钢管混凝土泵送顶升压力计算分析

1、钢管砼泵送顶升压应力计算分析张 鸿1 方 华1 徐奕鑫2（1 江西交通工程咨询监理中心 南昌 330008）(2 同济大学 上海 200094)摘 要：该论文对钢管砼泵送顶升过程中影响泵送压应力损失的因素进行了分析。在砼压注过程中，为确保钢管在砼压注过程中安全和使用功能，论文中提出利用承压薄壁壳体理论，推导计算公式确定钢管容许承压力，同时对砼泵送过程压力损失进行了计算分析，通过工程实例证明，该方法是可行的。关键词：桥梁工程；钢管承压力；薄壁壳体理论；压力损失计算；泵送顶升0 前 言 近年来，钢管砼拱桥发展得很快，它以其强度高、自重轻、施工能够快、跨越能力强的优势在公路和铁路桥梁得到了越来越广泛

2、的应用。由于钢管砼拱桥的受力和施工特点，要求钢管砼必须满足高流动性、和易性好、低热、微膨胀等性能，而设计和相关规范未对钢管砼泵送顶升施工工艺作具体规定，在施工中，如果泵送压力未控制好，就可能会出现质量事故，造成泵送困难、内有空气、砼和钢管之间有收缩空隙及承载力下降等现象。钢管砼在泵送顶升时，较大的压力压注对砼的密实和强度十分有利，但钢管要受到砼泵送的压力，压力过大会影响钢管质量甚至爆破。为确保砼在压注过程顺利进行，钢管不因管内砼压力过大而影响其使用功能，确定钢管的容许承压力十分重要。国内外的相关文献表明，对于钢管砼这种组合材料的力学性能和钢管砼拱桥设计及施工等方面的研究成果层出不穷，特别是对钢

3、管砼拱桥的承载力计算、钢管砼结构分析等方面进行了深入的研究。而在钢管砼拱桥施工过程中钢管砼压注等施工技术方面的研究则比较少。本论文通过高安筠州大桥工程实践，在钢管砼压注方面做了一些研究，利用承压薄壁壳体理论，推导出钢管的容许承压力计算公式，同时对砼泵送过程压力损失进行了计算分析，实践证明该方法是可行的。1 砼泵送顶升压力分析为确保钢管砼的质量，设计上要求钢管砼必须由拱脚一次泵送顶升至拱顶。公路桥涵施工技术规范要求，在钢管砼浇注前要进行泵送顶升模拟试验1，参考以往的经验234，我们将通过计算分析，如果砼输送泵的输出功率能够满足砼一次泵送至拱顶所需压力，同时砼入钢管口的泵送压力未超过钢管的允许承压

4、力，我们根据泵送高度采用单点或多点（尽量减少导入点）导入一次压注，不进行泵送顶升模拟试验。因此，确定砼泵送压力损失大小十分重要，它是确保钢管砼按浇灌方案顺利浇注的重要施工参数。影响砼泵送阻力的因素很多，但主要因素是砼在管路中流动时与管壁间的摩擦和砼自身性质两大因素。1.1泵送阻力与输送管路间的关系5砼开始运动时的摩擦力相当于砼与管路内壁的粘着力。砼开始运动以后，摩擦阻力的增加与砼在管路的流速成线性关系。摩擦阻力可以用“柱塞流”与输送管路内表面之间的摩擦力关系表示： 式中: f-管路对于柱塞流单位面积的阻力。v-砼在管路中的流速直径1255英寸输管从上式可知，在泵送阻力随着砼在管路中的流速增加而

5、增加。砼在管路中的流速对压力损失的影响见图1。 直径1255英寸输管图1 流速对压力损失的影响当砼泵在额定输送量条件下工作时，砼在管路中的流速随管路直径的缩小而加快并增加泵送阻力。因此选择不同直径的管路也影响着泵送阻力。如图2所示，表明了流速对管路直径与输送量之间的相互关系。在给定管路直径的情况下，砼在管路中的流速与砼输送量成正比。砼输送量增加，流速也加大，因而泵送阻力也增加。砼输出量与泵送阻力呈线性关系。图2 管径与流速、流量的关系泵送阻力的增加与砼浇注距离成正比。这就是说，砼在管路内壁产生摩擦，摩擦表面越大，即管路长度越长，砼流动阻力就越大，所需的泵送压力也就越高。泵送压力从泵出口处最高降

