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混凝土泵送阻力计算及其误差分析

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重 堂 窒 混凝土泵送阻力计算及其误差分析 周云L。 许永和L。 吴德龙 1.上海建工集团股份有限公司 上海 200080;2.上海建工材料工程有限公司 上海 200086; 3.上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心 上海 201114 掖曩:将上海不同时期建造的标志性建筑——上海环球金融中心和上海中心大厦工程混凝土泵送实测数据与按JGJ/ T 1O一201 1《混凝土泵送施工技术规程》计算的混凝土泵送阻力进行对比,发现“泵送施工规程”的计算方法存在误 差。为此,分析了混凝土泵送阻力计算误差的来源,并对混凝土泵送阻力计算方法进行改进。对比分析表明。改进后 的计算方法适用于非自密实混凝土泵送施工;而对于自密实混凝土泵送施工。国外的S・Morinaga公式已不适用,需要 进一步研究其泵送阻力计算方法。 关键词:自密实混凝土;混凝土泵送阻力;S・Morinaga公式;误差分析;计算方法改进 中圈分类号:TU64 6 文献标志码:A DOI:10.14144/j.cnki.jzsg.2017.1 1.041 Calculation of Concrete Pumping Resistance and its Error Analysis ZHOU Yun’1。XU Yonghe ̄’。WU Delong ・。 1.Shanghai Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200080 China; 2.Shanghai Jiangong Engineering Materials Co.,Ltd.,Shanghai 200086,China; 3.Shanghai Engineering Research Center of Mega Structure High Performance Concrete,Shanghai 201114,China Abstract:Comparing the monitoring data of Shanghai landmark buildings built in diferent times such as——Shanghai World Financial Centre and Shanghai Tower with the concrete pumping resistance calculated according to JGJ/ T 1 01 1 Concrete 』 ing Construction Technicaf Regula#on.it iS found that there are errors in the calculation method of pumping construction regulation.Therefore,this paper analyzes the source of error and improves the calculation method of concrete pumping resistance.The comparative analysis shows that the improved calculation method is suitable for the non-self-compacting concrete pumping construction.However,the S Morinaga formula abroad is not suitable for self-compacting concrete pumping construction,and the calculation method of concrete pumping resistance needs to be further studied. Keywords:self-compacting concrete;concfete pumping resistance;S・Morinaga formula;error analysis; improvement of calculation method 1 混凝土泵送阻力计算方法 对于混凝土的泵送阻力,国内工程技术人员主要根据 △ :吾[ 十 (1+鲁) ] : (1) 行业标准JGJ厂r 10—20l 1《混凝土泵送施工技术规程》(以 (2) 下简称“泵送施工规程”)推荐的方法进行计算。