装配式钢筋混凝土废水池设计与施工工艺研究 77页

工程硕士专业学位论文I酉己A‘冈|另>'昆是jLiI%设计与施工工艺研究作者姓名马倩雯所在学院土木工程与建筑学院专业/领域建筑与土木工程学校导师苏有文（副教授）校夕卜导师温洪英（高级工程师）论文完成日期2015年4月24日nClassifiedIndex:TV334U.D.C:624SouthwestUniversityofScienceandTechnologyEngineeringMasterDegreeThesisStudyondesignandconstructiontechnologyofassemblysteelconcretewastewaterreservoirCandidate:MaQianwenCollege:SchoolofCivilEngineeringandArchitectureSpeciality:ArchitectureandCivilEngineeringSupervisor:Suyouwen(AssociateProfessor)Extramuralsupervisor:Wenhongying(SeniorEngineer)Apl.24,2015n独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研宄成果。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己经发表或撰写过的研宄成果，也不包含为获得西南科技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宄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：•发曰期：年夕关于论文使用和授权的说明本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该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。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定）n西南科技大学硕士研究生学位论文第I页摘要随着工业化产业的发展，不可再生资源石油的需求量也在不断提升。钻前工程中的废水池的施工质量的优劣和施工速度的快慢直接影响整个油气的钻探、开发过程。在现场施工工艺中，废水池的修建大多采用现浇整体式的形式，针对石油钻探工程的特殊项目，现浇式的水池养护时间将造成施工的空窗期，同时，使用完成后的混凝土水池将成为永久性的污染物。本文以“钻前工程废水池拼装技术应用研究”项目为依托，以《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规范》为研究依据，对装配式钢筋混凝土废水池进行标准模块设计、拼装连接的构造部署、缩尺模型试验的整体性检验、拼装施工技术研究，达到提高钢筋混凝土废水池标准模块的预制生产质量、现场施工效率的目的。石油钻前装配式钢筋混凝土废水池采用装配式代替现浇式的施工工艺方式，具有工期显著缩短、安装拆卸方便、能多次周转使用、环境效益好等多方优点。通过本文的模块设计、拼装连接等关键技术研究，对装配式钢筋混凝土废水池的推行有一定的参考价值。关键词：装配式废水池；有限元分析；标准模块；连接技术；相似原理；稳定性；n西南科技大学硕士研究生学位论文第II页AbstrcatWiththedevelopmentoftheindustrialindustry,theamountofdemandforoil,anon-renewableresource,isalsorising.Theconstructionqualityandconstructionspeedofthewaste-waterpoolbeforedrillingengineeringdirectlyaffecttheentireprocessofoilandgasdrillingandthedevelopment.Infieldconstructiontechnology,thebuildingofwaste-waterpoolsaremostlyincast-in-siteandmonolithicform.Asforthespecialprojectofoildrillingengineering,thecuringtimeofthecast-in-sitewaterpoolwillcauseaconstructionvacuumperiod.Inthemeantime,theusedconcretewaterpoolwillbecomeapermanentpollutant.BasedontheprojectofApplicationresearchofassemblingtechnologyofwaste-waterpoolbeforedrillingengineeringandwiththeDesignstandardsofreinforcedconcretepoolstructureofwatersupplyanddrainageengineeringastheresearchbasis,thispapercarriesonthestandardmoduledesignoftheprefabricatedreinforcedconcretewaterpool,thestructuredeploymentofassemblyandconnection,theintegritytestofthereducedscalemodelexperimentandtheresearchofassemblyconstructiontechnology,toimprovetheprefabricationqualityofthestandardmoduleandthefieldconstructionefficiency.Adoptingtheassemblytypeconstructiontechnologyinsteadofthecast-in-sitetypeconstructiontechnology,theprefabricatedreinforcedconcretewaste-waterpoolbeforeoildrillinghasmanyadvantagessuchasremarkablyshorteningthetimelimitforaproject,easyinstallationanddisassembly,repetitiveuseandenvironmentalbenefits.Thispaper,throughsuchkeytechnologyresearchasmoduledesignresearchandassemblyandconnectionresearch,hascertainreferencevaluefortheimplementationoftheprefabricatedreinforcedconcretewaste-waterpool.keyword：prefabricatedwaste-waterpool;finiteelementanalysis;standardmodule;connectiontechnology;principleofsimilitude;stability;n西南科技大学硕士研究生学位论文第IV页目录1绪论............................................................................................................................11.1论文背景及意义...............................................................................................11.1.1论文的背景................................................................................................11.1.2论文研究的意义.......................................................................................21.2装配式钢筋混凝土废水池国内外研究现状................................................31.2.1关于装配式混凝土结构研究现状.........................................................31.2.2关于装配式废水池研究现状..................................................................41.3本文的主要研究工作......................................................................................62废水池荷载效应分析..............................................................................................72.1废水池池型选择...............................................................................................72.1.1容积选择....................................................................................................72.1.2形状选择....................................................................................................92.2钢筋混凝土整体水池混凝土参数选择......................................................112.3荷载选择..........................................................................................................112.4废水池荷载效应有限元分析.......................................................................122.4.1有限元分析的基本原理........................................................................122.4.2有限元模型的建立.................................................................................132.4.3结果分析..................................................................................................152.5本章小结..........................................................................................................163装配式钢筋混凝土废水池标准模块设计.........................................................173.1标准