重力作用如表所示1,而水平设置为没有重力。对于后者,主要影响混凝土速度,润滑层的性能,包括厚度、塑性粘度和屈服应力。实际的混凝土泵的管道直管和弯管组成。因此,有6种影响因素显示为表的第一行1。值是由实际的混凝土泵送。例如,弯管的弯曲角度30°、45°、90°。根据实际混凝土泵放电,放电率的工作条件范围从10到100人 。其他因素也遵循同样的设计原则;整个工作条件如表所示1。

3所示。结果和讨论

3.1。数值模拟结果

3.1.1。润滑层厚度的影响

虽然润滑层的厚度有明显影响混凝土泵的压力损失,其精确值难以确定,因为缺乏适当的监控测量。目前,这是一个共识,润滑的厚度是2毫米。为了得到一个通用的数值结果,范围从1毫米到5毫米厚度变量数值模拟。结果如图所示4。压力损失减少明显当润滑的厚度增加。其衰减较大厚度变化时从1毫米到2毫米或2毫米至3毫米。当厚度超过3毫米,相同的1毫米增加将导致较小的压力损失衰减。此外,混凝土的润滑层对泵性能的影响。它的厚度决定了压力损失的价值。换句话说,润滑层的厚度不足以提供足够的砂浆润滑,导致增加摩擦过程中泵送混凝土。这一趋势将会加剧在高速度。因此,润滑层的厚度应根据实际情况选择准确。

3.1.2。重力的影响

正如上面所讨论的,重力作用中起着重要作用的压力损失,同时它可以通过一个简单的计算形式。进一步检查其合理性,为不同的管道压力损失仿真进行类型(水平管和垂直)常用的超级高楼泵的情况。至于垂直管,重力对模型。根据流变学测试之前进行,屈服应力分布在100 Pa也设置为输入值模拟,而塑性粘度是60 。图5介绍了压力损失比较垂直和水平管道在不同放电。结果表明,混凝土引起的压差接近0.024 MPa,几乎等于静水压力值每米(0.0245 MPa)。因此,垂直模式不会在以下部分中进行分析。

3.1.3。敏感性分析

从理论上讲,屈服应力是关键因素来确定是否新浇混凝土的流动开始,和塑性粘度会降低流。然而,很难确定哪些参数对混凝土有更重要的影响在管流。因此,灵敏度分析需要确定每个参数的影响。塑性粘度值来自实验流量曲线,这是设置从10到100 Pa·s。此外,选择屈服应力值从100年到900年。润滑是设置为2毫米的厚度,而放电固定在30米³/ h是常用的在实际混凝土泵。所有这些详细信息如表所示1。压力损失和流变参数之间的关系(塑性粘度和屈服应力)如图6(一)。结果表明,压力损失增加的增加塑性粘度和屈服应力。塑性粘度的斜率轴比这更突然的屈服应力轴,图中可以看到6(一)。它证明了塑料粘度有更显著的比屈服应力对压力损失的影响。这些结果为125毫米管如图6 (b);趋势是相同的与150毫米管道。结果表明,压力损失增加塑性粘度和屈服应力。塑性粘度的斜率轴是陡峭的屈服应力轴。结果表明,塑性粘度对压力损失的影响显著大于屈服应力。根据混凝土的流动机制,屈服应力是流阈值来确定流模式。在流动的过程中,应该考虑粘性塑料粘度造成的障碍。目前,仍有一些障碍在使用流变参数来描述实际工程中混凝土的泵送能力。

根据流体力学,速度(由放电率转移实际中常用的混凝土泵送)影响混凝土流是最显著的因素。结合之前的灵敏度分析,讨论了放电率和塑性粘度这部分。有三种弯曲管道混凝土泵。他们在30°、45°和90°。90°弯曲管的压力损失(见图7)讨论了塑性粘度和放电变化,因为它是最实际工程中使用的类型。三轴代表压力损失、塑性粘度,分别和放电率。可以看出,压力损失增加与塑性粘度或放电率。放电率轴的斜率突然比塑性粘度的轴。也就是说,放电对压力损失的影响更显著的塑性粘度仅从数学的角度来看。然而,他们是不同的,如果物理意义也考虑在内。即放电和塑性粘度同时应该考虑在压力损失计算。此外,90度弯管的压力损失接近直管的条件下同样有影响力的参数设置。它声称没有突然改变弯管这是不同于普通的代码。

3.2。方法验证

3.2.1之上。项目概述

上海塔,高632米,是中国目前最高的建筑。它还为混凝土泵带来了巨大挑战。一边,混凝土流能力应该足够高,以确保混凝土可以达到其最终身高;另一边,凝聚力应该足以避免种族隔离在混凝土泵。

根据具体的性能和结构特点,混凝土应力等级沿着垂直方向变化。自密实混凝土(SCC)是最好的选择,如果经济因素可以忽略。高工作性混凝土(中国)也使用合理经济的考虑。实际的建设对不同高度如图8。压力和流量记录同时进行比较分析。

3.2.2。原位压力测量

混凝土施工期间在上海塔,最高压力泵(如图9)是在中国使用。压力测量的记录的仪表板固定泵;混凝土泵送压力是根据特定的转换规则。有三个指示板在一个泵。他们鼓动压力,转换压力,和主系统的压力。主系统压力表示压力传达了材料到目标位置,而其余的压力主要反映了泵的动态性能。混凝土泵的压力是一个相对压力值,这是进口和出口之间的压力差的泵系统。出口的压力假定为零。实际的混凝土泵送压力可以通过乘以一个功效的主要系统压力系数。混凝土泵送流量及其当场抽时间也被记录了。 Another key factor, discharge rate, is obtained by a mathematical division operation, for the concrete appears as constant flow in this study. By this method, the original information is obtained during the pumping process.

