Fluid-Structure Coupling Analysis of Vibration Absorber Bracket for Concrete Pumping Pipe
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摘要: 本文基于Workbench软件建立了泵送混凝土模型，运用流固耦合技术进行了混凝土泵送管道和支架的整体有限元数值仿真模拟，并对泵送过程中不同减振支架刚度下的支架底座进行了静力和动力特性研究。仿真结果证明，本文方法能够对管道支架的受力情况进行更为精准的数值模拟。计算结果表明，改进支架减振装置，可以达到缓解混凝土泵送系统工作过程中产生的振动和减小对主体结构的不良影响的最佳综合效果。本文研究结果在六安高台小区安置房项目等工程上得到了成功应用。Abstract: In this paper, a pumping concrete model was established based on Workbench software. The finite element numerical simulation of the concrete pumping pipe and bracket was carried out by fluid-structure coupling technology. The static and dynamic characteristics of the bracket base under different stiffness during the pumping process were studied. The simulation results show that the method presented in this paper can carry out a more accurate numerical simulation of the force of the pipe bracket. The calculation results show that the best comprehensive effect can be achieved by improving the vibration absorber bracket to alleviate the vibration of the concrete pumping system and reduce the negative influence on the main structure. The research results of this paper have been successfully applied in Lu′an Gaotai community resettlement housing project and other projects.
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引言
在高层建筑的施工过程中会大量使用混凝土泵送系统进行混凝土浇筑。高层建筑混凝土泵送系统在工作时，会对管道产生附加的不平衡推力，产生剧烈的振动，并伴随冲击和噪音，影响主体结构质量，甚至造成质量安全事故。
为分析上述问题产生的机理，本文对管内、管体和支座进行了整体流固耦合建模，结合施工项目的实际情况，针对混凝土泵送系统减振支架进行研究，采用减缓泵管振动最简单、最直接的管外减振支架措施。在管道与支架间增加一层柔性橡胶，形成一种新型的减振支架。既能保证高层建筑混凝土泵送管道安全性，又能减小对主体结构的不良影响从而提升主体结构质量。
本文采用数值计算方法建立了泵送管道和减振支架的计算模型，针对管道弯管及支架受力问题，考虑管道输送混凝土—管壁结构—支架整体作用体系，利用流固耦合分析方法，对其泵送过程中的混凝土流动特征，流动产生的粘性力、压力等对管道的影响以及对不同减振支架减振刚度下的支架底座应力进行了静力和动力特性研究，研究了弯管管道和支架在考虑流动的预加载作用下的整体模态特征。该研究工作为泵送混凝土施工减振降噪提供了理论依据，并为主体结构的安全提供重要的技术支撑。
计算结果在六安高台小区安置房项目等多个工程上成功应用。应用结果表明，减振支架可以有效降低支架底部的应力，有利于保障主体结构的施工质量。
1. 技术路线
管道系统的流固耦合问题的研究一直是热点问题，近年来随着仿真技术的发展，许多专家学者开始利用大型商业软件对管道系统进行计算[1-3]。本文基于Workbench软件建立了泵送混凝土动力学模型，对管道内流体和管道结构及支撑系统建模，进行考虑流固耦合的模态分析及动态响应的有限元分析。结合建立的数值计算模型，计算中分为管道内流体计算、管道内混凝土—管壁结构荷载转换、管道与支架体系3个计算分析步骤。计算过程中考虑混凝土流体与管道系统之间耦合作用，流体计算考虑流体粘性力、体积力、惯性力、压力等影响，建立N-S方程，用时均法分析流体的流动特征，再把流体载荷插值到管道内壁，建立考虑预加载下的管道系统模态分析，并通过模态分析讨论不同橡胶减振刚度对支架内力的影响。结构在泵送压力周期性变化下产生的振动，通过对带激励源的振动微分方程，采用直接法计算，考虑管道系统的支撑形式、转动惯量以及管道重力等因素的影响以及支架刚度变化带来的影响。