6、低到管路末端为零。垂直向上泵送砼所产生的泵送阻力仅与垂直高度和砼容重有关。砼输送管道的弯折也将导致泵送阻力的增加。这取决于弯管的角度以及半径。1.2泵送阻力与砼质量的关系图3 坍落度与砼在管道中输送阴力关系砼坍落度 砼坍落度是影响砼可泵性的重要因素之一，它对泵送阻力影响较大如图3所示。干硬性砼“流动性”不同于塑性砼。例如坍落度的砼比坍落度的砼容易流动，所以只需较低的泵送压力。而干硬性砼不易变形，需要较大的泵送压力才能通过管路输送，此为不宜泵送区间。压力损失(MPa)图4 粗骨料用量与泵送压力及窖兑化率的关系 粗骨料的影响 粗骨料在骨料总量中的比例对砼的可泵性影响很大，表现在泵送压力的砼泵容积效

7、率的变化。其相互关系如图4所示。图中“0”内烽字为空积效率百分数，虚线为泵送极限界限，S为堵塞点。泵送压力(MPa)图4 粗骨料用量与泵送压力及窖兑化率的关系从图中可以看出，粗骨料用量的提高，意味着泵送压力的上升。但粗骨料用量在某一范围内时，泵送压力变化不大，砼容积效率基本上不降低；若粗骨料用量超越了某一界限，泵送压力迅速上升，砼缸充填度即泵的容积效率明显下降，这一界限就是粗骨料用量的极限线。极限线的位置同粗骨料最大的粒径有关，最大粒径较大的允许粗骨料量较高。2 钢管的容许承压力确定 钢管砼在泵送顶升时，压力过大会影响钢管质量甚至爆破。为确保钢管在砼压注过程中安全，不因管内砼压力过大而影响使用

8、功能，确定钢管的容许承压力十分重要。砼在泵送过程中，钢管所受压力类似于承压薄壁容器，其容许承压力笔者认为可通过承压薄壁壳体理论，推导相应的计算公式来确定。2.1承压薄壁壳体的应力分析 旋转薄壁壳体的应力分析有两种理论：一是无矩理论，又称薄膜理论。它假定壳壁像薄膜一样，只能承受拉应力和压应力，不能承受弯矩和弯曲应力，即假设应力沿壁厚均匀分布，这种壳体中存在的应力称薄膜应力。二是有矩理论，该理论认为壳体虽然很薄，但仍有一定的抗弯刚度，壳体中除拉应力或压应力之外，还存在弯曲应力。工程实际中，理想的无矩状态是不存在的。因为即使壳壁很薄，壳体中还会存在一定弯曲应力。所以无矩理论有其近似性。由于弯曲应力一

9、般很小，如略去不计，其误差仍在工程计算的允许范围内，而计算方法则大大简化。因此，工程设计中常常采用无矩理论。无矩理论有以下两个基本方程式6，即微单元体平衡方程式（1）和壳体区域平衡方程式（2）。 （1） （2）式中：-壁厚（mm）；-第一（经线）曲率半径（mm）；-第二（纬线）曲率半径（mm）；-经向应力（MPa）；-周向应力（MPa）；-作用于壳体内表面的压力（MPa）；-单元体两个第一曲率半径的夹角（rad）。在求薄壁回转壳体应力时，必须解上述两个基本方程式。内压作用于回转壳体为一种轴对称载荷，各处相等且垂直于壳体内表面，因而常数。并注意到旋转壳的几何关系：式中:-平行圆的半径，mm。对于

10、顶端封闭的壳体，由式（2）得：故得: （3）将式（3）代入式（1），得（4）由此可见，受内压力作用的旋转壳体，只要已知壳体的形状，即可算出薄膜应力、。对于半径为的圆筒形壳体，其、，代入式（3）、式（4）得: （5）2.2高安筠州大桥主拱钢管容许承压力计算高安筠州大桥主拱钢管内径为750mm，壁厚12mm，小于1.2，属于薄壁容器范畴6。钢管最大允许工作承压力可由（5）式推导下式进行计算： 式中:-圆筒或球壳的内直径（mm）；-计算压力（Mpa）；-圆筒或球壳的最大允许工作压力（MPa）；-圆筒或球壳的计算厚度（mm）；-圆筒或球壳的有效厚度（mm）；-设计温度下圆筒或球壳的计算应力（MPa）；

11、-设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力（MPa）；计算得出钢管最大允许工作压力为： 3 砼泵送压力损失计算3.1凝土在输送管道压力损失计算在泵送砼施工中，需要确定砼泵的最大输送距离和输送高度，以便确定其是否满足施工要求。如具备试验条件，试验确定最可靠。否则，可参照产品的性能表（曲线）确定；亦可按照实际配管情况，利用文献7表中的规定换算成水平长度；根据砼泵送的最大压力和单位长度水平管产生的压力损失，计算最大输送距离。单位长度水平管产生的压力损失的确定，国外常见的有以下几种方法：日本建筑学会提供的计算图表：见表1表1 输送普通砼时单位长度水平管的压力损失（105Pa/m）砼坍落度（mm）管径（mm）