作为本研究主要关注的是超级高层混凝土泵,泵的泵信息收集高度超过94米。主要的C70和C60混凝土等级。压力包括混凝土压力和三个不同高度的主要系统压力记录间隔,而泵流量也同时收集。

泵送高度注意力多集中在超级高层混凝土泵。因此,压力变化规律以及泵送高度讨论了这个项目。主要系统压力和混凝土压力如图10。整个图可以分为三个部分根据泵送高度和混凝土强度等级。它可以注意到,有一个高正相关的主要系统压力和混凝土之间的压力。当泵送高间隔变化从94∼164到240∼310,大幅增加的压力。奇怪的是,身高增长的压力显然并不会增加从240∼310间隔540∼590米。这主要是因为,放电减少低于45米³/ h(见图11)。相反,他们减少高度增长如243米的身高和250米的高度。一个合理的解释是,压强乘以影响因素除了高度。只能也不断减少的压力减缓排放或减少塑料粘度随着高度的增加。换句话说,它必须考虑所有的因素,当压力法。

3.2.3。比较分析

基于前面的分析部分2混凝土泵的压力损失主要包含两个部分,重力作用造成的压力和压强沿注入管道。根据输送管类型,后者是进一步分为压力损失的直管和弯管造成的。(所示的计算公式是9)。压力计算的关键因素(压力损失)。压力损失的计算长度的直管、弯管的压力损失是其获得的数字。压力损失系数影响流变参数、流量、管径、管类型。具体系数及其影响因素之间的关系是由仿真部分3.1。然后,根据压力值可以计算在上海塔泵送施工原始信息。检查该方法的合理性,与现场实测数据对比分析在以下部分: 在哪里代表了压力值(MPa),h表示泵送高度(米)p是代表密度材料的固有性能(公斤/米³),l反映了管道的总长度(米)。是直接管的压力损失系数(MPa / m)代表了压力损失系数的直管弯管;= 1,2,3,代表90°、45°和30°,分别(MPa)。最后,反映了弯曲的数字。

相关系数仅仅是流变参数和放电率条件下,管道直径是固定的。根据流变参数的灵敏度分析,塑性粘度在压力损失起着主导的作用。流变仪叫ICAR的流变学性能测试进行相同的混凝土搅拌的比例,在这个项目。塑料粘度增加而衰退减少。它改变了从40 Pa·70 Pa·年代,当最初的衰退是600毫米左右。它始于35 Pa·结束55 Pa·年代,虽然最初的衰退是700毫米左右。不幸的是,它没能找到一个定性的关系。因此,塑性粘度采用平均值的压力损失计算。适当调整经济衰退是基于实际的泵。在区间(243∼304),经济衰退减少到600毫米,虽然它扩大到700毫米高度间隔(546∼582)。最后,塑性粘度的计算值是作为55 Pa·s高度间隔(243∼304),这是45 Pa·s高度间隔(546∼582)。其他参数如表所示2根据项目信息。除此之外,有四个弯曲管道90°和两个弯管45°。

为了简化压力损失计算,绘制控制图的仿真结果。的系数可以很容易地获得如果塑性粘度和放电都预知。塑性粘度和排放的目的是根据十项,采取线性插值处理nondecimal值在实际混凝土泵。把243米的混凝土泵送高度水平为例,其塑性粘度和放电55 Pa·s和65米³分别/ h;然后系数的平均值可以的情况下(50 Pa·年代,60米³/ h) (50 Pa·s, 70米³/ h) (60 Pa·年代,60米³/ h)和(60 Pa·s, 70米³分别/ h)。这是0.026625 MPa / m,而90°弯曲系数和45°角是0.028975 MPa和0.01995 MPa,分别。然后,可以通过压力损失(9)如下:

通过这种方式,所有的压力在不同高度计算。结果记录在表2。反映的相对误差计算值的准确性了

从表可以看出2之间的相对差异错误计算值和测量值可以分布在13%;他们中的大多数在6%。但仍有例外等压力在这种高度250米,272米,299米和574米。它可以得出结论,该方法是合理的泵送压力计算混凝土超高楼抽水。压力的计算值一般小于塑性粘度的测量的,因为计算值和测量之间的区别。塑料粘度的压力应该是一个常量值计算,虽然会增加由于水泥水化和压实期间实际的混凝土泵送压力。因此,计算不考虑非线性塑性粘度的变化会导致这种消极的区别。它仍然保持一个可接受的规模条件下混凝土泵送施工的混凝土可泵及时,这意味着新鲜混凝土泵没有太长时间延迟后到来。进一步的研究仍然是确实需要考虑混凝土非线性塑性粘度变化的影响。不幸的是,它是不可能直接测量塑性粘度。 Its actual change is hard to judge during the pumping process. In a word, it still needs much effort to form a calculated method with high accuracy.

