（材料学专业论文）特大型钢管混凝土拱桥的砼配制及施工技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁建筑发展的新技术，具有自重轻、强度 大、抗变形能力强的优点。它较好地综合满足了修建桥梁所需求的用料省、安 装重量轻、施工简便、承重能力大的诸多要求，是大跨度拱桥的一种比较理想 的结构形式。 国外关于钢管混凝土结构的研究与应用己有近百年的历史，而国内则是从 2 0 世纪5 0 年代开始研究，进入9 0 年代以来，钢管混凝土作为一种新型的组合 材料，由于其力学性能非常适合拱式结构，所以在桥梁工程领域得到广泛应用 和迅猛发展。本文主要研究大跨度钢管混凝土拱桥的钢管混凝土配制与施工技 术，主要内容如下： 首先，在简要论述了钢管混凝土拱桥泵送高性能混凝土所需满足性能的基 础上，详细讨论了泵送钢管混凝土主要材料的功能及实际工程中对原材料的技 术要求，得出了泵送钢管混凝土配合比设计主要参数的控制范围，并进行了试 验研究。同时，探索应用人工神经网络对钢管混凝土的自密实性能进行评估的 可能性，利用钢管混凝土密实性试验的结果，训练一个三层b p 神经网络，进行 了钢管混凝土的自密实性能进行的评估，预报值和试验值吻合良好。 其次，在介绍钢管混凝土结构的基本性能和钢管拱桥结构与构造的基础上， 以在建的支井河特大桥为背景，对钢管混凝土拱桥的施工技术进行了探讨。 最后，以计算机模拟为研究手段，利用f l u e n t 软件的前处理模块g a m b i t 对钢管拱进行几何建模与网格划分，并用f l u e n t 软件进行数值计算，采用湍流 流动模型，对钢管拱中的混凝土的流动特性进行了较系统研究。 关键词：钢管混凝土，钢管混凝土拱桥，配合比设计，施工工艺，b p 神经网络 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , s t e e l1 u b e c o n f i n e dc o n c r e t ( s t c c 、a r c hb r i d g e sh a v eb e c o m e an e wt e c h n 0 1 0 9 yo ft h eb r i d g ec o n s t r u c t i o ni nr e c e n ty e a r s i th a st h em e r i t so fl i g h t d e a d w e i g h t g r e a ts f f e n g t ha n ds t r o n gd i s t o r t i o n - r e s i s t a n tc a p a c i t y i t 啪p r e f e r a b l y s a t i s f yr e q u i r e m e n t ss u c ha st h em a t e r i a l sf o rc o n s t r u c t i o na r cs a v i n g , e r e c t i o nw e i g h t i sl i g h t ，t h ec o n s t r u c t i o ni ss i m p l e ，a n db e a r i n gc a p a c i t yi sg r e a t i ti sak i n do fm o r e i d e a ls t r u c t u r ef o r mf o rl o n g - s p a na r c hb r i d g e s t h er e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n sa b o u ts t c cs t r u c t u r eh a v eb e e nt a k e na b o u t o n eh u n d r e dy e a r si nt h ew o r l d b u ti nc h i n at h er e s e a r c h e sh a v eb e e nt a k e ns i n c e 1 9 5 0 s s i n c e1 9 9 0 s ，a san e w - s t y l ec o m b i n e dm a t e r i a lw i t hf a v o r a b l em e c h a n i c a l b e h a v i o u rf i tf o ra r c hb r i d g e s s t c ch a sb e e ng e t t i n gb r o a da p p l i c a t i o na n dr a p i d d e v e l o p m e n t t h er e s e a r c hi n t h i st h e s i si sc o n c e n t r a t c do nt h em i x t u r ep r o p o r t i o n a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h es t c co fs t c cl o n g - s