12、输出量（m3/h）2030405060801000.180.210.240.280.321250.110.120.130.150.171201000.150.180.210.250.281250.10.110.120.130.141501000.120.150.180.210.241250.090.10.110.120.131801000.10.120.140.170.201250.070.080.090.100.112101000.080.10.120.140.161250.050.060.070.080.09日本土木学会编制的”砼泵送施工规程”推荐的计算公式:式中:-输送阻力（MPa）-输

13、送管路直径（m）-砼在输送管路内平均流速（m/8）-分配阀切换时间与活塞推压砼时间之比，一般为0.3；-粘着系数（MPa） -速度系数Mpa/m/s)-砼坍落度(cm)-砼径向压力与轴向压力之比，普通砼约为0.9。 SMrinaga公式：式中:分配阀切换时间与活塞推压砼时间之比，一般为0.2；其他符号同上式。上述三种方法计算所得的结果如表2所示：表2 不同计算方法求得单位长度水平管的压力损失（105Pa/m）管径坍落度（mm）输出量（m3/h）日本建筑学会计算图表日本土木学会推荐的公式 S.Morinaga125mm80500.150.160.19600.170.180.21150500.12

14、0.110.13600.130.120.16210500.080.060.10600.090.070.12从计算结果看，前两者相近，后者稍高。我国根据广东省第四建筑工程公司和上海市第一建筑工程公司分别在广东国际大厦和上海商城工程中泵送施工的经验，并参考原联邦德国厂家提供的数据而得出砼泵送的换算压力损失计算方法7。砼泵送的换算压力损失计算如下： （1） （2）1 =(3.00-0.1)·102 （3）2 =(4.00-0.1)·102 （4）式中:-砼泵分配阀切换时间与活塞推压砼时间之比，一般取0.3；其他符号同上式。砼泵送的换算压力损失计算参考如表3：表3 砼泵送的换算压力

15、损失管件名称换算量换算压力损失（MPa）水平管垂直管45°弯管90°弯管 管道接环（管卡）管路截止阀3.5m橡皮软管每20m每5m每只每只每只每个每根0.100.100.050.100.100.800.20现以南岸砼输送泵及输送管路为例（南岸输送线路长约200m，北岸约180m），按上述公式和表格数据计算砼泵送压力损失如下：水平管200m,换算压力损失,1MPa；垂直管5m,换算压力损失,MPa；45°弯管3个,换算压力损失,=3×0.15=MPa；90°弯管2个,换算压力损失MPa；管道接环67个,换算压力损失,MPa；砼输送管道压力损失MP

16、a。输送泵的最大功率为16MPa，砼输送泵启动内耗为2.8MPa，砼从钢管拱入口流入时输送泵的最大压力为：16MPa -8.15MPa -2.8MPa =5.05MPa，小于钢管的容许承压力Mpa。3.2砼在钢管内的压力损失计算根据以往的施工经验23，1MPa的泵送压力可使砼泵送约10m的高度，大桥拱脚至拱顶约40m，大约需要4MPa，砼从钢管拱入口流入时输送泵的最大压力为5.05MPa（启动时）4MPa。通过上述的计算分析，选用输出功率为16MPa的输送泵可以满足砼一次泵送顶升至拱顶的压力要求，理论上不进行分级多点泵送。但同时在施工过程中也要控制砼输送泵的输出功率，不应大于钢管的允许承压力（

17、6.61MPa）和管道压力损失之和，以确保钢管的质量安全。4 结 语 4.1论文通过利用承压薄壁壳体理论推导相应的计算公式，确定了钢管的容许承压力。通过理论计算和实践证明，该方法应用于钢管砼泵送过程控制钢管的容许承压力是安全可行的。4.2为确保施工质量，设计上要求钢管砼必须由拱脚一次泵送顶升至拱顶。参考以往施工经验，我们通过对泵送压力损失进行了计算分析，根据计算结果选择的泵送设备和输送管道能够满足砼一次泵送顶升的施工要求，省去了泵送顶升模拟试验，从而节约了时间和工程造价。4.3砼在钢管内泵送顶升的压力损失，是通过以往工程的压注试验得出的经验数据，由于每座拱桥所使用的钢管直径是不完全相同的，钢管接头的形式和钢管内接法兰的数量也不一样，钢管砼的压力损失是通过经验估算的，缺少严密的理论证明和更多的