模块块型设计........................................................................................173.2标准模块配筋计算........................................................................................233.2.1配筋计算的参数选择.............................................................................233.2.2配筋设计..................................................................................................243.2.3标准措施构造.........................................................................................293.3装配式钢筋混凝土废水池标准模块连接..................................................333.3.1装配式钢筋混凝土废水池基本连接方式设计..................................333.3.2装配式钢筋混凝土废水池构造连接方式设计..................................353.4本章小结..........................................................................................................364装配式钢筋混凝土废水池稳定性检验分析.....................................................37n西南科技大学硕士研究生学位论文第V页4.1结构模型..........................................................................................................374.1.1相似原理..................................................................................................374.1.2缩尺模型设计.........................................................................................374.2缩尺模型满水试验........................................................................................384.2.1试验方案..................................................................................................384.2.2试验结果及分析.....................................................................................404.3本章小结..........................................................................................................415装配式钢筋混凝土废水池施工工艺研究.........................................................425.1模板设计..........................................................................................................425.2预制标准化生产要求....................................................................................505.3施工吊装方案.................................................................................................545.4水池抗渗方案.................................................................................................615.5本章小结..........................................................................................................63结论与展望...................................................................................................................64结论............................................................................................................................64展望............................................................................................................................64致谢........................................................................................................................66参考文献........................................................................................................................67攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目...............................................701发表的学术论文................................................................................................702参与的科研项目................................................................................................70n西南科技大学硕士研究生学位论文第1页1绪论1.1论文背景及意义1.1.1论文的背景近年来，随着国民经济的快速发展，国家对石油、天然气等能源的需求日益扩大，加快油气资源的开发对于满足日益增长的需求，促进经济快速发展具有重要意义。钻井开采是获取石油天然气的主要手段之一，包括钻前工程、钻进工程、完井工程三大工艺。而钻前工程中，废水池施工质量的优劣和施工速度的快慢直接影响整个油气的钻探、开发过程。废水池修建材料可采用钢、钢筋混凝土或砖石等材料；常用的结构平面形式一般分为圆形和矩形两种，图1-1为圆形和矩形钢筋混凝土实用水池[1]；剖面结构形式则分为池壁等厚型、池壁不等厚型；针对施工现场的场地情况，可修建为地下式、半地下式、地上式的废水池；按照施工工艺的不同可选择砌筑式、现浇整体式、预应力装配式、后浇装配式等。图1-1圆形废水池与矩形水池照片Figure1-1circularwatertankwitharectangularpoolphoto废水池是石油钻探过程中对泥浆水进行处理的沉淀池、渣液池、清水池等水池的统称。在实际工程中，对于石油钻前废水池工程，原采用的现浇混凝土结构在废水处理上采用就地固化的形式，无论是固化的废渣还是混凝土对环境都是一种永久性的污染，同时工期要求对于石油钻前工程也是很重要的。现浇水池主要不足体现在以下几点：n西南科技大学硕士研究生学位论文第2页（1）工期在实际工程中，泥浆沉淀池、蒸发池等废水池的施工是整个钻探过程中重要的一步，如果按照惯例现浇的话，合理有效紧凑的流水施工也需要一个半月的工期，现浇混凝土的养护时间造成了工期的空窗期，这对整个石油钻探工程来说经济性较差。（2）施工不能满足现场需求废水池的需求量根据钻井深度而不同，且现场施工地址多在偏远山区，机械调配不便、材料匮乏、劳动需求量大等因素造成施工工序不能有效的进行集中管理，无法达到施工组织进度的节点要求。（3）成本目前，如以一座大小为10m×10m×2m的，现浇混凝土废水池分析，从原材料、支撑模板、人工以及机械等多方面考虑，施工方需花费大量的人、财、物。根据相关的国家地区定额与实际材料，人工，机械价格，成型后只用一次的废水池的成本大概为40万，造价相对较高。（4）环境污染随着钻井工作的结束，现浇混凝土废水池与传统的地方材料砂浆砌筑的废水池均采用直接就地掩埋处理的方式，这样的工序会对环境造成永久污染，不能满足国家可持续发展的要求。由此可见，传统的施工方法急需被更为便捷和快速的施工方式所取代[2]。1.1.2论文研究的意义在房建等土木工程领域，预制装配式模块化、工业化的施工技术方兴未艾，高效的工厂化预制生产和快捷的标准化安装，给传统的建筑、交通、水利等建设领域带来了一场新的变革。本文以“钻前工程废水池拼装技术应用研究”项目为依托，对装配式钢筋混凝土废水池进行研究。本论文研究的装配式钢筋混凝土废水池是指为了加快施工进度，提高施工标准化，在施工现场进行拼装而成的水池。这种水池不仅可以省时、省工、降低施工工艺复杂性，又能通过循环周转利用达到降低成本的效果，同时还能满足对环境保护的要求[3]。这种新型装配式废水池所具有的优点，对在全国范围内的推广使用具有一定的影响。本研究为有助于新型废水池施工工艺工艺的研究，为新型装配式钢筋混凝土水池的开发提供理论依据，为水池的n西南科技大学硕士研究生学位论文第3页建设者提供一定的技术支撑。装配式钢筋混凝土废水池与传统现浇整体式钢筋混凝土废水池相比具有以下特点：（1）施工方便。采用装配式或半装配式形式，现场作业工作面大大减少，可减少材料浪费、有利于施工组织与现场安排。（2）建造速度较快，对周围环境影响小。减少工地噪声、粉尘污染等施工扰民的影响[4]。（3）装配式模块符合模数要求，标准化生产，具有较大的适应性。（4）装配式钢筋混凝土废水池施工工期短，缩短了贷款的还贷时间和投资回收期。（5）装配式钢筋混凝土结构的劳动生产效率高，标准化的生产有利于机械化的施工，从而相对减少手工劳动力。如万科产业化研究基地的青群楼现场全部工人仅12人[5]。1.2装配式钢筋混凝土废水池国内外研究现状1.2.1关于装配式混凝土结构研究现状基于国家的产业化和可持续发展的要求，石油钻前工程的废水池的装配式发展是一种研究方向与趋势。装配式钢筋混凝土废水池属于装配式特种结构体系。现阶段装配式钢筋混凝土结构的形式分为两大类：①全装配式②半装配式[6]。对于装配式钢筋混凝土结构主要研究的方向为：①构件和节点的研究；②整体结构稳定性的研究；③施工技术的研究。因此，可通过以上三个方面的研究推广到装配式钢筋混凝土废水池的研究运用上。