在“泵 K2=400-S (3) 送施工规程”中,混凝土的泵送阻力跑括两部分,一是混 n: : (4) 凝土在输送管内流动产生的压力损失(P ),二是混凝土 l0 泵送系统附件的估算压力损失(P2)。混凝土泵送系统附 式中:△PH——混凝土在水平输送管内流动每米产生的压 件的估算压力损失跟泵送设备有关,混凝土在输送管内流 力损失,Pa/m; 动产生的压力损失计算则根据国外的S・M0rimga公式n】: r——混凝土输送管半径,m; Kl——黏着系数,Pa; 基金项目:上海市科学技术委员会资助课题(14DZ22521 ——速度系数,Pa・dm: 00);上海市国有资产监督管理委员会企业技术创新和能 5l——混凝土坍落度,mm; 级提升项目(2014011);上海市科学技术委员会科技启 t ——明星计划(16QB1401900)。 混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土 作者简介:周云(1985_),男,硕士,高级工程师。 时间之比,当设备性能未知时,可取0.3; 通信地址:上海市闵行区新骏环路700号(201114)。 ——混凝土拌和物在输送管内的平均流速,m/s; 收稿日期:2017-05—05 ——径向压力与轴向压力之比,对普通混凝土取 建筑麓I・繁39誊・第11■_ 6§固- 周 云 许永和 吴德龙: 混凝土泵送阻力计算及其误差分析 0.90; P1——混凝土在输送管内流动产生的压力损失, MPa: _L——各类布置状态下混凝土输送管路系统的累计 水平换算距离,m。 当应用上述公式计算混凝土在输送管内流动产生的 压力损失时,各类布置状态下的输送管(向上垂直管、倾 斜向上管、垂直向下管及倾斜向下管、锥形管、弯管、胶 管)应按“泵送施工规程”附录A表A.0.1换算成水平管长 度,最后累加得到累计水平换算距离。 特别需要注意的是,“泵送施工规程”的计算方 法己经考虑了重力因素,因此在计算混凝土总泵送阻力时 不应重复计算混凝土液体静压力。 2 混凝土泵送阻力计算结果与工程实测数据的对 比 将上海不同时期建造的标志性建筑上海环球金融中心 和上海中心大厦混凝土泵送的实测数据与按照“泵送施工 规程”计算的混凝土泵送阻力进行对比,以检验现有混凝 土泵送阻力计算方法的准确性。 2.1 上海环球金融中心混凝土泵送阻力计算结果与实 测数据的对比 上海环球金融中心主楼设计采用了周边剪力墙、交叉 剪力墙和翼墙组成的传力体系,为了抵抗来自风和地震的 侧向荷载,采用了巨型柱、巨型斜撑等构成的巨型结构, 此外,巨型柱截面及空间位置变化较复杂,采用了多种强 度等级的混凝土l2 (图I)。 79层以上 68~79层 67层以下 图1上海环球金融中心主楼结构混凝土强度及泵送高度分布 上海环球金融中心工程采用90CH一2135D混凝土输送 泵进行施工,输送管实际内径128 mm。按“泵送施工规 程”,该工程向上垂直输送管每米换算成水平长度4 m,弯 管弯曲半径1 000 mm,混凝土泵送系统附件压力损失估算 为1.4 MPa,混凝土表观密度为2 400 kg/m 。由不同高度的 混凝土泵送阻力计算结果与实测数据(表1)对比可见, 在上海环球金融中心工程中,按照“泵送施工规程”计算 ■ RO ■9D17.1 1.Buildina Conslruclion 的混凝土泵送阻力均比实测出口压力大,且除了泵送高度 230 m外,其他泵送高度时两者相差均较大。 