p a na r c hb r i d g e s 1 h em a i n c o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： f i r s t ，o nt h eb a s eo fm a i np e r f o r m a n c et h a th i g h p e r f o r m a n c ep u m p e dc o n c r e t e 0 fs t c ca r c hb r i d g e t h ef u n c t i o no fp r i n c i p a lm a t e r i a l so fp u m p e ds t c ca n dt h e t e c h n i c a lt e r m si nt h ea c t u a lp r o j e c tw a sd i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ec o n c l u s i o no f c o n t r o lr a n g eo fm a i np a r a m e t e r sw a sd r a w na n dal o to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a s b e e nd o n e i nt h es a m et i m e ，t h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gn e u r a ln e t w o r k st oe v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h es e l f - c o m p a c t i n gs t c ci si n v e s t i g a t e d at h r e e 1 a y e r b a c k p r o p a g a t i o nn e t w o r ki st r a i n e du s i n gt h es e r f - c o m p a c t i n gb e h a v i o re x p e r i m e n t a l d a t ao ft h es e l f - c o m p a c t i n gs t c ct op r e d i c tt h ed u c t i l i t yo ft h es e l f - c o m p a c t i n g s t c c 1 n h ep r e d i c t e dr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h et e s tr e s u l t s s e c o n d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sd e t a i l e d l yt h ee s s e n t i a lc a p a b i l i t yo ft h es t c ca n d t h es t r u c t u r eo fs t c ca r c hb r i d g e a i m i n ga tz h i j h a gr i v e rb r i d g e ，a n db a s e do nw h i c h t h i sp a d e ra l s od i s c u s st h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h es t c ca r c hb r i d g e f i n a l l y , i nt h i sa r t i c l e t h ep r e p r o c e s sm o d u l eg a m b n o fs o f t w a r ef i e n t w a s u s e dt ob u i l dt h ei m p r o v e dm o d e l s t h r b a l e n tf l o wm o d e lw a su s e dt os e tu pt h e n u m e r i c a lf l u i dd y n a m i c a lm o d e lo fs t c c ，a n dt h o s em o d e l sa r es i m u l a t e db v 凡u e n t k e yw o r d s ：s t e e lt u b e - c o n f i n e dc o n c r e t e ，s t c ca r c hb r i d g e s ，m i x t u r ed e s i g n ， c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , b a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( 注：此页内容装订在论文扉页) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 1 1 1 钢管混凝土的概念 钢管混凝土是在钢管中填入混凝土而形成的一种组合结构。