Priestley等人[7]对无黏结后张预应力拼装节点进行了研究，结果表明：经过大变形后的节点强度和刚度的衰减很小，节点复原能力较强；通过预应力约束作用，有助于加强节点的抗剪能力；但该节点的耗能性能仍不如现浇混凝土强。Cheok等人[8]多次进行加载试验，对预应力节点和现浇节点的破坏形式进行对比，结果表明：位移延性方面，预应力节点比现浇节点延性高，预应力节点的破坏形式同现浇节点相似，均以钢筋受拉屈服、混凝土产生裂缝为破坏依据。n西南科技大学硕士研究生学位论文第4页Ersoy等人[9]对比了焊接节点和现浇节点的力学性能试验结果，结果表明：焊接节点的强度、刚度、耗能可等同于现浇节点。Ertas等人[10]对现浇节点、焊接节点、螺栓节点和后浇式节点四种节点连接方式进行了反复加载对比试验，结果表明：螺栓节点和后浇式节点达到了现浇节点的抗震性能；甚至螺栓节点在强度、延性、耗能等方面优于其他类型节点。吕西林等人[11]对螺栓节点、焊接节点进行了拟动力对比试验，结果表明：螺栓节点具有较好的抗震性能，若在螺栓节点处添加橡胶垫可增强工作状态，相反抗震结构中，焊接节点是其薄弱环节。姜洪斌等人[12]对后插灌浆节点进行连续的荷载拉拔试验，结果表明：后插灌浆节点的破坏与现浇节点一致，均是以钢筋屈服作为判断依据，同时锚固处无异常破坏的现象。顾自翀[13]建议从构件生产，运输和吊装，调节与固定三方面对装配式钢筋混凝土结构的施工精度进行控制。赵勇，王晓锋[14]总结和比较了国内外标准中对装配式钢筋混凝土结构施工验算的规定，根据《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153-2008的有关条款，在《混凝土结构施工规范》GB50666-2011中提出了装配式钢筋混凝土结构施工验算优化系数。1.2.2关于装配式废水池研究现状在装配式结构的节点连接方式和整体施工工艺可行的情况下，国内外学者对于装配式水池也有一定的研究。挡土墙所受三角形荷载与水池池壁受力形式相似，日本东洋工业株式会社[15]研究了一种L型配筋砌块的挡土墙技术。师发林，曹国强[16]提出了装配式低配筋混凝土预制沼气池的设计与施工方法。该水池池底、出料间底板和圈梁采用混凝土现浇，其余均为特殊预制构件模块现场拼装。焦挺，余红英[17]阐述了承德市污水处理厂的4个沉淀池采用无粘结预应力技术施工修建。池底现浇环形壁板槽，池壁采用“l”形的预制壁板，将预制壁板吊装就位于壁板槽里后灌缝形成整体，梁守全[18]介绍了一种水池是将池壁预制成L型板块，施工时靠自身直立，壁板底座伸出钢筋与水池底板伸出钢筋焊接在一起，再在接缝处浇筑微n西南科技大学硕士研究生学位论文第5页膨胀混凝土。L型壁板装配水池实质上是将以往现浇水池在池壁根部的施工缝移到底板边缘处。.范义梁[19]将池壁模块制成矩形、T形和L形三种形式。模块四周均外露长280mm同池壁规格相同的的锚固筋，底部对称设置两个称为燕尾的100mm×200mm钢筋混凝土腿，通过后浇式将模块拼装成整体。无锡市水泥制品技术科介绍了一种新型装配式水泥水箱[20]。采用六个1:1.5水泥砂浆振捣粉抹制作的预制平板通过预埋铁件焊接定位拼装而成。郑津洋，陈西南[21]介绍一种新型的由不锈钢外壳和内部骨架拉筋结构组成的装配式水箱，称为SMC水箱。张荣彪，王慧春[22]对拼装水窖的工艺进行了总结：设计采用梯形预制瓦进行分层拼装，层与层之间的外部围设混凝土箍梁，以提高水窖的整体性。对于装配式废水池结构形式现已出现以下几种：方形水池外墙构件的通常采用“1”型如图1-2，也有采用“L”型如图1-3所示。两种形式有各自的优缺点：采用“1”型，直接插入底板杯口，优点是底板不需要连接，利于底板防水，而缺点是墙体构件不能独立站稳，墙体构件就位，需要钢管扣件固定，经校正后需锲平底面；“L”型则恰好相反；内隔墙通常采用“1”型，底板上需预留杯口如图1-3。图1-2外墙构件采用“1”型入杯口图1-3外墙采用“L”型内隔墙采用“1”型Figure1-2facadesmembera"1"typeFigure1-3wallwith"L"inthetypeofintothecuppartitionusingthe"1"type水池构件现行可用的连接方式包括：池壁外围绕丝机固定法，钢筋电热张拉或者无粘结预应力筋张拉固定法，径向张拉固定法。这几种方法有一个共同点就是在池壁外围径向施加压应力。除此之外还可采用“榫口”连接方n西南科技大学硕士研究生学位论文第6页法、后浇式连接方法等。通过上述国内外研究现状的阐述和分析，可知：（1）目前国内外针对装配式钢筋混凝土结构的可行节点连接方式可行的有：后浇式、无黏结预应力式、后浇式连接、钢吊架式连接、焊接、螺栓连接。其中大部分的节点连接方式都是永久性的，无法拆卸，钢筋混凝土模块无法设计为周转利用的形式。（2）运用于装配式水池的池壁形状有：“1”型，“L”型，“燕尾”型。无粘接预应力连接多运用于大型圆柱形水池，膨胀混凝土后浇式多运用于中小型矩形、方形水池。没有针对于全装配式的水池池壁、池底的标准模块与可拆卸的连接方式。（3）装配式结构现行规范：美国装配式预应力钢筋混凝土协会（PCI）出版了“PrecastPrestressedConcreteDesignHanddbook”日本出版了PC板构件安装装配值规范，在我国深圳和江苏分别颁布了地方装配式钢筋混凝土技术规程。虽然现行国家有《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》。但该规程不能完全运用于全装配式水池，需要制定装配式钢筋混凝土水池的标准化施工工艺，便与推广。1.3本文的主要研究工作基于国家的可持续发展的方针，与钻前工程的特殊要求，本文分析现使用的现浇整体式钢筋混凝土水池缺点，突破传统的修建水池模式，研究设计钻前装配式废水池标准模块的形状、结构配筋、节点连接形式、快速装配水池的施工工艺。具体研究工作分为以下四个方面：（1）分析废水池的荷载效应，为标准模块的块型设计提供技术支撑；（2）标准模块的块型设计、配筋计算，连接节点设计；（3）通过室内缩尺试验检验装配式钢筋混凝土废水池的整体性；（4）提出装配式钢筋混凝土废水池的标准化施工工艺。n西南科技大学硕士研究生学位论文第7页2废水池荷载效应分析2.1废水池池型选择设计水池时，首先对容积与形状进行选择。水池的容积是由生产功能决定；水池的形状是由使用要求、建设场地、材料以及施工技术、结构受力特点以及地质情况等各方面因素决定，水池的常有形状分为球形、锥形、圆柱[23、24]形、矩形、正方形等。2.1.1容积选择一般的石油钻前工程中，废水池主要由岩屑池、沉淀池、清水池、渣液池、隔油池等不同功能的池子组成，废液依次通过水池达到自净化的作用。根据文献调研得知，水池的池型大小是以钻井深度为基数进行选择。川庆钻探工程公司企业标准Q/SYCQZ001-2008《钻井技术操作规程》具体列出了石油钻前工程中的废液池、岩屑池在的最小有效容积见表2-1~表2-4。表2-1废液池、岩屑池最小有效容积(unit:m³)Table2-1wastepond,poolsmallesteffectivevolumeofcuttings(unit:m³)序废液池井深(m)井身结构岩屑池(m3)号(m3)1＜2500244.5mm×177.8mm102038022500～3000244.5mm×177.8mm122040033001～3500244.5mm×177.8mm1340420339.7mm×244.5mm×177.8mm158045043501～4000244.5mm×177.8mm1480440508mm×339.7mm×244.51950540mm×177.8mm54001～6000339.7mm×244.5mm×177.8mm1800500508mm×339.7mm×244.52050600mm×177.8mm66001～8000339.7mm×244.5mm×177.8mm1900550注1：废液池有效容积未包括残酸池容积可留一定的净空。注2：特殊工艺井废液池、岩屑池有效容积的增加应按实际需要考虑。n西南科技大学硕士研究生学位论文第8页表2-2钻井作业污水池容积构建规定（单位：m³）Table2-2drillingsumpvolumebuildingregulations(unit:m³)正常井序号设计井深废水池（m³）钻屑池（m³）1<150060015021501-200080020032001-4000100020043001-400012003005>40011400400表2-3钻井作业污水池结构主要容积规定（单位：m³）Table2-3drillingcesspoolstructuremainlyprescribedvolume(unit:m³)污水池组成各小池容积（三池结构）设计井深序号钻屑池（m）总容积沉砂池隔油池硝酸池1<300045015015015015023001-400060020020020030034001-500075025025025045045001-60009003003003006005>60011200400400400750n西南科技大学硕士研究生学位论文第9页表2-4所钻井深不同而所产生的固体废弃物量情况（单位：m³）Table2-4deepdrillingdifferentamountofsolidwastegenerated(Unit:m³)固体污染总量井深废弃泥浆废弃钻屑废弃渣泥其他固废污染泥浆未回收再利用泥浆2001-3000200-300300-500不确定200-3003-53001-4000300-400500-700不确定250-3505-84001-5000400-500700-850不确定350-5008-105001-6000500-600850-1000不确定450-60010-126001-7000600-7001000-1200不确定500-70012-152.1.2形状选择圆形水池通常由圆柱壳、圆锥壳、环梁、圆板、以及多支柱支撑的圆形无梁楼盖等单元构件所组成。由于壳体大部分是以轴向受力为主，故能充分发挥全部材料的效能，能做成较薄的厚度，覆盖较大的面积。这种以壳体为主要组成部分的结构物，能够充分发挥壳体的受力性能好、刚度大、材料省的特点，并易于采用装配式预应力混凝土结构。这对于大容量的水池，节约建筑材料，加速施工进度，提高水池的抗裂抗渗性能以及保证使用效果等方面均有显著的优越性。矩形水池多为弹性薄板组成的空间结构。具有占地面积少，便于水池设备的工艺布置和操作，可以灵活地划分区间，设置隔墙和分层分格，构件分类易于模数化，施工技术较为简单等特点；但存在池体受力的组成因素复杂、对地基的不均匀沉降反应敏感等不足[2]。对于钻前废水池项目，进行多次现场考察与测量，平均相关参数，绘制现场整体水池示意图，如图2-1所示。n西南科技大学硕士研究生学位论文第10页平面图图2-1现场水池平面图、剖面图Figure2-1sitepoolplansection综上所述，考虑模数生产化拼装形式，参考现场的实际情况，以容积200m3边长10m×10m的矩形水池作为标准水池研究对象。n西南科技大学硕士研究生学位论文第11页2.2钢筋混凝土整体水池混凝土参数选择（1）混凝土抗压强度等级选择《给水排水工程钢筋混凝土水池设计规程》CES138-2002中相关要求为：水池受力构件的混凝土强度等级垫层混凝土强度等级不应低于C10。预应力水池的混凝土强度等级不应低于C30。因此，本整体水池选用抗压强度等级为C30的混凝土。（2）混凝土抗渗等级选择水池对混凝土的抗渗等级有一定的要求，当最大作用水头与混凝土厚度的比值小于10时，应采用S4；当比值为10～30时应采用S6；当比值大于30时，应采用S8。现场最大作用水头为2m，与20cm厚池壁的比值为10。因此，混凝土抗渗等级采用S6。（3）混凝土抗冻等级选择当水池外露时，对最冷月平均气温在-3～-10℃的地区，混凝土抗冻等级应采用F150；对最冷月平均气温低于-10℃的地区，混凝土抗冻等级应采用F200。配制抗渗、抗冻混凝土时水灰比应不大于0.5。本文研究的钻前废水池处于川南地区，属于最冷月平均气温在-3～-10℃的地区，因此混凝土抗冻等级采用F150。