表1上海环球金融中心混凝土泵送阻力计算结果与实测数据 泵送高度, 坍落度, 泵送流量, 计算单位长度 计算泵送 实测出口 【m ・h ) 沿程压力损失/(MP 阻力/MPa・m ) a 压力,MPa 230 180 41.7 0.0106 l3.7 12.5 340 180 51_3 0.012 3 21-3 16.O 414 20o 51.3 0.0109 22.4 19.0 492 200 48.1 0.0104 24.7 20.0 2.2上海中心大厦混凝土泵送阻力计算结果与实测数 据的对比 上海中心大厦主楼为钢筋混凝土和钢结构组合而成的 混合结构体系。竖向结构包括核心筒和巨型柱,水平结构 包括楼层钢梁、楼面桁架、带状桁架、伸臂桁架以及组合 楼板。核心筒全部采用C60混凝土浇筑,巨型柱混凝土37层 以下为C70,37 ̄83层为C60,83层以上为C50,楼板混凝 土强度等级为C35(图2)I3]。 5 m 图2上海中心大厦主楼结构混凝土强度及泵送高度分布 上海中心大厦工程高200 m以下采用HBT90CH一2135D 混凝土输送泵进行施工,高200 m以上采用HBT90CH一 2l50D混凝土输送泵进行施工,输送管内径150 1'11171。按 “泵送施工规程”,该工程向上垂直输送管每米换算成水 平长度5 m,弯管弯曲半径1 000 mm,混凝土泵送系统附件 压力损失估算为1.4 MPa,混凝土表观密度为 400 kg/m 。 由不同高度的混凝土泵送阻力计算结果与实测数据(表2) 对比可见,在上海中心大厦工程中,按照“泵送施工规 程”计算的混凝土泵送阻力均比实测出口压力小,而且两 者相差非常大。 3 混凝土泵送阻力计算方法误差分析 通过上海环球金融中心和上海中心大厦工程实测数 据与按“泵送施工规程”计算的混凝土泵送阻力的对比可 知,“泵送施工规程”中的计算方法误差较大,说明该计 算方法的适用性存在问题。 周 云 许永和 吴德龙: 混凝土泵送阻力计算及其误差分析 表2上海中心大厦混凝土泵送阻力计算结果与实测数据 泵送高度, 坍落度, 泵送流量, 计算单位长度 计算泵送 实测出口 (m ・h ) 沿程压力损失/(MPa・ 阻力/MPm- ) a 压力,MPa 25O 26o 65 O.0054 9.3 l3.6 299 26O 61 0.OO5 2 10_3 16I3 546.6 26O 30 O.0030 10.5 22I4 565.4 260 30 O.0o3O 10.8 22.4 574 260 21 0.0O24 9.O 23.1 582 26o 28 O.0o29 10.7 23.4 3.1 混凝土泵送阻力计算方法误差来源 按照“泵送施工规程”计算混凝土泵送阻力的关键在 于计算出混凝土在输送管内流动产生的压力损失PI,混凝 土泵送系统附件的估算压力损失P’是由泵送设备决定的, 且其数值较小,对总体混凝土泵送阻力影响不大,计算的 误差主要还是来源于Pl的误差。P1的计算主要取决于2个关 键参数:混凝土在水平输送管单位长度沿程压力损失△PH 和累计水平换算距离L。 △PH的计算采用S・Morinaga公式,该公式是由日本东 京施米兹建筑公司研究所的S・Morinaga于1973年在英国利 兹(Leeds)召开“新拌混凝土的主要特性及其量测”的讨 论会上提出的。S・Morinaga公式是在一定的实验基础上经 过理论的推导而得出的,日本土木学会1985年编制的《混 凝土泵送施工规程》采纳了该公式,我国“泵送施工规 程”也采用此公式计算△PH。S・Morinaga公式的关键参数 为黏着系数K。和速度系数 ,这2个参数的值取决于混凝土 的配合比及输送管内壁的情况[4】。S・Morinaga通过试验回 归分析建立了K,和 与混凝土坍落度的关系,一直沿用至 今。需要指出的是,S・Morinaga当初试验时采用的是普通 混凝土,坍落度能够在一定程度上反映混凝土的流动性, 该公式对于普通混凝土是适用的。但是,在20世纪80年代 发展起来的自密实混凝土与普通混凝土性质差异较大,坍 落度指标已经无法反映其流动性能。因此,基于坍落度回 归得到的K 和K:对于自密实混凝土可能会有较大偏差,这 是混凝土泵送阻力计算误差的来源之一。 另一方面,我国“泵送施工规程”将不同布置状态下 的输送管换算成水平长度,其实质是将非水平直管状态下 的输送管内混凝土因重力而造成的压力损失与△PH建立联 系。