按截面形状钢 管混凝土分为圆钢管混凝土、方钢管混凝土及多边形钢管混凝土“”，其中圆钢 管混凝土和方钢管混凝土较为常用。 不同形状的钢管对混凝土的约束作用的大小不同。圆形钢管对混凝土的套 箍作用强，结构承载力大，而钢管之间的连接较难，因此较少用于房屋建筑中， 一般用于大跨径结构中。方形钢管对于混凝土的约束作用较弱，但是相互之间 的连接较为容易，因此一般用于房屋建筑中。 钢管混凝土在国外有两种名称伽，一种是s t e e lt u b e c o n f i n e dc o n c r e t e ( 钢管套箍混凝土，s t c c ) ，一种是c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ( 混凝土填心 钢管，c f s t ) 。这两种不同的叫法包括了不同种类的钢管混凝土。s t c c 是指钢管 对混凝土有较强约束作用的圆钢管混凝土，而c f s t 只表述了混凝土对钢管的填 充，它不仅包括了圆钢管混凝土，而且包括了钢管对混凝土约束作用较弱的方 钢管混凝土。本文所研究和讨论的钢管混凝土仅限于钢管混凝土拱桥中所用的 圆钢管混凝土。 1 1 2 钢管混凝土的特点 钢管混凝土在本质上属于三向应力混凝土“1 ，它具有非常优异的力学性能 蜘”1 ，钢管混凝土本质上属于套箍混凝土，因此，除具有一般套箍混凝土的强度 高、塑性好，质量轻、耐疲劳、耐冲击外，尚具有以下几方面的独特优点： ( 1 ) 钢管混凝土构件承载力高。钢管混凝土构件在承受轴压作用时，钢管 对混凝土产生紧限制作用，混凝土的强度大大提高，而钢管又能充分发挥强度 作用，构件的承载力高。实验研究和分析表明，钢管混凝土中的核心混凝土在 受压过程中由于受到钢管混凝土的限制作用，其抗压强度可提高一倍，整个构 件的承载力等于混凝土和钢管单独受力时承载力之和的1 7 - 2 0 倍。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 钢管混凝土构件具有良好的塑性和弼饿。混凝属予脆性材辩，丽且 其抗压强度越高，脆性越明显。而钢管混凝土的核心混凝土程爨压过程中由于 受到钢管的限制作用，其弹性阶段扩大，丽且破坏形式也向塑性破坏转化。 ( 3 ) 铜管本身裁憝摸叛，省去7 架设模板、参荤狳模板等鼍侉，缩短了羔嬲， 节省了施正材料，而鼠易于泵送施工。 ( 4 ) 钢管本身起划了钢筋的作用，它兼有纵向钢筋和横向箍筋的作用，而 且锈管剪以预先在工厂涮终，其锈翅蓬也程对予镧麓骨檠来说要少，毽鼗缀矮 了工期，节约了原材料。 ( 5 ) 钢管本身是勘性承重骨架，在施工阶段可起到劲性骨架的作用，而且 其焊接工作量较一般劲性骨架少，聚装质量轻，霹筒化施工安装工艺，节嚣脚 手檠，缩短工期，减多施工瑶途。 理论分析和工程实践都表明，姆普通钢筋混凝土结构相比，在保持用钢量 相近、承载力相同的条件下，钢管混凝土构件的横截面积可减小约一半，混凝 夔曩量及结稳蠡耋鞠澎霹减少绞疆分之五+ ，这对手大跨撩续魏特剐是犬跨 径桥粱来说，是一种最有效和最经济的结构形式。 1 1 3 钢管混凝土拱桥的发展 拱桥作为压弯结构，随着跨径豹增大，高强材料的应用受到稳定闯邀的制 约：而钢筋混凝土和预应力混凝土拱桥由于自重较大，施工架设问题突出。高 强材料的废用和无支絮施工的困难，制约了拱桥的发展。随者钢管混凝土绪梅 豹蠲氆，辩解决耪籍离强度窝藏工嶷絮静嚣大难邋，函瑟其跨越毙力较之镶筋 混凝土大许多，使古老的拱桥技术徽新焕发了生机。 2 0 世纪3 0 年代，法国和苏联曾将这种抗压性能优越的结构运用到拱式体系 撬粱中，鼗嚣戆稳当长蛙蘑夷，氆器菠嚣内霉毽浚毒骖建这耱类型戆拱式揆梁。 直至9 0 年代，随着我潮钢管混凝土结构研究水平豹提高以及一些设计规程的颁 布，钢管混凝土结构便在拱式体系桥梁中得到了迅速的推广应用。 1 9 9 1 霉建成了我阑第一座钢管混凝土拱桥一四川旺苍火桥“1 ，它为净跨 l l s m 豹下承式锈管混凝主系释揆轿，该耩豹建成粪有深远意义，它羯舞了我国 大规模修建钢管混凝士拱桥的序幕。自此以后钢管混凝土拱拼在我国公路和城 市桥梁发展迅猛，据不究全统计，刹2 0 0 3 年年底，我国己建和在建的钢管混凝 主揆辑蠢达2 。余座，其孛跨疫大予l o o m 熬骞5 0 余痤，跨径犬予2 0 0 m 熬霉2 0 2 武汉理工大学硕士学位论文 余座，跨径大于3 0 0 m 的接避l o 余座。表1 - 1 列出了近十几年来我国已建和在 建跨径程2 0 0 m 以上的锈管混凝土拱桥。 溷夕 瞧毒关于锈警溪凝生揆辏懿豢导，法瓣戆r n t r e n a s 耩”，羧魏跨径5 6 m ， 宽1 5 m ，在a 7 5 号公路主跨越g e r v a u d a n ，怒钢管混凝土空闯桁絮拱组合结构； 美国n e wd a m e na v e n u e 桥”】，拱肋跨径7 4 m ，为中承式钢管混凝拱桥，桥面 以上光风撑，造型简洁美观；捷克跨越b r n o - v i e n n a 高速公路的地方道路桥梁。