2.3荷载选择废水池的内表面与水进行直接接触，在进行废水池设计前，首先必须计算作用在边界的水压力，即需要先对水池所受的荷载进行一定的理论分析。同时，在水流速度几乎为0时，以静水荷载作用在地面上的废水池进行分析。静止或处于相对平衡状态的液体作用在与之接触的表面上的水压力称为静水压力，以Fp表示。在水池池壁上取微小面积A上的静水压力为FP，则A面上单位所受的平均静水压强如式（2-1）为FPq（2-1）A静水分析是水池设计中的基础工作，在本工程中，主要考虑的是在静水荷载作用下水池的组合应力分布以及位移分布情况。n西南科技大学硕士研究生学位论文第12页（1）池壁荷载水池的池壁荷载主要由以下组成：a.水池池壁的自重荷载；b.水的侧压力；水池池壁作为竖向构件，对于水平方向的荷载十分敏感。因此，第二种静水[23、24]荷载作为水池池壁计算的控制荷载。静水压强呈三角形分布，在池壁顶端处压力为0，在池壁底端处水压力值达到最大值。静水压强的最大标准值按照式（2-2）进行计算。q壁wHw（2-2）式中：——水的重度值，一般可以取为9800N/m3；wH——水的深度，一般为了简化计算，常常取为池壁的计算高度或者w池壁的净高度；（2）池底荷载池底荷载主要的由以下组成：a.由池子各构件本身的自重引起的池底荷载；b.自重引起的地基反力。因此，底板荷载可以按照式（2-3）计算。G壁q底（2-3）A底式中：G壁——池壁的自重；A底——池底板的面积。（3）荷载组合本废水池处于地面上，最不利的工况为池内贮满水而池外却没有回填土的极限状态[25、26]国家规范中指出现行的混凝土结构设计方法是基于概率理论的极限设计方法，利用可靠度指标来衡量结构构件的可靠度，即根据荷载出现的概率大小在其标准值前乘以一个分项系数作为结构的设计值。根据《给水排水工程钢筋混凝土水池设计规程规程》CECS138-2002知，恒荷载分项系数选用1.27。2.4废水池荷载效应有限元分析2.4.1有限元分析的基本原理整体水池在受到静水荷载时，会出现一定的变形。标准模块划分设计时可通过有限元分析计算避免最大组合应力点与最大变形位置。有限元分析可把需要求解的单元先离散为有限个互相不重叠但相互连接n西南科技大学硕士研究生学位论文第13页的小单元，在每个小单元上给出其求解的基本函数，用基本函数的线形组合来逼近求解每个小单元的真解，而整个单元的近似解可以看着是每个计算小单元近似解的矩阵构成[27]。因而在求解过程中，单元离散化程度越高，离散的小单元越小，求解的精度也就越高，但计算的工作量也就越大。本小节拟通过美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件对选取的通用型水池的整体受力情况进行线性分析，以便为后小节的标准模块块型的设计做好理论基础。2.4.2有限元模型的建立建立有限元模型的主要原则是在保证原结构实际工作情况的前提下，保留主要部分，去除原结构中的次要部分，以求对原结构进行最大化的简化，从而方便后续的计算分析。在ANSYS中，模型一般特指利用节点与单元描述的一系列空间或平面形状以及它们所围成的区域。模型建立就是生成空间或平面形体的过程[28-30]。（1）基本假定①有限元分析模型满足小节2.3中的基本假定，即：混凝土水池坐落于地面上，地基承载力良好，无不均匀沉降的情况出现；。②结构处于限弹性范围以内；③弯曲变形满足平截面假设。（2）单元选取采用分离式单元模型对分析单元进行模型的建立，即单元采用3D实体单元Solid45单元[31]。Solid45称为3D8节点结构实体单元，用于模拟3D实体[32]。该单元由8个节点定义，每个节点有3个自由度，即沿节点坐标系x，y和z方向的平均位移，单元模型如图2-2所示。n西南科技大学硕士研究生学位论文第14页图2-2ANSYS单元模型图Figure2-2ANSYSunitmodeldiagram（3）边界条件假定水池支撑于水平地面上，由于支承反力与摩擦力的作用，底部节点不发生平动，但可发生转角，因此边界条件处理为ux，uy，uz约束[33]。（4）荷载施加根据弹性理论，弹性体内的应力、应变和位移要满足平衡方程，几何方程和本构关系以及相应的边界条件[34]。水池所受荷载如图2.3包括水池自重G、静水压力P、地面支承反力F，其中水池自重G对侧壁下方的正压应力起增大作用，有利于结构受力。静水压力中的侧压力P使侧壁产生弯曲变形，竖向正压力P与地面支承反力F相平hf衡。在高度h处的静水侧压强可由式（2-4）算得Ph()gh（2-4）水池顶部h=0时，Ph()0Pa水池底部h=2时，Ph()=1000×9.8×2=19600Pa水池顶部与底部之间呈线性分布形成三角形荷载[35]，如图2-3水池荷载简化图。ANSYS施加三角形荷载如图2-4。n西南科技大学硕士研究生学位论文第15页bbPPGbF图2-3水池荷载简化图Figure2-3Loadsimplifieddiagrampool图2-4ANSYS三角形荷载的施加Figure2-4ANSYStriangleappliedload2.4.3结果分析根据mises准则，组合应力公式（2-5）222(a-a)(a-a)(a-a)1223312（2-5）其中aaa,,分别指第一、二、三主应力，经ANSYS有限元计算分析，废123水池在静水压力作用下组合应力云图如图2-5，各节点总位移分布图如图2-6。n西南科技大学硕士研究生学位论文第16页图2-5ANSYS组合应力云图图2-6ANSYS变形位移云图Figure2-5ANSYSstresscloudportfolioFigure2-6ANSYSdeformationdisplacementcontours选取X=0的坐标点构成的面进行应力数据分析，在各个高度处，组合应力沿Y轴方向的分布如图2-7。图2-7不同高度组合应力沿Y轴方向分布图Figure2-7combinationsofdifferentheightsalongtheY-axisdirectionstressdistribution2.5本章小结废水池在不同高度处，沿池壁水平方向1/2处和1/25处是组合应力最大值最可能出现的位置。虽然组合应力未超过C30混凝土抗拉强度设计值1.5MPa，但在装配式钢筋混凝土废水池标准模块设计时，应尽量避开在组合应力最大的位置划分。n西南科技大学硕士研究生学位论文第17页3装配式钢筋混凝土废水池标准模块设计创新设计的装配式钢筋混凝土水池要满足工业化的要求，主要体现为改变原有的现浇式生产模式，提倡构件的标准化设计、工厂化生产、机械化施工、专业化管理四个方面。装配式钢筋混凝土水池要实现工业化修建，需要对标准模块进行工厂化的生产，而标准模块的设计却是工厂化生产最先迈出的一步。模块标准化设计时需要满足不同规模水池间通用的功能要求，从而通过生产效应，实现标准模块的长期、持续、循环使用，以达到逐渐降低生产成本的目的。标准模块的设计是连接设计图纸与模块工厂化生产的纽带。本章节将根据块型设计、配筋设计、连接设计3个要点进行合理的标准化设计。3.1标准模块块型设计由2.4.3小节知，在标准模块块型设计时，应尽量避开在组合应力最大的位置进行划分。在小节2.4.2中的整体现浇水池有限元模型里，选取X=0的坐标点构成的面，沿Y轴方向，将各个高度处的组合应力进行平均值的数据处理，如图3-1。图3-1组合应力平均值沿Y轴变化曲线Figure3-1averagesacombinationofstresscurvealongtheYaxisn西南科技大学硕士研究生学位论文第18页从图3-1可知，组合应力平均值的最大值出现在沿Y轴方向的位于0.3m处，1.7m-2.4m处，7.8m-8.7m处，10.1m处。现就不同高度处的最大组合应力的详细坐标提取值如表3-1。表3-1不同高度处最大组合应力对应的水平位置Table3-1maximumcombinedstressatdifferentheightscorrespondingtothehorizontalposition高度最大组合应力值Y轴坐标值序号H（m）（MPa）（m）10.00.615.1-5.420.10.785.1-5.430.20.975.1-5.340.30.985.250.40.825.1-5.360.50.665.1-5.370.60.515.1-5.480.70.405.1-5.490.80.361.1-1.2，9.2-9.3100.90.361.2，9.2111.00.371.3，9.1121.10.371.3，9.1131.20.371.4，9.1141.30.380.3，10.1151.40.410.3，10.1161.50.440.3，10.1171.60.470.3，10.1181.70.490.3，10.1191.80.510.3，10.1201.90.540.3，10.1212.00.570.3，10.1222.10.600.3，10.1232.20.610.3，10.1n西南科技大学硕士研究生学位论文第19页表3-1数据表明，池壁的底部最大组合应力出现在距边界5.2m附近，池壁跨中高度处的最大组合应力出现在距边界1.3m附近，顶部的最大组合应力出现在距边界0.3m附近。标准模块的划分应尽可能避开以上几处。模块化设计时需遵循四个尺度体系原则。分别是：第一，工程施工工艺体系；第二，规范参数体系；第三，构造结构参数体系；第四，模数生产体系。（1）工程施工工艺体系多循环利用装配式钢筋混凝土水池如特殊形状的砌块进行无砂浆式堆砌。可将砌筑工程的施工工艺进行推广，如上下错缝等基本要求，模块间选择错缝拼接方式，相邻模块相互约束，便于提高水池的整体性。故在转角处的模块做了变截面的设计；保证底板平整度，特将底板分割为上下两层的十字型模块，在方便连接的同时，也通过错缝搭接提高了整体性。（2）规范参数体系参考相应国家标准和行业规范，如《给排水工程结构设计规范》，其中要求水池的厚度不小于20cm，以国家标准为设计的基础参数选择，保证标准模块设计满足国家、行业的一般要求。（3）构造结构参数体系标准构件的连接方式主要有：后浇式连接、预应力连接、螺栓连接等。在基础设计后要考虑一定的的构造要求，如设置腋角减小最大应力的冲击，以便将设计进行优化。（4）模数设计体系模数化又被称为标准化，以模数化为设计基本理念是为达到水池可根据不同数量的模块拼装组成不同尺寸的水池，特以宽度1m为模数，设计尺寸多为其倍数[36]，以满足不同容积水池的功能要求。标准模块的块型设计有着相对独立性、整体性、通用性等特征；同时兼顾工厂化生产、机械化施工的要求；除以上原则外，还需要坚持标准模块的种类尽量少；形状尽量简单；模块预制、施工安拆方便；可多次周转使用等原则。根据以上特征、功能要求及设计原则，将模块设计成4种不同的尺寸，在水池中所处位置如图3-2所示，各模块三维视图及尺寸图见图3-3~3-6。n西南科技大学硕士研究生学位论文第20页图3-2模块在装配式水池中的位置Figure3-2modulefabricatedpoollocation图3-3模块一“底板”三维示图与尺寸图Figure3-3moduleisathree-dimensionalviewofthefloorandDimensions模块一用于底板的拼装，为避免拼接连接部分凸起对后期抗渗土工膜的铺设造成影响，特将底板设计成由上下两层搭接拼装而成，同时错缝搭接的形式可提高模块与模块的连接性，已增强整体性。n西南科技大学硕士研究生学位论文第21页图3-4模块二“底板侧壁两面L型”三维示图与尺寸图Figure3-4Moduletwo"onbothsidesoftheL-shapedbottomsidewall"Three-dimensionaldiagramandDimensions钢筋混凝土水池的最大组合应力位于池壁底部如图2-5，特将模块二选用为“L”型以避免接缝位于最大组合应力处而对废水池的整体性造成影响。n西南科技大学硕士研究生学位论文第22页图3-5模块三“底板侧壁三面转角”三维示图与尺寸图Figure3-5ModuleThree"sidewallbottomcorneronthreesides,"athree-dimensionaldiagramandDimensions钢筋混凝土水池的较大组合应力位于池壁上部转角处如图2-5，特将模块三设计为转角整体型。