由于管道变形微小，对内部流动的影响小，实际操作中可以采用单向流固耦合。先在几何模块中建立几何模型，再划分网格单元，流固之间的载荷在耦合界面上可实现自动传递。在ANSYS中分别创建管道和流场的单元，分别将划分好的单元导入各自的软件，然后进入Fluent模块中求解计算，最后将计算结果以荷载的形式预加载到管道和支架上。最后进行求解，得到管道和支架的应力、应变及流速迹线图。
2. 减振支架
减振支架的目的是减少泵送管道和主体建筑结构之间的传递。为使管道振动得到有效消除，在刚性支架上增加橡胶减振垫，这种减震方式具有成本小、易安装等优点。详细构造参见图 3。安装了橡胶减震垫的减振支架可以达到缓解混凝土泵送系统工作过程中产生的振动和减小对主体结构的不良影响的最佳综合效果。
橡胶减震垫具有高弹性和粘弹性，具有良好的阻尼特性。固有频率低，隔振缓冲和隔声性能好，内部摩擦大，减震效果好，有利于越过共振区，衰减高频振动和噪声，对吸收泵管传来的高频振动的能量较突出，可以满足不同方向的刚度和强度的要求。
减振支架设置了橡胶减振垫，在布设水平泵管时先将减振支架放置在模板上，再将泵管架设在橡胶减振垫上，这样可将泵管与楼面钢筋完全隔离开，泵送混凝土时泵送的冲击力可被支架完全吸收，避免了产生的振动对模板支撑稳定性的破坏；同时解决了泵送混凝土时水平泵管产生的冲击荷载对楼面层钢筋的破坏和产生的振动对模板支撑稳定性产生影响两大问题。
3. 数值模拟
本文截取一段带弯管的水平和垂直段研究。弯管结构采用有限元分析，管内混凝土采用有限体积法。用Workbench软件考虑流固耦合，流体采用N-S方程计算。管道及支架采用静动力两种计算方法。
3.1 几何模型
泵送混凝土输送管采用高压管，截取弯管和两个支架为混凝土泵送管道有限元计算模型，管外径165.2mm，内径155.2mm，壁厚5mm，水平段长度750mm，垂直段500mm，转弯段半径为0.75m的1/4弯管，泵管卡箍宽度100mm，卡箍与与主体结构连接处为固定连接，管道与卡箍之间考虑为带微小摩擦约束。在水平泵管和垂直管道中部固定。施工中支架的间距一般为3 m左右，每根泵管下至少有1个固定支架。
材料参数：钢材为Q345b，密度7 850kg/m3，弹性模量210GPa，泊松比0.3。减振橡胶垫层的泊松比为0.49。
3.2 数值计算模型及边界条件
对于新拌混凝土泵送过程中微观作用机理的研究，国内外很多学者从流体力学的角度进行了新拌混凝土力学行为的分析[6]，这方面的研究很大程度上帮助解决了泵送过程中出现的一些问题。混凝土的数值分析模型主要有三种：悬浮液、颗粒流、单相流体。悬浮液和颗粒流均为多向流，利用欧拉模型或拉格朗日方程，可以考虑混凝土配比不同颗粒尺度之间和流体的相互作用，单向流实际考虑了混凝土的材料配比和密度，但把复杂成分认为是均质流动，这样可以简化计算模型，减少计算量，本文即采用这种方法，粘性系数考虑0.1~2Pa ·S。由于在泵送前会先用润滑油清洗，认为可增加润滑层，降低混凝土和壁面的摩擦阻力，所以有文章设定为层流流动，本文考虑到泵管连接方式一般为法兰盘对接，之间会产生高低不平度内流干扰，同时雷诺数
$\mathit{Rex = }\frac{{\rho vD}}{\mu } > 2\;300$ ，混凝土密度在2000~2 800kg/m3，假定输运速度为2m/s，管道内径155.2mm，采用湍流模型。荷载边界条件主要由重力荷载及流体压力边界条件组成，几何边界条件主要涉及支架底座，考虑其固定于主体结构不可移动，因此下底面采用固支边界形式，约束6个方向位移，如图 4所示，计算模型中共有两组主要接触面，其一为流体与管道间的流—固界面，其二为支架与主体结构间的固体界面。
3.3 计算过程
采用ANSYS Mesh进行网格划分，如图 5~6所示，尽量使用六面体单元，分别划分流体域和固体域网格，在流固交界面网格设置加密的边界层，振动响应问题时需综合考虑计算时间和精度。
在流体模型中考虑质量方程、动量方程和湍流方程，不考虑热能传递的影响，将入口速度设置为2m/s，出口设置为10×101.325kPa，且随时间周期性变化，频率20Hz。
对于结构部分考虑了几种情况：
1) 单独管道，两端固支；
2) 卡箍下支撑为刚性，考虑弹性模量E=210GPa，两端自由；
3) 模拟管道下部低刚度柔性支撑，卡箍下支撑低弹性模量E=2GPa；
4) 采用橡胶垫模型，两边刚性支撑，中间橡胶模量E=2GPa；
先在静力模块中进行静强度分析，得到管道和支架的变形、应变和应力。对加载流体力作用下的预应力模型进行模态分析，对比不同结构形式模态参数的差异，最后进行了瞬态结构响应分析。
4. 计算结果及分析
4.1 泵送混凝土流动特性分析
入口速度2m/s，出口压力为1MPa，定常分析时流管内压力分布和速度分布图如图 7~8所示。由于在弯道处速度矢量变化大，流线发生弯曲、扭转，管道外侧压力会大于内侧，靠内侧局部出现低压区。管道内载荷力的分布也极不平衡，主要由弯管部位产生，水平段和垂直段在水平速度冲击下载荷不大。
4.2 不同结构的模态分析