1 ， 采用钢管混凝土结构，拱轴线采用半径为7 4 7 5 m 的圆弧，跨径为6 0 7 5 m 等。 毽慧戆来滋，嚣乡 骖建镄繁混凝摸耩戆数繁少，燕模，l 、，籀瓣嚣套我国谬建 钢管溉凝土摸桥技术已经达到国际先进求平。 表1 一l 我翻已建跨径在2 0 0 m 以上的钢管混凝土擞桥 建成 序号桥名跨径( m )结构形式矢跨比拱轴线形拱肋截面 年份 ，。嚣三岸邕 f 1 。1 6 7 l2 5 6孛承式 l 5 鞭篱衔式 l 譬孽8 江大桥悬链线 广州丫髻沙 m = 2 0 六舒桁式 2 3 6 0飞燕式1 4 5 2 0 0 0 大桥悬链线( 变商) 武汉汪汉三下承式剐 m = l 。5 4 3横醮铃形格 32 7 0l 届 2 轮 耩粲系耪摸悬链线式 湖北秭归青 m = t 1 6 7 4 2 5 6 中承式1 4四管桁式 2 0 0 0 干河大桥悬链线 武汉江汉五f 1 5 悬 52 4 0 飞燕式 l 5暇管桁式2 0 0 0 耩链线 霾庆梅溪河 62 8 8 中承式1 5悬链线蹬管桁式 2 0 0 1 大桥 浙江三门键二次抛物 横哑铃形桁 72 4 5中承式1 1 5 2 0 0 1 跳大桥线戏 濒江铜琵弱嫠垂二次 82 3 8串承式l 4 ，8 2翻管戆式 2 l 大桥抛物线 3 斌汉理工大学硕士学位论文 连徐高速泰群= 1 3 3平静隧逾形 9 2 3 5飞燕式1 4 2 0 0 1 杭运河大蟒悬链缆四镗糨贰 潮l 愚夔巍箍。7 $ 6 l o2 5 s 上承式1 5摹羚辏或 2 潮瞳 娶渡丈耩 基罐线 浙江淳安谢m = 1 1 6 7 1 1 3 0 8 中承式 1 5 5四管桁式2 0 0 3 浦大挢悬链线 广嚣南宁瘩霹次擞镪 1 2 3 3 8 孛承式1 4 + 5嚣管撩拨 2 0 溅 帮大擀线 寰宾金沙疆m = 1 4 ” 2 秘孛承式1 4 。5嚣簿捺茂 2 0 驰 残螺太辑惹链线 暇川巫出艇越= 1 5 5 秘静精戏 l 毒鹳 中承式 1 3 。82 0 0 5 汪大辑 惹链缝 1 2 论文背景 。窆，l 王凌骛爨 支井河特大耩主跨鸯惫承式4 3 0 m 镶镶滗凝土揆桥，犬辑主撤翮诗算跨径 4 3 0 m ，计算矢商7 8 1 8 m ，荧跨比1 5 5 ，两个拱肋拱脚和拱顶的巾心距离均为 1 6 m 。莰谤是蔑穆雀撼秘，竞分裂霜混凝戆挽瘫特牲，囊撰銎鼗瓣蓉矮钢警混 凝土与钢管组成的桁架式断褥，断面高度从拱顶6 5 m 变俄到拱脚1 3 m ，如图i - 1 。 拱髓宽度为4 噩。童拱露钢镣步 径1 2 0 0 r 脯，簸火饕壁厚艘3 嘲，锱蛰内填充c 5 0 搿强徽彩袋混凝主。 4 武汉璎工大学硕士学位论文 嚣t - 图1 1 全桥总体布置图 2 。2 支莽涛特大桥酶施王特点 支井河特火桥位于巴东县野三关镇支井河村，沪蓉国道主干线湖北省宜昌 至恩施高速公路榔坪高坪段，桥梁中心桩号为k 1 2 0 + 4 3 3 5 0 7 ，起点桩号为 k 1 2 0 + 1 7 0 。0 3 7 ，终点桩号为k 1 2 0 + 7 1 3 4 0 7 ，桥梁全长5 4 3 3 7 米，主桥为1 - 4 3 0 寒锶警混凝揆爨，横跨支势海蛱谷，该挟谷嚣j 举悬瀵蕤立，垂璎裹程1 4 1 5 米， 河床高程6 6 0 米，相对高差7 5 5 _ j l 之，谷底宽3 e 米，蛾形复杂，施工条件檄为匿 难。 支井河特犬桥地处构造侵蚀溶蚀峰丛槽谷中山区，地形上属于不对称“v ” 字型河谷岸坡，河谷东岸为陡缓棚间豹折线陡坡，河貉西岸下方为悬崖峭壁， 崖建裹程8 4 5 m ，激上为4 0 4 建坡。大辑衷辑头处手耱攫篷建一繁，嚣接头剩楚 予崖窟麸上陡城段。在离程6 , , 6 6 5 m 段为一深切河谷，海流总体流囱由北囱南， 河谷谷底宽3 0 m 。支井河特大桥横跨支井河，该河水嫩丰富，为一常年饿河流， 河床宽约1 5 3 0 m ，水量随季节变化大，调查最高洪水位远低于拟建桥谢，对建 桥无影响。炎辩河全长数十公里，流域面积大，总落麓千余米，平均坡降1 8 ， 年迳渡量达亿黢穷米。 支舞海特大轿宜昌德( 东德) 接漆瓣稽隧道滋掰，慧施铡( 器弼) 羧箱薤 隧道进口，由于桥隧紧密相接，两侧均为陡峻的悬崖峭壁，交通运输条件之恶 5 武汉理工大学硕士学位论文 劣，施工场地之狭小，工程之艰巨，为全路段之最。 在这样恶劣的施工条件下，就对钢管混凝土的工作性能、缓凝时间以及钢 管混凝土的施工工艺提出了严格的要求。要求钢管混凝土具有良好的工作性能、 泵送性能，能满足施工要求的超缓凝时间；根据具体的桥型、钢管的具体尺寸、 现场的施工条件等多方面因素的影响下选择合适的灌注方法，并对钢管拱顶排 气孔的尺寸及布置方式、排浆管的布置、施工工艺流程、灌注孔、排渣孔等的 设置与安装进行细致的组织设计。 