为增强水池模块拼装的整体性，根据错缝的理论对模块三进行模数的变截面调整。遵循形状简单的原则，将模块四按模数设计为“1”型，细部构造与模块二、模块三完美拼接。n西南科技大学硕士研究生学位论文第23页图3-6模块四“侧壁”三维示图与尺寸图Figure3-6Modulefour"sidewall"three-dimensionalviewandDimensions3.2标准模块配筋计算3.2.1配筋计算的参数选择假设在装配式节点连接的前提下，模块与模块的连接是完全可靠并达到现浇水池的整体性，静水荷载随着水位深度的增加而增加，选取模块二“底板侧壁两面L型”作为配筋计算的基础模块。配筋设计计算中涉及的钢筋混凝土保护层厚度参照《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》的要求。详见表3-2钢筋混凝土最小保护层厚度。表3-2根据构件类型混凝土保护层最小厚度Table3-2reinforcedconcreteprotectivelayerofminimumthickness构件名称工作条件保护层最小厚度与水、土接触30板、壳与污水接触35与水、土接触35梁、柱与污水接触40有垫层的下层钢筋40底板无垫层的下层钢筋70n西南科技大学硕士研究生学位论文第24页本水池建于地面上，侧壁不与水、土接触，参考现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2010设置，详见表3-3混凝土保护层最小厚度（mm）。表3-3根据环境类别混凝土保护层最小厚度（mm）Table3-3Minimumthicknessofconcretecoverc(mm)环境类别板、墙、壳梁、柱、杆一1520二a2025二b2535三a3040三b4050水池侧壁在环境类别中隶属于二a类（室内潮湿环境，非严寒和非寒冷地区的露天环境；非严寒和非寒冷地区与无侵蚀性的水或土直接接触的环境；寒冷和寒冷地区的冰冻线以下与无侵蚀性的水或土直接接触的环境），形如板壳结构，保护层厚度取20mm。水池底板的最小保护层厚度参照表3-2、表3-3知，在不考虑不均匀沉降的情况下，保护层厚度取40mm。根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》的一般要求，确定采用C30S6混凝土；池底、池壁截面厚度采用规范要求的最小厚度20cm；保护层厚度池壁20mm，池底40mm，假定整体性满足现浇水池的条件基础上，进行配筋设计。3.2.2配筋设计配筋设计依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002，《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS138-2002。由小节3.1知，本装配式水池拼装完成后的基本几何信息如图3-7：长度与宽度净长为10m，高度净高2m，池底厚0.2m（不含构造连接部分），池壁厚0.2m（不含构造连接部分），无顶盖，放置于地面上。n西南科技大学硕士研究生学位论文第25页20010400100002001000020020010400220020002001000020020010400图3-7装配式水池成形基本几何尺寸Figure3-7prefabricatedpoolsformingbasicgeometry（1）池壁配筋设计根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS138-2002知，恒荷载分项系数选用1.27。本水池在蓄满水的时候是荷载最不利的情况[37]，模块二“底板侧壁两面L型”底部处最大水压力标准值见式（3-1），最大静水压强设计值见式（3-2）：q=rh水标水标准值（3-1）20.00kNq=q1.27设水标设计值（3-2）=25.40kNn西南科技大学硕士研究生学位论文第26页模块二“底板侧壁两面L型”的侧壁结构形式在螺栓连接的情况下的边界条件为底边固结，三边剪支。在池内有水，池外无土的条件下，取其中一个标准模块进行受力分析。该标准模块侧壁受水压力作用弯矩图如图3-8。MylyMxMvqlx图3-8模块二侧壁部分受水压力示意图Figure3-8Moduletwosidewallportionsbywaterpressureschematic侧壁部分局部弯矩m依照式（3-3）进行计算2mmql（3-3）c其中mc—《建筑结构静力计算手册》查表得弯矩系数mc，跨中水平方向mc0.0112；跨中竖直弯矩mc0.0156；下端固结水平方向mc0.0483。以模块二侧壁部分计算。内侧基本组合作用见表3-4。表3-4基本组合作用组合表Table3-4combinedeffectofacombinationofbasictable内侧部位池内水压力基本组合水平边缘-2水平跨中mql0.011219.05110.210.21c竖直上边缘-2竖直跨中mql0.015619.05110.300.30c2竖直下边缘mql0.048325.4111.231.23cn西南科技大学硕士研究生学位论文第27页通过式（3-4）~（3-8）单筋受弯构件计算板受拉钢筋，池壁配筋计算面积与实配钢筋见表3.7。Mas2afbh1c0（3-4）112as（3-5）afbh1c0A（3-6）sfy将配筋面积与最小配筋面积比较大小，并取大值AsmaxAs，Asmin（3-7）Abh（3-8）sminmin式中：as——截面抵抗弯矩系数；——相对受压区高度，xh/；0x——截面受压区高度（mm）；h——截面有效高度；0a——系数，当混凝土强度等级≤C50时，a取1.0；11f——混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm2）；cb——截面宽度（mm）；f——钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；yA——按最小配筋率计算得到的受拉钢筋面积（mm2）；smin——受拉钢筋最小配筋百分率。min各部位构件的受力钢筋的最小配筋百分率应满足表3-5与表3-6的要求:表3-5受力钢筋的最小配筋百分率Table3-5Minimumsteelreinforcementforcepercentage受力类型最小配筋百分率（%）全部纵向钢筋0.6受压构件一侧纵向钢筋0.2受弯构件、受拉构件一侧纵向受拉钢筋0.2和表3-5中的较大值，n西南科技大学硕士研究生学位论文第28页表3-6受弯构件与受拉构件一侧纵向受拉钢筋最小配筋百分率Table3-6flexuralmemberswiththetensionmembersideofthelongitudinaltensilereinforcementminimumreinforcementpercentage混凝土强度等级C20C25C30C35C40钢HPB2350.240.270.310.340.37筋HRB3350.20.20.220.240.26种类HRB4000.20.20.20.20.21表3-7池壁配筋计算面积与实配钢筋Table3-7tocalculatetheareaandarealwallreinforcementwithsteel内侧部位弯矩计算面积实配钢筋实配面积水平跨中0.21300C12@200565水平边缘-300C12@200565竖直跨中0.30300C12@200565竖直上边缘-300C12@200565竖直下边缘1.23300C12@200565外侧受压区由混凝土承受压力，为了平衡压力，在外侧按最小配筋率进行计算，计算面积为300mm2，实配钢筋为C12@200。（2）池底配筋设计池底计算一般有三种计算模型：①将底板的地基反力假定为按直线分布或均匀分布，参照单跨或多跨连续板计算方法进行分析[38]；②池壁底部底板按条形基础设计或将四周池壁按挡土墙的形式进行设计，其余中间部分采用构造防水板；③对于水池尺寸较大、池内有柱子的底板可采用板柱形式即倒置的无梁楼盖的计算方法进行分析也可以把水池底板作为有柱墩作用的平板式筏基，底板配筋按桩筏筏板有限元计算[39]。本装配式钢筋混凝土水池不考虑弹性地基上底板在荷载作用下的弹性变形，同时不考虑地基土的弹性沉降。该条件下，适用于地基反力的计算模式。本现浇水池混凝土体积为42.39m³，则水池底板全部竖向均布荷载基本n西南科技大学硕士研究生学位论文第29页组合如式（3-9）。qpp底板GGww（3-9）213.362kNm/2其中：p——水池结构的重力荷载（kN/m）G2p——池内水作用荷载标准值（kN/m）；w——结构自重分项系数；G——除结构自重外，各项永久作用分项系数。w底板均布净反应力基本组合如式（3-10）：q=13.36-0.2251.35净反力（3-10）2=6.61kN/m根据（3-4）~（3-8），底板配筋计算面积及实配钢筋如表3-8所示。表3-8底板配筋计算面积与实配钢筋Table3-8floorreinforcedwithsteeltocalculatetheareaofreal内侧部位弯矩计算面积实配钢筋实配面积水平向边缘12.10400C12@200565竖直向边缘12.10400C12@200565水平向跨中-35.27473C12@200565竖直向跨中-35.27473C12@200565其中根据双向板弯矩计算系数表得，边缘弯矩系数取0.0176，跨中弯矩系数取0.0513。3.2.3标准措施构造（1）腋角设置腋角是指主体结构加腋，即结构转角如池壁底部转角处增加的结构措施，用来消除转角的应力集中，同时也作为永久受拉结构构建。模块二“底板侧壁两面L型”加腋的构造配筋大样图详见图3-9；模块三“底板侧壁三面转角”加腋的构造配筋大样图见图3-10，其中腋角内配置斜筋的直径与池壁受力筋相同，锚固长度参考11G101-1混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图。n西南科技大学硕士研究生学位论文第30页附加钢筋C12200图3-9模块二底板侧壁两面L型图3-10模块三底板侧壁三面转加腋的构造配筋大样图角加腋的构造配筋大样图Figure3-9ModuleIIsidewallFigure3-10modulesidewallbottombottomsidesofL-typestructurethreeonthreesidesofthestructurereinforcementreinforcementcornerhaunchedlargedrawing（2）连接部位小梁的构造配筋标准模块背面凸起部分形似梁状，在本装配式钢筋混凝土水池中主要承担模块与模块连接时，螺栓构件的依附物。连接部位小梁按小最小配筋率0.2%，进行构造配筋。通过以上计算，标准模块的配筋平法图如图3-11~图3-14图3-11模块一底板钢筋平法图Figure3-11ModuleareinforcedfloorflatFatoun西南科技大学硕士研究生学位论文第31页图3-12模块二底板侧壁两面L型钢筋平法图Figure3-12ModuletwobottomsidesoftheL-shapedreinforcedsidewallslevelFatoun西南科技大学硕士研究生学位论文第32页图3-13模块三底板侧壁三面转角钢筋平法图Figure3-13ModulethreebottomcornerofthesidewallonthreesidesreinforcedflatFatou图3-14模块四侧壁钢筋平法图Figure3-14ModulefourflatreinforcedsidewallsFatoun西南科技大学硕士研究生学位论文第33页3.3装配式钢筋混凝土废水池标准模块连接3.3.1装配式钢筋混凝土废水池基本连接方式设计一般现场安装、拼接和需要进场拆装的结构应优先考虑采用螺栓连接。螺栓连接包括普通螺栓和高强螺栓连接。根据装配式钢筋混凝土水池的受力形式应选择承压型高强螺栓作为连接构件。