由于混凝土表观密度变化不大,所以混凝土因重力而 造成的压力损失相对比较恒定,但△PH,按照S・Morinaga 公式,取决于混凝土坍落度和混凝土平均流速,混凝土平 均流速则取决于混凝土泵送流量。在早期混凝土泵送施工 时,受混凝土性能和泵送设备制约,混凝土坍落度变化幅 度较小,混凝土泵送流量也相对恒定,所以可以采用恒定 数值换算成水平长度。但随着混凝土材料和泵送设备技术 的进步,泵送混凝土的坍落度变化范围较广,泵送流量也 可大幅度提高,混凝土重力造成的压力损失与△PH之间的 关系不能再用恒定数值换算,这是混凝土泵送阻力计算误 差的另一个来源。 3.2混凝土泵送阻力计算方法的改进 在现代混凝土超高泵送技术的条件下,混凝土重力造 成的压力损失与△PH之间的关系是随着混凝土坍落度和泵 送流量的变化而变化的。为了准确计算混凝土泵送阻力, 不采用“泵送施工规程”中将不同布置状态下的输送管换 算成水平长度的做法,而是分别计算水平管、向上垂直 管、弯管等压力损失。定义水平管长度为Ln,向上垂直管 长度为Lv(等于混凝土泵送高度日),弯管张角为0,弯 管曲率半径为R,弯管轴线平面与水平面间的夹角为 ,混 凝土表观密度为p。 1)水平管的压力损失PH由混凝土在输送管内的流动阻 力造成,仍然采用S・Morinaga公式计算: = (5) 2)向上垂直管的压力损失Pv由混凝土在输送管内的流 动阻力和混凝土重力共同作用造成的,计算公式如下: 等盟= 山 ㈤ 3)弯管的压力损失P 也是由混凝土在输送管内的流 动阻力和混凝土重力共同作用造成的,同水平管与向上垂 直管不同,在弯管中混凝土的流动方向发生了变化,采用 S・Morinaga推导出的弯管压力损失公式计算: [K1+K2(t十 卜00gsinq)} (7) 因此,混凝土泵送阻力P的计算公式如下: P +Pv+Ps+ (8) 上海环球金融中心和上海中心大厦混凝土泵送阻力计 算结果(表3、表4)表明,采用改进的混凝土泵送阻力计 算方法,计算的上海环球金融中心工程的泵送阻力非常接 近于实测出口压力数据,说明改进的混凝土泵送阻力计算 方法适用于该工程;然而,在上海中心大厦工程中,两者 之间的差距尽管比采用“泵送施工规程”的计算方法小, 但还是存在较大误差。 3.3混凝土泵送阻力计算方法误差分析 根据前文的分析,混凝土泵送阻力计算方法的误差主 要来源于对混凝土在输送管内单位长度的沿程压力损失和 对不同布置状态下的输送管水平等效长度的换算。结合工 程实测数据,分别对这2方面的误差进行对比分析。 3.3.1混凝土在输送管内单位长度沿程压力损失 对上海环球金融中心和上海中心大厦工程分别对比混 建筑麓工・113911・U1111 6 周 云 许永和 吴德龙: 混凝土泵送阻力计算及其误差分析 表3上海环球金融中心混凝土泵送阻力改进算法 泵送 45。弯 9o。弯 计算单位 单位长度 垂直管单位 计算 实测 管压力 管压力 长度沿程 沿程压 长度沿程 泵送 出口 高度, 损失, 损失, 压力损失, 力损失, 压力损失/ 阻力/ 压力, MPa MPa (MPa・ m ) 0.0106 照固定的数值换算成水平等效长度。对于向上垂直管,在 输送管径125 mm时每米换算水平等效长度为4 m,150 mm 管径则为5 m。对于弯管,当弯管曲率半径为1 000 mm时, 每个45。弯管换算水平等效长度4.5 111,每个90。弯管换算 (MPa・ m ) 0.012 8 (MPa・ m一’】 MPa MPa 0.036 3 l1.7 12.5 230 0.O251 O.O974 水平等效长度9 m。在实际工程中,由于混凝土流动性和 泵送流量的不同,输送管水平等效长度的换算系数并不恒 定。 340 nO266 0.101 2 414 0.O25 3 O.098l 492 0.0249 0.O97 0.012 3 0.0109 0.0104 0.Ol1 2 0.0l1 7 O.0o8 9 0.0347 0.035 2 O.O324 16.5 16.0 l8.6 19.O 20.9 20.0 从上海环球金融中心和上海中心大厦工程中不同布置 表4上海中心大厦混凝土泵送阻力改进算法 泵送 45。弯 90。