1 3 本文研究的主要内容 ( 1 ) c 5 0 高强微膨胀钢管混凝土配制 研究水灰比、胶凝材料种类和比例、砂率、矿物掺合料及外加剂掺量对混 凝土的力学性能和工作性能的影响规律，进行混凝土配合比的优化设计，制备 出c 5 0 高强微膨胀钢管混凝土； ( 2 ) 创建并训练一个三层神经网络 利用m a t l a b 中的神经网络工具箱，创建一个三层神经网络，并利用试验数 据对创建的神经网络进行训练； ( 3 ) c 5 0 高强微膨胀钢管混凝土密实度研究 通过混凝土实验，并运用已训练好的神经网络对试验数据进行分析，以保 证钢管混凝土的密实度； ( 4 ) 多因素影响下灌注方法选择研究 研究在不同的桥型、钢管的具体尺寸、现场的施工条件等多方面因素的影 响下灌注方法的选择； ( 5 ) 钢管混凝土施工中孔道布置研究 研究在不同的灌注方法、钢管尺寸、钢管的拼接方式中钢管拱顶排气孔的 尺寸及布置方式、排浆管的布置、施工工艺流程、灌注孔、排渣孔的设置与安 装； ( 6 ) 对泵送过程中混凝土在钢管拱中的运动状况进行模拟研究 利用f l u e n t 软件的前处理模块g a m b i t 对钢管拱进行几何建模与网格划分， 并用f l u e n t 软件进行数值计算，采用湍流流动模型，对钢管拱中的混凝土的流 动特性进行了较系统研究。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章钢管混凝土的配制 钢管中的混凝土要求是自密实混凝土，灌注时不捣固。钢管混凝土凝结硬 化后有良好的密实性；具有补偿收缩性，即其微膨胀率收缩率；具有良好的 工作性能，尤其可泵性好，在泵送项升过程中，能始终保持优良性能状态：泌 水率小，流动度大，便于混凝土自动扩展填充；在现场温度条件下施工时，能 正常凝结硬化，不开裂。 2 1 钢管混凝土配合比设计原则 ( 1 ) 混凝土要有良好的可泵性和大流动度，也就是要求混凝土的坍落度大， 和易性好，不泌水、不离析。一般情况下，采用增大用水量来提高混凝土的坍 落度。但提高用水量，混凝土强度难以保证，且易离析，和易性也不好。更为 严重的是用水量过大，混凝土收缩变形大，同时水泥用量增加，混凝土的水化 热会增高，会对钢管混凝土产生不利影响。由此可见，要配制性能符合要求的 高强混凝土必须使用高效减水剂来改善和增强水泥与骨科间的粘结力，减小水 灰比，降低用水量：同时掺入一定量的优质粉煤灰来改善混凝土拌合物的和易 性和提高混凝土的可泵性。 ( 2 ) 钢管内填充的混凝土密实程度以及管内混凝土与钢管内壁的紧密程度 对拱的承载力影响极大。普通混凝土因其硬化而产生收缩与开裂，致使管内填 充混凝土与管壁不十分紧密。为此，应采取掺入一定量的膨胀剂的方法，使混 凝土的膨胀率大于和等于钢管内填充混凝土的干缩和温缩率，以达到管内填充 混凝土与钢管壁紧密的目的。 2 2 混凝土原材料 2 2 1 水泥 ( 1 ) 水泥品种的选择：一般来说，钢管混凝土拱桥中核心混凝土性能设计 主要考虑其抗压强度、弹性模量和工作性能。而且对于钢管高强膨胀混凝土来 7 武汉理工大学硕士学位论文 说，由于水胶比低( 一般在0 3 0 - 0 3 8 范围内) “邮肌“，混凝土的早期强度高， 因此对于水泥早强抗压的要求不高。在选用水泥时，一般选用普通硅酸盐水泥。 ( 2 ) 水泥的用量：在保证混凝土强度情况下，尽量少用水泥，每m 3 混凝土 水泥用量尽量控制在5 0 0 k g m s 以下。 ( 3 ) 水泥的温度不宜太高，尤其是夏季施工或应用新出厂的散装水泥，要 注意水泥本身的温度，夏季施工用袋装水泥要采取存放库内或有遮凉设施。 2 2 2 粗细骨料 ( 1 ) 砂宜选用细度模数在2 5 。3 0 之间，i i 区中砂，含泥量、泥块含量严格 控制在1 5 以内。不含有机杂质。 ( 2 ) 石子应据混凝土等级要求优选，c 5 0 混凝土宜选碎石，连续粒级为宜， 碎石级配为5 2 0 m ，不宜用单粒级直接配制混凝土，但可和连续粒级相配；按 标准严格控制级配、针片状和压碎指标值，针状和片状颗粒含量 9 0 ) ； a b 三l i l 6 + c r , 群) 要模拟壁面粗糙的影响，必须指定两个参数：粗糙高度墨和粗糙常数c 墨。 默认的粗糙高度为零，这符合光滑壁面。适当的粗糙常数( 。毛) 主要由给定的粗 糙情况决定。需要注意的是，邻近壁面单元应该小于粗糙高度，对于最好的结 果来说，要保证从壁面到质心的距离要比“大。 壁面处的剪应力计算程序：对于非滑移壁面条件，f l u e n t 使用邻近壁面或者 流体边界的流动性质来预测壁面处流体的剪应力。 在层流流动中壁面剪应力和法向速度梯度的关系为： 却 l 。u _ d n 5 4f l u e n t 中的湍流模型 5 4 1 模型简介 湍流出现在速度变动的地方。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、 能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。 f l u e n t 提供了以下湍流模型： 4 4 武汉理工火学硕士学位论文 s p a t a r t - a l t m a r a s 模型 k ”f 模型 标准k 一嚣模型 嚷g 蠢一# 模垄 带旋流修正k f 模型 k ”甜模型 一标准露一掰模型 一压力修溅露一模型 一雷诺兹服力模型 大漩涡模撤模型 5 。4 2 湍流模型的选择 没脊一个湍流模勰对于所有的问题是通用的。选择模型时主要依靠以下几 瘫：滚髂跫套霹蓬、建立特豫筑霹嚣靛瑟瑟、糖建懿要求、谤冀规熬能力、雾重 问的限制。 1 雷诺平均 对予鳜有尺度懿瀣滚模型，雷滏平均争s 方程只是传埝警蚜的数量。