对情况a单独管道和情况b的钢支撑、情况c柔性支撑3种形式结构，考虑有水压下的模态进行分析，前6阶自振频率结果如表 1。可以看出：当管道为整体结构，没有法兰盘连接，两端固支时管道自振频率最高，当用卡箍刚性支撑在支架上，管道自振频率会随着连接形式而降低，假定卡箍下部连接部位采用柔性支撑后，结构整体自振频率最低，一阶自振频率由119.32 Hz降低到19.501 Hz。所以支撑对结构的响应影响很大。
表 1 3种结构形式下自振频率情况a 情况b 情况c Mode Frequency[Hz] Frequency[Hz] Frequency[Hz] 1 119.32 31.91 19.501 2 302.31 89.388 74.083 3 330.87 143.72 110.35 4 616.57 179.75 130.9 5 617.23 272.01 200.07 6 666.46 275.96 202.84 图 9为情况c下前3阶振型，分别为绕支撑的扭转、摇摆模态，后3阶为以上下拉伸和管道的呼吸模态为主。
4.3 静动态响应分析
考虑柔性支撑影响，情况c条件下结构流固耦合下的静强度分析结果如图 10。弯管中心部位变形最大，和刚性支撑比较变形增大，应力最大处为柔性支撑根部，同时应力传递到支架根部，垂直段工字型支架钢板上应力略高于水平段。2个支架底座承受泵送管道传递的力和力矩作用，如表 2。
表 2 支座反力和力矩Force Reaction Moment Reaction Force Reaction 2 Moment Reaction 2 X Axis -984.38 N 72.705 N·m 1 730.4 N 0.882 72 N·m Y Axis 70 602 N 0.91199 N·m 414.6 N 74.652 N·m Z Axis 373.36 N 196.15 N·m 369.75 N 13 163 N·m Total 92 641 N 681.9 N·m 1 789.3 N 29 797 N·m 根据以上对管道和支架体系进行的数值计算结果表明：单纯考虑支撑结构的刚度降低，反而会使得系统的一阶频率下降很大，结构受力在柔性支撑根部最大，导致管道变形也增大，不利于结构应力设计；相反如果在保证支撑刚度条件下，增加中间的橡胶垫环节，可以吸收管道的振动能，同时支架底部传递给主体结构的内力逐步减少。改进支架减振装置，可以达到缓解混凝土泵送系统工作过程中产生的振动和减小对主体结构的不良影响的最佳综合效果。
随着减振橡胶垫层刚度的降低，相同荷载作用下的减振支架下部应力呈递减趋势，主体结构的应力相应逐步减小，且减幅明显。降低减振橡胶垫层刚度，其各向应力呈降低趋势，最大拉应力降幅较为明显。当减振橡胶垫层弹性模量增大时，支架底部应力有增大现象。计算结果表明，减振橡胶垫层弹性模量不应太大，可兼顾泵管、减振橡胶垫层、支架等各项力学性能指标。
5. 结论
本文针对弯管和支架受力问题进行了研究，通过流固耦合数值计算方法分析了不同减振刚度情况下支架体系结构静动力响应，并讨论了其不同工况下频率特性和对主体结构的影响。
仿真结果证明，本文方法考虑了流固耦合及管道支撑的各种形式，对管道支架的受力情况进行的模拟更为详细和准确。计算结果表明，改进支架减振装置，可以达到缓解混凝土泵送系统工作过程中产生的振动和减小对主体结构的不良影响的最佳综合效果。减振支架可以有效地保护主体结构，避免在泵送混凝土时输送管对主体结构的冲击及振动，保障了主体结构构件浇筑质量。
本文为混凝土泵送系统减振降噪提供了一种优化方法，在保证高层建筑混凝土泵送管道安全性的基础上，避免了对已建结构的不利影响，保证了主体结构的质量。本文研究结果在六安高台小区安置房项目等工程上得到了成功应用。
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表 1 3种结构形式下自振频率
情况a 情况b 情况c Mode Frequency[Hz] Frequency[Hz] Frequency[Hz] 1 119.32 31.91 19.501 2 302.31 89.388 74.083 3 330.87 143.72 110.35 4 616.57 179.75 130.9 5 617.23 272.01 200.07 6 666.46 275.96 202.84 
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表 2 支座反力和力矩
Force Reaction Moment Reaction Force Reaction 2 Moment Reaction 2 X Axis -984.38 N 72.705 N·m 1 730.4 N 0.882 72 N·m Y Axis 70 602 N 0.91199 N·m 414.6 N 74.652 N·m Z Axis 373.36 N 196.15 N·m 369.75 N 13 163 N·m Total 92 641 N 681.9 N·m 1 789.3 N 29 797 N·m
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