弯 计算单位 单位长度 垂直管单位 计算 实测 高度/ 管压力 管压力 长度沿程 压力损失/ 力损失/沿程压  压力损失/长度沿程  泵送 出口 损失, 损失/ (MPa・ (MPa・ (MPa・ 阻力, 压力, MP丑 MPa Trr 1 m ) rnI ) MPa MPa 250 O.020 3 O.O859 O.0054 0.015 2 0.038 7 10.2 13.6 299 O.O200 0.O85 3 0.005 2 0.017 3 0.0408 l1.5 16.3 546.6 0.0181 0.080 5 0.0030 0.0100 0.033 5 17.9 22-4 565.4 0.0181 0.080 5 n0o3O O.0o9O 0.0326 18.4 22.4 574 0.017 5 0.O79 2 0.0O24 0.0o97 0.033 2 18.2 23.1 582 0.0179 0.080 3 O.0o29 0.0()9 7 0.033 3 l8.8 23.4 凝土单位长度沿程压力损失计算值△P 以及根据工程实 测泵送出口压力反算出混凝土单位长度沿程压力损失△P' (“泵送施工规程”方法)和△P3(改进算法)。 从单位长度沿程压力损失对比分析(图3)可知,对 于上海环球金融中心工程,APl、△P2、AP 之间相差不 大,说明采用S・Morinaga公式计算混凝土单位长度压力损 失基本符合实际情况;但对于上海中心大厦工程,△P,、 △P2、△ 之间相差很大,说明S・Morinaga公式不适用于 该工程。这是由于上海中心大厦工程泵送施工采用的为自 密实混凝土,自密实混凝土的流动性远超上海环球金融中 心工程采用的混凝土,其坍落度一般均大于250 mm,但混 凝土流动性仍然可能存在较大差异,用坍落度指标无法衡 量自密实混凝土的流动性。而S・Morinaga公式中的 和 值是通过坍落度的拟合数据得到的,不适用于自密实混凝 + +△尸1+△尸,+△ -.-△尸:l+A -.-△ 0,012 季警 ~蓁“ ■~~蠢 ~ ・—・ =’ ■一二: 苗 00 吲 ... 0 —— ——弱芝 泵送高度,m 泵送高度/m I a】上海环球金融中心 (b)上海中心大厦 图3混凝土单位长度沿程压力损失 3.3.2输送管水平等效长度的换算 在“泵送施工规程”中,不同布置状态下的输送管按 状态下的输送管水平等效长度换算的系数曲线(图4)可以 看出:在实际工程中,各种不同布置状态下的输送管水平 等效长度的换算系数与“泵送施工规程”中的数值出入较 大,对混凝土泵送阻力的计算可能产生较大偏差。以上海 中心大厦泵送高度546.6 m以上的数据为例,向上垂直管的 平均水平换算系数约为3.5,而“泵送施工规程”中的数值 为5,混凝土单位长度沿程压力损失按0.009 7 MPa/m计算, 对于600 m超高层,混凝土泵送阻力计算的误差为6 MPa, 约占总泵送阻力的25%。 姻【 蓦 泵送高度/m 泵送高度/m (a)上海环球金融中心 (b)上海中心大厦 图4输送管水平等效长度换算系数 4 结语 1)S・Morinaga公式不适用于自密实混凝土,其计算 结果与实测值误差较大。 2)采用输送管水平长度等效换算的方法可能会对混凝 土泵送阻力的计算结果产生很大误差。 3)“泵送施工规程”中的混凝土泵送阻力计算方法己 不适用于超高层建筑混凝土泵送施工,本文改进的混凝土 泵送阻力计算方法可适用于采用非自密实混凝土泵送施工 的工程。 ☆☆参考文献☆☆ I1】中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土泵送施工技术规程: JGJ/T 1 0—2O1 1【S】.北京:中国建筑工业出版社,201 1. 【21吴德龙.郑捷,陈尧亮,等.高度492m!:上海环球金融中心超高泵送 高强混凝土技术研究【JJ.建筑施工,2008,30(4):237—241, 【31龚剑.周虹.上海中心大厦结构工程建造关键技术【J1.建筑施工, 201 4.36(2):91—1 01. 【4】赵志缙.赵帆.混凝土泵送施工技术【M】.北京:中国建筑工业出版 社.1998. 

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