嚣遘 平均逼邋主要瑗予实鼯工程计算串，还有使用静模型毙如s p a l a r t a l l m a r a s ， k f 系列，七一系列和r s m 。 在雷诺平均中，在瞬态n - s 方程中要求的变慧已经分解为时均常量和变量。 戮速度为铡： 一 掣，一蜥+ “， 这里娥和脚是时均速度和波动分爨。 耱鞍瓣，豫垂力粒莛它兹蠡量： 热_ 识+ 识 用这种形式的表达式把流动的变量放入连续性方程和动擞方程并且取一段 一段孵阉豹乎垮，这器霹缢写藏狱下麴形式嘲： 詈+ 毒妇，) - o 武汉理工大学硕士学位论文 砉b ，) + b 一) 一詈+ 毒h 等+ 等一弘2 詈) + 考( - p 丽) 左程( ( 2 1 7 ) 和( ( 2 1 8 ) 称为雷诺平均n - s 方程。由湍流造成的附加的条件 一p “1 表现出来了。 2 b o u s s i n e s q 逼近 对于湍流模型，雷诺平均逼近要求在方程( ( 2 - 1 8 ) 的雷诺压力可以被精确的 模拟。一般的方法利用b o u s s i n e s q 假设把雷诺压力和平均速度梯度联系起来； 一p 丽。所( 考+ 鼍一卜警卜 b o u s s i n e s q 假设使用在s p a l a r t a 1 l m a r a s 模型、七一模型和k 一珊模型中。 3 t h es p a l a r t a 1l m a r a s 模型 对于解决动力漩涡粘性，s p a l a r t a 1 l m a r a s 模型是相对简单的方程。 s p a l a r t a l l m a r a s 模型主要是用于墙壁束缚流动，而且已经显示出很好的效果。 在f l u e n t 中，s p a l a r t a 1 l m a r a s 模型用在网格划分的不是很好时。在模型 中近壁的变量梯度比在七一s 模型和k 一模型中的要小的多，可以使模型对于数 值的误差变得不敏感。 但是s p a l a r t a l l m a r a s 模型是一种新出现的模型，现在不能断定它适用于 所有的复杂的工程流体。 4 标准k 一模型 最简单的完整湍流模型是两方程模型，要解两个变量一速度和长度尺度。在 f l u e n t 中，标准k 一模型适用范围广、经济，有合理的精度，是个半经验的公 式。 由于人们己经知道了k 一模型适用的范围，因此对它加以改造，出现了r n g k f 模型和带旋流修正k 一模型。 5 r n gk 一模型 r n gk 一模型来源于严格的统计技术。它和标准k 一口模型很相似，但是有 以下改进： r n g 模型在方程中加了一个条件，有效的改善了精度。 武汉理工大学硕士学位论文 考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。 r n g 理论为湍流p r a n d t l 数提供了一个解析公式，然而标准k 一模型使 用的是用户提供的常数。 标准k 一模型是一种高雷诺数的模型，r n g 理论提供了一个考虑低雷诺 数流动粘性的解析公式。 这些特点使得r n gk f 模型比标准k 一模型在更广泛的流动中有更高的 可信度和精度。 6 带旋流修正的k 一模型 带旋流修正的k 一模型是近期才出现的比起标准k 一模型来有两个主要 的不同点。 带旋流修正的k f 模型为湍流粘性增加了一个公式。 为耗散率增加了新的传输方程。 带旋流修正的k 一模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更 精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二 次流有很好的表现。但是不足主要是在计算旋转和静态流动区域时不能提供自 然的湍流粘度。 7 标准k 一讲模型 标准k 一模型是基于w i l c o xk 一珊模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性 和剪切流传播而修改的。w i l c o xk 一珊模型预测了自由剪切流传播速率，像尾 流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，因而可以应用于墙壁束缚 流动和自由剪切流动。 8 剪切压力传输( s s t ) k 一模型 s s tk 一甜模型由m e n t e r 发展，使得在近壁自由流中k 一矗，模型有广泛的应 用范围和精度。s s tk 一埘模型和标准k 一埘模型相似，但有以下改进： s s tk 一模型和k g 模型的变形增长于混合功能和双模型加在一起。 s s tk 一模型合并了来源于方程中的交叉扩散。 湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传波。 模型常量不同 这些改进使得s s tk 一模型比标准k 一甜模型在在广泛的流动领域中有更 高的精度和可信度。 9 雷诺压力模型( r s m ) 武汉理工大学硕士学位论文 在f l u e n t 中r s m 是最精细制作的模型放弃等方性边界速度假设，r s m 使 得雷诺平均n - s 方程封闭，解决了关于方程中的雷诺压力，还有耗散速率。这 意味着在二维流动中加入了四个方程，而在三维流动中加入了七个方程。 