承压型高强螺栓靠通过连接件件间的摩擦力和栓杆共同传力，以栓杆被破坏或被承压破坏为承载力的极限，适用于承受静力荷载的结构中[40]。标准模块与模块的连接主要为两个方向：①模块1“底板”与“底板”的连接，在无不均匀沉降的基础上，该部分的螺栓不承受剪力的作用，选配规格可与侧壁连接一致。②其余三种模块的侧壁部分连接，只有于净深1m处起连接作用的螺栓承受的静水侧压力剪力。其余连接处的螺栓承受部分拉力。则净深1m，即h1.2m处的剪力见式（3-11）。h净2qVxdx0h（3-11）1qh净8其中：q——单位长度等效荷载集度，q水hl单位=20kN/mh净——蓄水高度（m）x——蓄水顶高度与净深1m处的差值净深2m即h=0.2m处的拉力见式（3-12）。以螺栓承受此处的拉力进行假定型的验算。h净qfxdxh0（3-12）1qh净2通过式（3-9）的计算，h1.2m处，即h净=1m处，单位长度的剪力V=5kN。式（3-10）的计算，h=0.2m，即h净=2m处，单位长度的拉力f=20kN。假设选用等级为8.8级的M20高强度螺栓。此螺栓的最低抗拉强度是222800N/mm，屈服强度是0.8800kN/mm640kN/mm。一个承压型高强度螺栓的抗剪承载力设计值为式（3-13）。n西南科技大学硕士研究生学位论文第34页2bdbNnf（3-13）vvv4b其中：Nv——单个承压型螺栓抗剪承载力设计值；n——螺栓受剪面数：单剪面n1，双剪面n2，四剪面n4；vvvvd——螺栓杆直径；M20有效直径17.65mm；bb2f——8.8级承压型高强度螺栓的抗剪设计值f250N/mm。vv而抗拉承载力设计值为式（3-14）2bdbNf（3-14）tt4b其中：Nt——单个承压型螺栓抗拉承载力设计值；d——螺栓杆直径；M20有效直径17.65mm；bb2f——8.8级承压型高强度螺栓的抗剪设计值f400N/mm。tt单个等级8.8M20的承压型高强度螺栓的抗剪承载力设计值bN61.14kN，该设计值远大于单位长度的剪力V。抗拉承载力设计值vbN78.25kN，该设计值远大于单位长度的拉力f。v由此可知标准模块单位长度范围内的连接设置1个等级8.8M20的承压型高强度螺栓即可满足要求。模块1“底板”与“底板”的连接是采用同一模块，上下反扣，搭接部分，避免螺栓孔洞距模块边缘的尺寸条件下，设置了8个螺栓连接构件。如图3-15。图3-15底板与底板的连接Figure3-15floorandthebottomoftheconnection模块一“底板”与模块二“底板侧壁两面L型”、模块三“底板侧壁三面转角“的连接与底板连接方式相同如图3-16、图3-17。n西南科技大学硕士研究生学位论文第35页图3-16底板与底板侧壁两面L型的连接图3-17底板与底板侧壁三面转角连接Figure3-16L-typeconnectoronbothFigure3-17flooronthreesidesandthesidesofthefloorandthebottomsidewallbottomsidewallangleconnector为了保证每个模块与模块之间都能有连接件，模块四“侧壁”与模块二“底板侧壁两面L型”、模块三“底板侧壁三面转角”的连接每米等距离设置两个螺栓，如图3-18。图3-18模块4侧壁与模块2底板侧壁两面L型、模块3底板侧壁三面转角的连接Figure3.18Module4Module2sidewallsandbottomsidesoftheL-shapedsidewalls,Module3bottomcornerofthesidewallonthreesidesconnection3.3.2装配式钢筋混凝土废水池构造连接方式设计通过标准模块的配筋计算，混凝土性能抗压，钢筋性能抗拉满足水池的n西南科技大学硕士研究生学位论文第36页静水荷载，同时，模块的拼接处所受的剪力由高强螺栓承担，除此之外，还需要对结构和非结构各部分采取必要的细部构造措施处理，提高结构的整体性，实现现浇式水池结构的设防目标。在3.1小节中知，模块化设计考虑了工程施工工艺体系。本装配式钢筋混凝土水池的多循环利用的拼装工艺设计如特殊形状的砌块进行无砂浆式堆砌。将砌筑工程的上下错缝的工艺运用于模块设计中，如何在无砌筑工程湿连接的条件下，提高水池的整体性，是构造连接需要优化的设置的重点。根据静水荷载分析得知，对于同一高度的模块所承受的荷载是相同的，静水压力对同一高度处的模块整体性影响不大，但对于不同高度的模块所承受的荷载则随着水位高度而递增。提高竖向两种模块的的连接性有助提高装配式水池的整体性。通过3.3.2小节计算，单位板带的配筋面积最小需要300mm2，现选用2C25的钢筋于螺栓连接齐平的位置进行模块与模块的纵向贯通，构造连接方式如图3-19。图3-19标准模块纵向构造连接Figure3-19standardmodulesconnectedverticalstructure3.4本章小结本章主要介绍了标准模块的设计原则、成型尺寸，同时根据模块二“底板转角两面L型”的受力情况进行配筋计算与连接节点构造设置，绘制四种模块的尺寸图与配筋图，为建设者提供技术支撑。n西南科技大学硕士研究生学位论文第37页4装配式钢筋混凝土废水池稳定性检验分析4.1结构模型4.1.1相似原理相似指相类、相像。结构上相似是指组成结构物的每个要素必须与原型的对应要素相似，包括几何要素和物理要素，主要相似的物理量有以下几个。（1）几何相似：如数学理论上的相似三角形，要求对应边成比例，即模型与原结构之间所有对应部分的尺寸都成比例；（2）荷载相似：荷载相似要求模型和原型结构在对应点所受的荷载模型相似，大小成比例；（3）刚度相似：材料刚度的表示参数是模型模数E（拉压）和G（剪切），若模型与原型结构各对应点处材料拉压弹性模数和剪切弹性模数成比例，即材料的弹性模数相似；EEEGGG1p2p3p1p2p3pSSEGEEEGGG1m2m3m1m2m3m（4-1）式中：S为抗压弹性模数相似常数；S为剪切弹性模数相似常数。EG（4）边界条件相似：模型与原型结构在与外界接触的区域的各种条件保持相似，即要求结构的支撑条件、约束条件、边界条件相似。4.1.2缩尺模型设计由于设计的模型型与原型结构存在物理相似关系，现根据量纲分析法计算其他相似条件。（1）根据具体的试验目的，选择用于分析结构弹性阶段的弹性模型。本缩尺模型与原型结构的材料有着完全相似的弹性性质。（2）根据试验内容，于表4-1中列出所需的物理量及其量纲。表4-1试验物理量量纲Table4.1Testdimensionlessquantitiesandsimilarconditions物理量量纲物理量量纲应力12长度LMLTn西南科技大学硕士研究生学位论文第38页续上表应变1时间T密度3质量MML弹性模量12力2MLTMLT（3）确定模型的几何尺寸，定出长度相似常数S。L长度相似常数S缩尺比例可以从几分之一到几百分之一，需要综合考虑L各种因素，如类型、材料、制作条件以及试验条件才能确定最优的几何尺寸。钢筋混凝土结构因截面的最小厚度、钢筋间距、保护层厚度等方面限制，则相似常数S不能取得偏小，取1/2。L根据相似条件定出各相似常数。缩尺模型的混凝土依然采用C30，钢筋面积缩小为1/4，均布荷载不变进行室内缩尺试验。4.2缩尺模型满水试验4.2.1试验方案（1）配合比检测为了检测装配式钢筋混凝土水池模块的拼装契合性与水池满水后的形变及稳定性，根据4.1中相似系数的确定，试件采用C30混凝土，尺寸1/2缩尺，钢筋面积1/4缩尺制作。在浇注标准缩尺模块的同时，预留150150150mm的标准立方体抗压试件3组共9个，与标准缩尺模块在同一条件下养护至28天龄期后在建筑结构实验室采用100T万能液压伺服机上按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行检测。测得的混凝土标准立方体的抗压强度见表4-2，设计的混凝土配合比满足C30混凝土强度值。表4-2标准立方体试件试验结果Table4-2Testresultsofthecubespecimen试件立方体抗压强度轴心抗压轴心抗拉f弹性模量t设计强度编号f（MPa）f（MPa）（MPa）E（GPa）cucc1C3034.3126.08464.9831.142C3031.4523.90390.7030.27n西南科技大学硕士研究生学位论文第39页续上表3C3033.7425.64449.6630.974C3035.1326.70487.4831.375C3034.4226.16467.9731.176C3036.0027.36511.9231.617C3032.9225.02428.0730.738C3034.1325.94460.1231.099C3032.8824.99427.0330.725210表中：f0.76f，f0.395f，Eccutcuc34.72.2fcu（2）量测方案根据2.4有限元分析结果，以对称的1/4个水池为分析对象，选定18个可能出现较大应力的位置为测点，具体位置详见图4-1。同时在侧壁跨中位置处，设置了3个百分表，以监测水池随着水位上涨，位移的变化，如图4-2。图4-1应变片粘贴位置图图4-2百分表设置位置图Figure4-1PastegagelocationmapFigure4-2LocationMapdialsettings（3）加载方案荷载施加与静水荷载相似，注水时水位上升速度不得超过2m/d，相邻两次注水的间隔时间不应小于24h。同时对仪器静态数据采集仪（DH3815）设定10s自动读取一次数据，在高度1/3、2/3处，3/3处暂停5s,单独保存数据。n西南科技大学硕士研究生学位论文第40页4.2.2试验结果及分析随着水位上升的过程中，装配式水池表面无明显变化，通过测量数据分析水池的位移变化与应变变化。百分表的位移变化如表4-3，折线图如图4-3。表4-3百分表数据处理Table4-3DialIndicatordataprocessing序号竖向上部竖向跨中竖向下部上部-下部差值跨中-下部差值15.5995.5995.5990025.3835.5015.524-0.098-0.07535.3855.5155.538-0.084-0.06145.3745.4645.518-0.135-0.08155.4055.4815.518-0.118-0.08165.4155.4885.521-0.111-0.07875.5115.4965.525-0.103-0.07485.5975.5825.593-0.017-0.00695.7355.6345.6250.0350.026105.8655.6865.6490.0870.05116.7855.7835.720.1840.121图4-3百分表位移变化分析图Figure4-3dialdisplacementanalysischartn西南科技大学硕士研究生学位论文第41页从图4-3中可知，百分表的测量在前两个小时范围内，有一定的下降趋势，介于试验在夏季室外进行，综合对比应变片的温度补偿片的测量数据，在对应的时间段里，温度补偿片的走势与百分表数据采集的走势一致。百分表数据表明，缩尺模型的侧壁跨中部位竖直方向最大位移变形为1.18mm，根据相似系数，则原尺寸模型的侧壁跨中部位竖直方向最大变形位移为2.36mm＜挠度限值l/2005mm。0DH3815数据采集仪每10S自动记录一次数据，数据处理后选取池壁跨中测点的折现图如图4-4。图4-4侧壁跨中部位随荷载增加应力测量值Figure4-4sidewallacrossthesitewithincreasedstressloadmeasurements从图4-4中可知，数据采集仪的数据中，缩尺模型的侧壁跨中部位竖直方向最大应力值为2.76MPa，根据相似系数，则原尺寸对应部位的应力值为2.76MPa远小于HPB400钢筋的抗拉性能与C30混凝土的抗压性能。4.3本章小结根据相似原理，将缩尺模型试验检测出的百分表变形位移与应变采集数据进行处理分析，满足规范挠度限制要求与混凝土、钢筋力学性能要求。则装配式钢筋混凝土水池达到现浇水池的整体性，可以得以进一步的推广。