混凝土泵送阻力的研究与计算

2011-09-07   中国·YongHu.cn   来源:    作者:

张声军1  杨新华2
(1.中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院;2.三一重工股份有限公司)
 

[摘要]本文基于对泵送混凝土的流体力学分析,对国内现有混凝土的泵送阻力计算方法进行了修正,使之与实测阻力更为吻合,并使计算过程更为简化,对混凝土泵送工程具有重要应用价值。

[关键词]混凝土泵送;阻力计算;倾斜管道
 
1 研究背景
    施工前计算砼的泵送阻力是砼泵选型的一项重要工作。目前国内工程技术人员一般都是根据JGJ/T10《混凝土泵送施工技术规程》推荐的方法进行计算的。
    JGJ/10-95相关条文对总体泵送阻力未提出直接的汇总计算公式,但相关条文已经形成完整的理论体系,工程技术人员在应用时需整理和融合一下,一般按照下述步骤进行:
    1)根据JGJ/10-95表5.1.2将垂直管道、倾斜管道、弯头、锥管和软管折算为水平管道。
    2)根据S.Morimaga公式计算单位长度的水平管道压力损失。
    3)根据折算水平管道总长度与单位长度的压力损失之积计算得到主泵送阻力。
    4)计算砼泵其余部分的附加泵送阻力。
    5)计算主泵送阻力与附加泵送阻力之和,得到总体泵送阻力。
    在上述计算过程中,表5.1.2将垂直管道、倾斜管道直接按一定比例折算为水平管道,存在着较大的估算误差,而垂直管道、倾斜管道占有主导影响作用,可以根据现有流体力学理论对该部分计算进一步精确化。
2 倾斜管道的泵送阻力分析
    现对倾斜管道的泵送阻力分析如下。
    根据流体力学原理,倾斜段的泵送阻力可以分解为重力压头损失和沿程阻力损失两部分,即倾斜段的阻力损失为: 
    PX=P2-P1=PG+Pf                       (1)
式中  PX—倾斜段的阻力;
      PG—重力压头;
      Pf—沿程阻力;
其中沿程阻力损失同样适用S.Morimaga公式,故倾斜段的阻力损失公式可用下式计算:
      PI=(ρgh+ΔPHL)/106                     (2)
式中  PI—倾斜段的阻力,Mpa;
      ρ—砼密度,可取2500kg/m3
      g—重力加速度,可取9.8m/s2
      h—倾斜管道垂直高差,m;
      L—管道长度,m;
      ΔPH—根据S.Morinaga公式计算的每米沿程阻力损失,Pa/m。
上文提到的S.Morinaga公式如下:
      ΔPH=2/R[K1+K2(1+t2/t1)V]α                (3)
其中  K1=300-S                                (4)
      K2=400-S                                (5)
式中  ΔPH—砼在水平输送管内流动每米产生的压力损失,Pa/m;
      R—砼输送管半径,m;
      K1—粘着系数,Pa;
      K2—速度系数,Pas/m;
      S—砼坍落度,mm;
      t2/t1—砼泵分配阀切换时间与活塞推压砼时间之比,当设备性能未知时间可取0.3;
      V—砼拌合物在输送管内的平均流速,m/s;
      α—径向压力与轴向压力之比,对普通砼取0.90。
3 垂直管道的泵送阻力分析
    垂直管道相当于倾角为90°的倾斜管道,其垂直高差等于管长,故根据(2)式,垂直管道的泵送阻力PV
    PV=(α g+ΔPH)L/106             (6)
4 泵送阻力计算总公式
    根据上述分析,砼泵送的总体阻力损失可以用下式计算:
                        P=(L+Le)+α gH+Pf              (7)
式中  L—从砼泵锥管出口计起的管道沿程总长度(不包括出口胶管长度),m;
      Le—弯头、锥形管和末段软管等结构按阻力等效原则折算的水平管长度(可按表1折算),m;
      H—砼泵送总高度;
      Pf—截止阀、分配阀及泵体起动内耗产生的压力损失和,当设计单位未掌握准确资料时各项可参照表2取值。

1 水平管折算长度

管类别 换算单位 管规格 水平换算长度(m)
锥形管 每根 锥形变化(mm) 175-150
150-125
125-100
4
8
16
弯管 每只 弯曲半径(mm) 500
1000
2β/15
0.1β
末端软管 每根 长3m~5m 20

注:表中β为弯管的弯折角度(β≤90°)

 2 内耗产生的压力损失值

序号 部件名称 单位 压力损失(Mpa) 备  注
1
2
3
起动内耗
分配阀
管路截止阀
/

1
0.2
0.1
统计值,不同品牌产品可能存在差别。

3 实测数据和计算结果对比

测试位置 垂直高度(m) 水平距离(m) 90°弯头(个) 45°弯头(个) 平均坍落度(mm) 砼泵排量(m3) 实测泵送压力(Mpa) 原方法计算压力(Mpa) 本文方法计算压力(Mpa)
1
2
3
4
230
340
414
492
120
120
120
120
12
14
16
16
2
2
2
2
180
180
200
200
41.7
51.3
51.3
48.1
12.5
16
19
20
13.9
21.5
22.7
24.9
12.2
17.3
19.2
21.6

5 工程算例
    现以上海环球金融中心泵送砼工程为例对两种算法进行对比验证,该工程采用三一重工的砼输送泵进行施工,砼强度等级为C40~C60,输送管实际内径128mm。
    两种方法计算结果及实测施工数据对比如表3,从表中可见按本文方法计算压力更接近实测压力。
6 结语
    1)本文基于对泵送砼的流体力学分析,将垂直管道、倾斜管道泵送阻力的计算准确度大大提高。
    2)本文提供的方法不需分别计算每段管道的倾斜角,只需取得泵送高度和管道沿程长度即可计算,大大简化计算过程。
    3)从工程经验来看,S.Morinaga公式在计算C60以下砼阻力时,与实际情况吻合较好,但在计算C60以上高强度砼阻力时与实际情况可能存在较大差异,并且其规律目前尚无权威结论。因此计算高强砼泵送阻力应先采用实验方法预先测定每米沿程阻力损失、取得ΔPH 值,再应用公式(7)计算。
    4)笔者在修订JGJ/10-95的过程中暂未将本研究成果纳入,惟恐有疏漏之处,诚请各方专家对本文予以批评指定,以便完善本理论,从而为下次修订提供可靠依据。
 


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