要考虑雷诺压力的各向异性时，必须用r s m 模型。 5 4 3 论文着重应用的标准k - e 模型 标准七一模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。七方程是 个精确方程。方程是个由经验公式导出的方程。 湍流动能方程七和扩散方程f ： 杀) + 毒汹小者 ( a + 尝) 毒】+ g k + q p e 一“t - t+(删。)-co+) 刹+ 尝矧+ “妻慨岷讣c 缸 方程中饥表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，是由浮力产生的湍流 动能，是由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，c l ，c 2 ，g 是常 量，吼和q 是t 方程和方程的湍流p r a n d t l 数，6 t 和j t 是用户定义的。 武汉理工大学硕士学位论文 5 5 建立模型 由于本文的工程背景支井河特大桥的钢管拱直径( 外径1 2 m ) 与跨径( 4 3 0 m ) 相差较大，不利于钢管拱模型的建立以及后期的分析，因此在本文中选取钢管 拱的一段来进行分析，反映混凝土在泵送过程中在钢管拱中的运动情况，为混 凝土的设计及施工提供一定的依据。 利用f l u e n t 软件的前处理模块g a m b i t 对钢管拱进行几何建模与网格划分 【，如图5 - 1 。 5 6f l u e n t 计算结果 图5 - 1 网格模型 将利用g a m b i t 进行几何建模与网格划分后钢管拱模型导入f l u e n t 中， 如图5 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图5 - 2f l u e n t 网格模型 利用f l u e n t 进行2 0 0 次迭代计算后，如图5 - 3 所示。 图5 - 32 0 0 次迭代计算 武汉理工大学硕士学位论文 利用f l u e n t 进行3 0 0 次迭代计算后，如图5 - 4 所示。 图5 - 43 0 0 次迭代计算 利用f l u e n t 进行4 0 0 次迭代计算后，如图5 - 5 所示。 图5 - 54 0 0 次迭代计算 武汉理工大学硕士学位论文 如图5 - 6 所示，利用f l u e n t 进行4 0 0 次迭代计算后，数据都已经收敛。 速度场： 压力场： 图5 - 6 速度场 图5 7 压力场 武汉珊工大学硕士学位论文 速发矢繁： 流线： 蹋5 - 8 速度矢激 强s 一9 滚线 5 3 武汉理工大学硕士学位论文 5 7 本章小结 本章模拟计算了混凝土泵送过程中混凝土在钢管中的运动情况，在利用 f l u e n t 进行4 0 0 次迭代计算后，结果表明；混凝土在钢管拱中的运动状态能够 以比较直观的形式反映出来，以压力场图反映出混凝土在钢管中的压力分布情 况，以速度场、速度矢量反映出混凝土在钢管中的速度分布情况，以流线反映 出混凝土在钢管中的运动形式。得到的这些结果，对钢管混凝土的设计以及钢 管混凝土的泵送施工工艺具有一定程度的指导意义。 武汉理工大学硕士学位论文 第7 章结论 本文围绕钢管混凝土的配制作了大量的试验研究，并以在建的支井河特大 桥为背景，对钢管混凝土拱桥的施工技术进行了研究，得出以下结论： ( i ) 试验研究确定的高强徼膨张混凝土配合比的优化参数如下：水灰比为 0 3 2 ：单位用水量为1 6 0 k g m 3 ；胶凝材料用量为5 0 0 k g m 3 ，其中水泥3 7 5 k g m 3 ， 膨胀剂以内掺法计，按每立方米混凝土5 0 k g 进行掺加；粉煤灰按每立方米混凝 土7 5 k g 进行掺加，最佳砂率为3 8 。 ( 2 ) 为了对钢管混凝土的自密实性能进行了评估，利用m a t l a b 中的神经网 络工具箱，创建了一个中间隐层有十个单元，输出层为一个单元的三层反向传 播网络。利用l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 优化规则的b p 算法，在通过样本训练2 3 次后，误差达到了容许的范围。 ( 3 ) 利用训练好的b p 神经网络，对钢管混凝土的自密实性能进行了评估， 预报值和试验值吻合良好，说明利用b p 神经网络对钢管混凝土的自密实性能进 行评估的可行性。 ( 4 ) 研究确定了钢管混凝土的灌注方式为一次泵送顶升浇灌法，钢管拱顶 排气孔的尺寸及布置方式、排浆管的布置、施工工艺流程、灌注孔、排渣孔的 设置与安装的原则。 ( 5 ) 为了模拟混凝土在钢管拱的运动形式，利用g a m b i t 对钢管拱进行几何 建模与网格划分，在导入f l u e n t 后，经过4 0 0 次迭代计算，模型收敛。 ( 6 ) 利用f l u e n t 软件对建立的模型进行数值计算，使得混凝土在钢管拱中 的运动状态能够以比较直观的形式反映出来，以压力场图反映出混凝土在钢管 中的压力分布情况，以速度场、速度矢量反映出混凝土在钢管中的速度分布情 况，以流线反映出混凝土在钢管中的运动形式。 