n西南科技大学硕士研究生学位论文第42页5装配式钢筋混凝土废水池施工工艺研究5.1模板设计标准模块的工厂化生产过程中，组合钢模板的设计与加工起关键作用，设计时需从模板强度、模板安装、模板紧固、模板拆卸、预留孔洞、预埋件安装定位、施工机械性等方面进行综合考虑。对混凝土工程中模板刚度计算，应根据《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-92）的有关规定进行，采用组合钢模板时，混凝土的侧压力是主要荷载计算值，其截面塑性发展系数取1.0。日本对混凝土侧压力的计算，通常依照日本建筑学会规范中JAss5《钢筋混凝土结构施工规范》所推荐的方法进行。算得的侧压力一般都在70kN/m2以下。英国对混凝土侧压力的计算[41]，通常采用《CIRIAReport108》1985的规定，记录所得值，一般不超过90kN/m2。法国对混凝土侧压力所采用的标准，通常为土木与建筑专门学会（InstitutTechniqueduBatimentetdesTravauxPublics）专刊第207-208号文件《新混凝土对模板的侧压力》（Pousseedubefonfraissurlescoffrages）所作的规定，它的结论，每2.5m高的侧总压力为90kN/m2。根据我国《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162-2008）[42]，新浇筑的混凝土作用于模板的最大压强依照式（5-1）进行计算FH（5-1）C式中：F—新浇筑混凝土对模板的最大压强（kN/m2）;—混凝土的重力密度（kN/m3）；CH—混凝土侧压强计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度（m）。以1m为模板侧压力计算的标准块，根据式（5-1）所知，F=25kN/m2。选用的组合荷载包括：模板自重；浇筑混凝土自重；钢筋自重；浇筑混凝土对模板侧面的压力。模板的计算荷载进行组合53.84kN/m2。组合钢模板是由面板与背肋组成。面板一般选用2.3mm或2.5mm[43]，，本着预制构件生产的多次精确利用，现选用5mm的钢板作为面板进行反验算分析。在国家标准《组合钢模板技术规范》GB/T50214-2013中，一般钢模板长n西南科技大学硕士研究生学位论文第43页度有6种：150cm、120cm、90cm、60cm和45cm。本水池的标准模块的设计模数为1m，其长度属于一般钢模板长度的中间值，在模板设计时需要根据面板的变形情况适当的添加背肋以确保预制构件的精确性。标准模块的底部模板边界条件为四边固支与三边固支顶边自由两种情况。现通过ANSYS以三边固支顶边自由的边界条件模拟长1m、宽1m、厚5mm的钢模板面板所受的侧压力的情况。分析结果如图5-1、图5-2。图5-1模板厚度为5mm的应力云图图5-2模板厚度为5mm变形位移图Figure5-1stencilthicknessof5mmFigure5-2stencilthicknessof5mmstressclouddisplacementdeformationmaps10图5-1所示，最大应力为0.29810，满足钢板Q235的强度要求。图5-2所示，最大位移变形为0.45m，不满足GB50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》表9.2.5《预制构件尺寸的允许偏差及检验方法》厚度允许偏差5mm。在钢板强度满足要求的条件下，通过措施方案改善模板变形。参考定型组合钢模板的措施方案，在模板背部加肋可以有效防止模板变形。根据图5-2知，最大变形位移在模板顶部。假设在模板顶部焊接一根50505的角钢，变形位移图如图5.3。n西南科技大学硕士研究生学位论文第44页图5-3顶部一根角钢变形位移图Figure5-3atthetopofanangledisplacementdeformationmaps图5-3所示，最大变形位移为0.024m，位于模板的中间部位，不满足GB50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》表9.2.5《预制构件尺寸的允许偏差及检验方法》厚度允许偏差5mm。现在模板顶部与中部焊接两根50505的角钢，变形位移图如图5-4。图5-4顶部、中部两根角钢变形位移图Figure5-4top,middletwoangledisplacementdeformationmaps图5-4所示，最大变形位移为0.006m，位于模板下部四分之一部位，不满足GB50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》表9.2.5《预制构件尺寸的允许偏差及检验方法》厚度允许偏差5mm。现在模板高度方向的1m、0.5m、n西南科技大学硕士研究生学位论文第45页0.3m处焊接三根50505的角钢，变形位移图如图5-5。图5-5顶部、中部、四分之一三根角钢位移变形图Figure5-5top,middle,threequarterangledisplacementdeformationmaps图5-5所示，最大变形位移为0.003m，位于模板上部四分之一部位，虽然满足GB50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》表9.2.5《预制构件尺寸的允许偏差及检验方法》厚度允许偏差5mm。为达到壳体墙板允许偏差1mm，满足预制构件的精确性。现在模板的1m、0.76、0.5m、0.3m处焊接四根50505的角钢，变形位移图如图5-6。图5-6四等分四根角钢变形位移图Figure5-6quarteredfourangledisplacementdeformationmapsn西南科技大学硕士研究生学位论文第46页模板设计在满足刚度与强度要求的条件下还需要满足以下几条施工工艺要求：（1）保证标准模块的结构形状尺寸及相互位置的正确性；（2）装拆灵活，搬运方便，能多次周转使用；（3）接缝严密，不易漏浆；（4）对模板结构中的特殊部分，特设立构造部分，便于装拆；（5）预埋孔洞采用分节式PVC管，预埋件焊接于钢筋笼上，模板设立预埋件控制构造部件。（6）由于钢筋混凝土构件属于刚性构件，考虑安装误差，实际采用的构件尺寸比设计尺寸各边内缩3-4mm；模板设计时以实际采用的尺寸进行定型。遵循以上原则，标准模块的模板设计如图5-7~图5-14。图5-7模块一底板模板3D效果图Figure5-7moduleisa3Ddesigntemplateplate图5-8模块一底板模板施工图Figure5.8aplatetemplatemoduleconstructionplansn西南科技大学硕士研究生学位论文第47页Figure5.8aplatetemplatemoduleconstructionplans续图5-8模块一底板模板施工图ContinuedFigure5-8aplatetemplatemoduleconstructionplans图5-9模块二底板侧壁两面L型模板3D效果图Figure5-9ModuletwobottomsidesoftheL-shapedsidewallstemplate3Dmap图5-10模块二底板侧壁两面L型模板施工图ContinuedFigure5-10ModuletwobottomsidesoftheL-shapedtemplatesidewallconstructionplansn西南科技大学硕士研究生学位论文第48页constructionplans续图5-10模块二底板侧壁两面L型模板施工图Figure5-10ModuletwobottomsidesoftheL-shapedtemplatesidewallconstructionplans图5-11模块三底板侧壁三面转角模板3D效果图Figure5-11Modulethreebottomcornerofthesidewallonthreesidestemplate3Dmapn西南科技大学硕士研究生学位论文第49页图5-12模块三底板侧壁三面转角模板施工图Figure5-12Modulethreebottomcornerofthesidewallonthreesides,thetemplateconstructionplans图5-13模块四侧壁模板3D效果图Figure5-13Modulefoursidewallstemplate3Dmapn西南科技大学硕士研究生学位论文第50页图5-14模块四侧壁模板施工图Figure5-14Modulefoursidewallstemplateconstructionplans5.2预制标准化生产要求预制构件生产除了要保证高精度的结构尺寸，表面平整，无蜂窝等也是生产的基本要求[44]。（1）机具材料的准备为确保装配式钢筋混凝土水池的标准模块密实无气泡，达到《混凝土结构及砌体工程质量验收规范》GB50203GB50204-2002的标准，现场选择采用储料灌浇筑混凝土和选用3m×3m振动台进行振捣，在施工过程中，一边浇筑一边振捣。预制构件的加工精度要求组合钢模板在保证刚度基础上，还要保证整体稳定性与构件平整度，本章节特地根据标准模块，设计、制作生产了一批定型组合钢模板，见4.2.1小节。组合钢模板进场时，必须做好清点验收、堆放有序。进场的模板部件，n西南科技大学硕士研究生学位论文第51页其规格和数量的清点验收堆放有下列几点要求：①针对不同标准模块设立模板部件清单表[45]，清点验收模板部件的规格和数量。②模板部件清点验收应与部件的清刷、修理结合进行，清刷的重点在于清除粘附在钢模板上的硬化砂浆，确保板面光洁，边肋合缝。③经清点验收合格的钢模板及配件，应按标准模块的种类分别堆放。堆放地应疏通排水沟渠，模板应垫离地面10~15cm堆放，上部覆盖防雨用具，散装零件应装箱放置。每套模具使用前需进行试拼，对不合格的予以校正。在正式使用前，对所有的模具进行打磨、清理和喷油处理，处理好的模具分类集中堆放，模具准备流程图如5-15。图5-15组合钢模板准备流程图Figure5-15TemplateequipmentreadyflowchartofFIG.（2）制作要点①模板组装就位时，首先要保证底模表面平整度，以保证构件表面平整度符合规定要求。模板与模板之间的连接螺栓必须齐全、拧紧，控制侧模定位精度。模板接缝处用原子灰嵌塞抹平后再用细砂纸打磨。组装好的模板按标准要求进行检查，验收合格后方可投入使用。②脱模剂可采用柴机油混合型，为避免脱模剂未均匀涂抹到位，模板表面刷一遍脱模剂后再用棉纱均匀擦拭两遍，形成均匀的薄层油膜，见亮不见油，放置橡胶垫块处需尽量避开脱模剂，该部位可先用胶带纸遮住。③对于套筒、预埋螺栓、铁件等预埋件应采取固定措施保证其不偏移，本标准模块采用在模板上打孔的外部精确定位的方法，如图5-16。n西南科技大学硕士研究生学位论文第52页图5-16螺帽预埋定位方式照片Figure5-16nutembeddedpositioningphoto④绑扎钢筋骨架时，以钢模板为模具，结构层钢筋骨架入模应严格控制保护层厚度，合理设置垫块。室内模型钢筋入模如图5-17。图5-17钢筋骨架入模照片Figure5-17intothemoldsteelskeletonphoto⑤结构层混凝土浇筑完毕后，采用振动台将混凝土振捣密实，混凝土收面完毕后标明浇筑时间，并立即采取低温蒸汽养护。蒸养按照静停—升温—恒温—降温四个阶段进行，静停2h，升温2~3h恒温7h，降温3h。室内养护成形的标准模块如图5-18。n西南科技大学硕士研究生学位论文第53页图5-18混凝土浇筑成型养护照片Figure5-18moldingcuringconcretepouringPhoto⑥当构件强度满足设计和规范要求后方可脱模。同时对拆除模板后的每个标准模块进行表面打磨，提高表面质量。清理之前要统一对每块构件进行尺寸检查，对尺寸不符、厚度不均匀及预埋件位置不正确、预留孔洞倾斜的构件进行报废处理。