之间的相对差异测量压力和泵的计算值显示出巨大差距高度在250米,272米,299米,和574米,最大的问题就是30.80%。不准确的塑性粘度值或放电率值会导致这个问题。我们都知道,放电率可以直接记录,而塑性粘度设置坍落试验。因此,它是明确的,不合理的塑性粘度值会导致压力计算失真,也可以由工程师确认的记录。很难保持混凝土的塑性粘度统一为不同批次相同的混合比例。混凝土的坍落试验波动不同的批次。因此,塑性粘度可以根据实际情况调整。咨询混凝土泵送记录后,发现这些批次的衰退正接近700毫米的混凝土被用于泵送高度在250米,272米和299米。原来的塑料价值高估了;然后调整到40 Pa·s。 New calculated pressure is obtained; all the relative differences can be controlled within 6%. As for the pressure relative difference at 574 m height, it is mainly caused by underestimating the plastic viscosity. It is a consensus that a low discharge is adopted for high plastic viscosity concrete. The actual discharge rate is only 21 m³/小时。因此,塑性粘度增大到55 Pa·s根据其衰退。新计算值之间的相对差异,测量一个是7.3%,可满足施工需求。一句话,简化了压力的方法,确定泵流量的压力损失系数和塑性粘度,是合理的,可以估算混凝土超高楼泵的泵送压力损失在可接受的误差范围之内。

3.2.4。建议的计算

工程师们进一步加深印象,简化压力计算方法如图12。考虑到原始方法的不足,是退还的基本力学分析新方法。从图可以看出,重力引起的压力损失可以由混凝土密度和泵的高度。整个管的压力损失系数和可获得的管道参数。系数是由塑性粘度和泵排放在一起。也就是说,混凝土超高楼泵的压力损失很容易估算方法如果这些参数(参见图11)确定。

给出一些建议来提高其施工应用程序,因为该方法应密切结合的项目经验。放电的新鲜混凝土与项目进度有很强的关系。它通常是一个常数值由计划安排。与具体的衰退相比,塑性粘度更为复杂。混凝土相同的混合比例,塑性粘度测量作为一个内部出现在一个固定值。混凝土在混凝土泵开始之前,准备工作在实验室中进行。塑性粘度可以同时获得。在实际的混凝土泵送,塑性粘度波动,因为不可控的因素。因此,它将导致估计压力之间的差异和实际的价值。因此,塑性粘度区间给出估计的压力。 Its upper limit is determined by a 10 percent increment for the measured plastic viscosity, while its lower limit is 10 percentage decrements on the measured one. By this means, a reasonably estimated pressure is determined to guide the concrete super high-rise pumping construction.

4所示。结论

随着压力计算方法不再适用于混凝土泵在当前的代码,一个简化的计算方法,结合原位混凝土泵送压力测量和计算流体动力学(CFD)建立仿真。可以得到以下的结论:(1)本文开发的简化方法可以应用于预测在超级高层注入情况下泵送压力。之间的相对偏差计算压力损失和压力损失记录原位可以控制在13%以内。这个方法的关键因素是压力损失系数,这是由插值根据放电率和塑性粘度。(2)压力损失系数是通过计算流体动力学(CFD)模拟。在仿真过程中,准备在润滑层面积比那块区域加密的5倍,阻止部分由拓扑优化方法。仿真结果表明,这种方法可以进一步用于混凝土泵送压力计算。(3)一个方便的混凝土泵为工程师在实际项目指导声称。工程师可以评估混凝土泵送压力提前根据塑性粘度测试和混凝土泵送前的计划注入放电。如果意外事件发生在实际混凝土泵送,工程师还可以调整塑性粘度或泵送流量根据这一指导。还有一些简短的问题需要进一步研究。现场测试技术对混凝土泵应该更加关注抓住真正的厚度润滑。迫在眉睫的是收集更多的数据从其他项目,比如上海塔优化这个简化的方法。

数据可用性

在研究过程中所使用的数据集和分析包括在手稿中。

附加分

突出了。(1)提出了一个简化的计算方法预测泵送压力。(2)沿管道压力损失主要是由混凝土的塑性粘度和放电率超级高楼抽水。(3)模拟考虑润滑层获得高精度拓扑网状截面。(4)计算泵压力测试值具有很好的一致性,而且在超级高层建筑现场。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢工程师们从上海建设集团为他们宝贵的压力数据,尤其是吴Delong和建达陈。这项工作是支持的开放基金的创新可持续海上建筑研究和技术研究所(iSMART),青岛科技大学(没有。2020 - 031)。