武汉理工大学硕士学位论文 参考文献 1 1 】陈宝眷钢管混凝拱桥设计与施工_ b 京：人民交通i l j 版社，1 9 9 9 3 4 【2 1 中国建筑工业出版社编混凝土结构规范( 2 0 0 0 版) 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 0 翻蘩缨悔，褒我钢营混凝缝耱。j 衮；久琵交逶出敝柱，2 0 0 3 3 1 4 降家奋，汤关祚三向j 燕力混凝土北京：中国铁道出版社，1 9 9 8 2 【5 1 钟善桐钢管混凝土结构北京；清华大学出版社，2 0 0 3 2 8 3 2 箨l 韩转海镪营漫凝维稳。兹哀；释学囊蔽桎，2 0 0 0 3 - 8 f 7 】白宝鸡编译法国昂特那斯钢管拱桥国外桥梁，1 9 9 8 ( 3 ) ( 8 p o h nm k u l i c k i t h eo n c ea n df u t u r es m e lb r i d g e t r a n s p o r t a t i o i nr e s e a r c hr e c o r d1 6 9 6 ， p a p e rn o s b 0 1 3 6 9 j i r is t r a s k y a n d h j ai t u s t y a r c hb r i d g ec r o s s i n g t h eb m o - v i e r m a e x p r e s s w a y c o m p o s i t ec o n s t r u c t i o n - c o n v e n f i o n a la n di n n o v a t i v e ，i n n s b r u c k ，a u s t r i a ， s e p t t1 9 9 7 i l o t 痰军，陈江t 李悦等，茏谭弼丈秘钢管混凝土配含玩设计与施点建筑材辩学报， 2 0 0 1 , 郴) ：2 6 5 - 2 6 9 【l q l 淑英，泵送钢管混凝配合比的设计及应用。广两交通科技，1 9 9 7 ，2 2 ( 3 ) 5 - 8 【1 2 】黄为琵，张勇涛，玉方凝等c 6 0 离辩兔振钢管滟凝士豹研究与开发混凝土，2 0 0 2 ( 1 2 ) ： 2 3 2 6 f 1 3 1 何廷书萼。混凝土外船荆蘧安：陕隧科学技术出版社，2 0 0 3 4 l q 4 i 1 4 1 ：骂漕溉凝乡 霸剂工程应瑶手册，憩京：中蓬建筑工业盘舨枉。2 0 。5 【1 5 】钱觉时粉煤灰特性姆粉煤灰混凝土北京：科学出版社，2 0 0 2 1 3 6 - 1 3 9 1 6 1 游宝坶。混凝土膨胀刹及其应用北窳：中国建材工业出舨社，2 2 3 6 3 - 3 6 8 拉7 】游宝渖，李乃珍，澎臌赫及其蛰罄蔽缩援凝就隶 串莓建材工鼗翻版社，2 0 0 5 1 8 1 9 【1 8 】吴中伟，张鸿直膨胀混凝土北京；中国铁道出版社，1 9 9 0 2 2 5 2 2 9 【1 9 挣；金璩，毛承惠，陈宝释等。钢管混凝绩构在城带蟒粱上的应用橱燃大学学缀( 嶷 武汉理工火学硕士学位论文 然科学j 筏) ，1 9 9 6 ( 4 ) ：2 2 - 2 6 【2 0 】吴迅，凝知民，胡匡璋瓷都大桥设计与施工桥鬃建设，1 9 9 7 ( 4 ) 9 - 1 2 瑟l l v kb u i a d 。m o n t g o m e r y b ，lt u m e r c r a 。r a p i dt e s t i n gm e t h o df o rs e g r e g a t i o nr e s i s t a n c e o f s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e c e m e a t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h 3 2 ( 2 0 0 2 ) ：1 4 8 9 - 1 4 9 6 【2 2 1 , 范志宏，苏达根，芊胜年自密实混凝土配合比设计方法研究水运工程2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 1 - 1 5 2 3 j n 。k a s e l l l e , a l t l r a r n ，s t a n g t e r m s i r k u l a d e s i g n a p p r o a c h f o r s e l f - c o m p a c t i n g n 饿恕b a 靶d d e f o r m a b i l i t y ，s e g r e g a t i o nr e s i s t a n c ea n dp a s s i n ga b i l i t ym o d e l s - 1 s ti n t e r n a t i o n a l s y m p o s i u m o i ld e s i g n , p e r f o t m a n c ea n du s eo fs e r f - c o n s o l i d a t i n g ( 抽n 盯e l c c h a u g s h a ， c h i n a ，2 0 0 5 1 2 4 1 s u ，n ，h a u ，c h a i ，1 1