（3）预制标准模块生产要求①预制标准模块加工时应择优选择原材料，确定合格供货方，确保原材料质量符合现行国家标准；②预制标准模块的钢筋加工、预留预埋应符合设计规范及措施性施工功能要求；③预制标准模块加工厂应按照设计强度进行混凝土试配，配合比设计应充分考虑混凝土早强要求，合理选用外加剂；④预制标准模块应严格控制模板质量，保证模板强度、刚度及平整度，同时还要考虑拼装简单、拆卸方便；⑤在模块加工厂就预先在模块二转角底部预埋钢筋连接套筒，利用加工模板的定位措施把埋件有效定位。（4）施工工艺流程装配式钢筋混凝土标准模块自设计到生产完成，合理安排施工工序如图5-19，达到流水作业，从而提高质量的同时也控制了工期节点。n西南科技大学硕士研究生学位论文第54页图5-19预制模块制作工艺流程图Figure5-19prefabricatedmoduleproductionflowchart5.3施工吊装方案本工程为全装配式钢筋混凝土水池，异形块型结构，吊装技术要求高，面临着吊装开行线路有限、安装费用、成本控制等难题。经过施工现场勘查、多方调研，在保证工程质量的前提下，特制定本方案。（1）编制依据①《建筑施工起重吊装安全技术规范》JGJ276-2012；②《建筑机械使用安全技术规程》JGJ33-2012；③《起重机械安全规程》GB6067-2010；④《工程建设安装起重施工规范》HG20201-2000；⑤《国家重要用途钢丝绳》GB8918-2006；⑥《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46-2005；n西南科技大学硕士研究生学位论文第55页⑦《起重机械吊具与索具安全规程》LD48-93；⑧《汽车起重机安全操作规范》DL/T5250-2010。（2）计划工期根据水池整体施工计划的安排，施工工期安排如表5-1。表5-1施工工期安排Table5-1arrangeconstructionperiod模块种类计划工期底板（153块）预计6天侧壁底板两面L型（32块）预计3天侧壁底板转角三面（4块）预计1天侧面（36块）预计2天（3）技术准备①编制合理的吊装方案。②吊装前完成施工区域的清场工作。大多数的钻井工程位于深山区域，保证汽车吊与斜坡、河床或类似物保持足够的安全距离。③分类准备好符合相关规范要求的吊索具。④准确无误的完成技术交底及安全交底。⑤底板标准块的强度达到75%。⑥模块二“侧壁底板两面L型”、模块三“侧壁底板转角三面”、模块四“侧壁”的强度达到100%。（4）吊装设备选用①吊车选型本项目有四种模块，模块1底板单个净重250kg，模块2底板侧壁两面单个净重1144kg，模块3底板侧壁三面单个净重2799kg，模块4侧壁单个净重610kg。以最重侧壁底板三面2.8t，近似3t考虑，钢丝绳和吊钩重量1.4t，总起重量Q=1.2×（3+1.4）÷0.8÷2=3.3t。其中1.2为动荷载系数[14]。选用两台8吨的汽车吊对标准模块进行吊装，吊车承担荷载为3.3t。②吊车回转半径n西南科技大学硕士研究生学位论文第56页表5-28吨汽车吊起重参数表Table5-28tcarliftheavyparametertable主要技术参数6.95m吊臂8.50m吊臂10.15m吊臂参数名称参数工作起升起重工作起升起重工作起升起重半径高度量半径高度量半径高度量（m）（m）（t）（m）（m）（t）(m)（m）（t）全车重量15.53.27.583.49.26.74.210.64.2最大爬坡22%3.77.15.448.84.5410.13.1能力吊臂最大4.36.544.78.33.45.79.62.5仰角吊臂全伸11.74.95.73.25.47.62.76.68.81.9时长度吊臂全缩6.955.54.62.66.26.82.2.7.57.71.5时长度最大提升126.95.61.88.46.31.2高度最小工作3.27.54.21.510.55.20.9半径查表5-2可知：8吨汽车吊6.95米主臂4.3米工作半径，起重量4吨，同时扣除吊绳、吊钩的重量，起升高度、起重量均能满足吊装要求。③吊车站位布置应符合以下三点要求：a.吊车布置时应综合考虑设备安装顺序，尽可能在同一位置吊装多块标准模块；b.吊车工作应采取加垫基板扩大支承面；c.双吊车吊装时，宜对称布置在水池两侧。（5）吊点设置由于起吊设备、施工环境与构件的形状与尺寸，需要确定起吊点的位置，吊点位置的选择与计算需遵循以下规律：①上吊点（起吊设备的起升吊钩与吊索相连接的吊点）与重心在同一竖n西南科技大学硕士研究生学位论文第57页直线上，避免出现模块吊装过程中由于自身受力状态不平衡而导致模块旋转的问题；②避免安装起吊时可能存在由于吊装受力与安装受力状态不一致而导致开裂损坏问题[46]。③避免重力G与吊点提升力F产生的力偶将使标准模块发生倾覆[47]，造成不必要的损失，则下吊点（吊索与吊物连接的点）应设置在被吊物重心以上的位置。本装配式钢筋混凝土水池的标准模块变截面较多，自身体积大，重量较重，各部分非完全对称，造成标准模块的重心很难手算计算。现采用CAD三维技术来确定重心位置。首先对标准模块按照设计图尺寸进行1:1建模，详细图见3.1小节；选取新的三维坐标原点（此点选择在模型上）；使用“面域/质量特性”命令或输入“massprop”再选择实体模型确定，即可读取质心获得x、y、z坐标数值。模块一“底板”为x、y方向对称的图形，通过求解，重心坐标为（500,500,66.1625）。现通过设立两个下吊点，在上吊点与模块上表面有1m时，钢丝绳的长度均为1.01m，以保证上吊点位于重心竖直线上，如图5-20。模块二“底板侧壁两面L型”为异性模块，通过CAD求解该模块的重心不在模块自身上，重心的坐标（358.5325，500，420.4040）。现通过设立三个下吊点，在上吊点与侧壁上表面有1m高时，三条钢丝绳的长度分别为：2.15m、1.04m、1.04m，以保证上吊点位于重心的竖直线上。如图5-21。图5-20模块一起吊夹3D模型图图5-21模块二底板侧壁两面L型吊点Figure5-20moduletogetherwiththe3DFigure5-21ModuletwobottomsidesofmaphangingfolderstheL-shapedhangingpointsidewallsschematicn西南科技大学硕士研究生学位论文第58页模块三“底板侧壁三面转角”为异性模块，通过求解该模块的重心亦不在模块自身上，重心的坐标（4464.5060,464.5061,817.3791）现通过设立三个下吊点，在上吊点与侧壁上表面有1m高时，三条钢丝绳的长度分别为：3.08m、1.06m、1.06m，以保证上吊点位于重心的竖直线上。如图5-22。模块四“侧壁”为y、z轴轴对称图形，重心位于对称轴上x方向173.4401mm，即重心的坐标（173.44,500,500），现设立两个下吊点位于重心上侧且以重心为轴对称的模块上表面上，如图5.23。图5-22模块三底板侧壁三面转角吊点图5-23模块四侧壁吊点示意图示意图Figure5-23blockdiagramoffourFigure5-22Modulethreebottomcornerliftingpointssidewallsofthesidewallhangingpointsonthreesidesschematic在各个设计吊点处预埋吊钩时，需要注意以下4个问题①吊钩上部模板需提前按吊钩的尺寸预留孔洞；②吊钩预埋在板式钢筋的上层钢筋处；③吊钩的上表面与混凝土标准构件的表面齐平，以避免拼装时不能平稳摆放；④在混凝土浇筑前再次检查吊钩是否固定牢靠。（6）钢丝绳的选用钢丝绳的选用，主要是根据使用的工作性质和承受负荷的大小而定，其允许拉力S，可用式（5-2）得PPS（5-2）k其中：PP——钢丝绳的破断拉力；n西南科技大学硕士研究生学位论文第59页k——钢丝绳的安全系数。钢丝绳的安全系数在《起重施工规范》（HGJ201-83）和《起重机械安全规程》（GB6067-85）等有关资料中已有规定。钢丝绳的破断拉力不但与其钢丝的抗拉强度和钢丝绳的直径有关，还与钢丝绳组成的结构有关。为了简化计算，蔡裕民[48]提出忽略结构的影响，将6191和6371两种结构的钢丝绳合并，用一个近似公式，系数采用0.3，则整条钢丝绳破断拉力近似公式（5-3）为2P=0.3d（5-3）P整施工中根据起吊构件确定吊索直径的大小和分支数，一般分支数有单支、双支、四支或多支几种类型。根据国家规范吊索每分支承受的拉力为式（5-4）QS（5-4）ncos2式中：Q——吊重物；n——吊索分支数；——吊索顶端夹角，多分支吊索为对角分支的夹角。从式4-8所示，夹角的变化直接影响到分支承受拉力的大小。当0Q时，cos1，则S；当180°时，cos0，则S。由此推断，吊2n2索顶端夹角不能太大，否则吊索分支将出现极大的张力。本文设计的四种模块，模块1底板单个净重250kg，模块2底板侧壁两面单个净重1144kg，模块3底板侧壁三面单个净重2799kg，模块4侧壁单个净重610kg。以最重侧壁底板三面2.8t考虑，即重力为28000N，以最少的吊索分支数2根，最大的对角线分支顶端夹角60°进行计算，如式（5-5）。QSncos（5-5）2=16165.81N在《起重施工机械》（HGJ201-83）和《起重机械安全规程》（GB6067-85）等有关资料中规定，当作为捆绑吊索时，k=6~8为了安全起见，取安全系数n西南科技大学硕士研究生学位论文第60页k=8。则如式（5-6）PSk161668129328N（5-6）P选择通用的抗拉强度1400N/mm2的钢丝绳计算，则直径选用如式（5-7）。P129328Pd17.12mm（5-7）0.30.31470圆整到标准规格，选用6191，直径为18mm，抗拉强度为1470N/mm2的钢丝绳。（7）标准模块吊装方案①预制构件的运输无特定要求下，标准模块构件的设计强度等级不低于75%时，方可进行吊装。在预制构件厂家通过汽车吊吊装在拖车上，拖车采用分离式拖车，在拖车支点处设置可旋转的托盘，在托车上垫好枕木，并且在预制构件的转角处做好保护措施，防止拖车在转弯时损伤标准模块。标准模块构件应按照施工组织设计的平面布置图进行堆放，以免出现二次搬运。堆放模块时，应使符合受力状态。②标准构件吊装根据装配式钢筋混凝土水池的模块，按实放线，在水平地面上测量放出纵、横向中心线，轮廓线，并在螺栓孔位置设立定位点。在每个标准模块构件的背面标出竖向中线，底板处预留的孔洞预埋留有中心点的泡沫板，以便控制定位点，提高预制标准构件的安装精度。同时将各种不同的构件按照模块的不同类型依次编号。模块1底板编号为A.1—A.153，模块2底板侧壁两面编号为B.1—B.32，模块3底板侧壁三面编号为C.1—C.4，模块4侧壁编号为D.1—D.81。吊装工艺流程：预制构件编号后进行图纸定位——场地整理及预设汽车吊——吊装模块1“底板”下层（同时将螺栓从下往上穿入孔洞）——吊装模块1“底板”上层—吊装模块2“底板侧壁两面L型”——吊装模块3“底板侧壁三面转角”——吊装模块4“侧壁”——微调——孔洞对齐——安装螺栓——纵向钢筋嵌入，如图5-24。n西南科技大学硕士研究生学位论文第61页图5-24吊装施工流程图Figure5-24Erectionoftheflowchart5.4水池抗渗方案现选用HDPE土工膜作为装配式钢筋混凝土水池的内衬材料，而从达到水池抗渗的要求。HDPE土工膜是以高密度聚乙烯树脂为原料生产的密度大于0.94g/cm³的土工膜，其中除了含有97.5%的聚乙烯，还含有2.5%的炭黑以及微量的抗氧化剂和热稳定剂。HDPE土工膜的规格有0.5mm、0.7mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm不同厚度，而本装配式水池的设计蓄水深度为2m小于5m，根据使用年限与污染物的类别，选用单糙面1.2mm厚，4m宽的HDPE土工膜[49]。根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规程》HDPE土工膜施工工艺图5-25。n西南科技大学硕士研究生学位论文第62页图5-25HDPE土工膜施工工艺Figure5-25HDPEgeomembraneconstructiontechnology在本水池抗渗施工中需要注意以下4点：（1）HDPE土工膜测量放线时，铺设时要注意张弛适度，不应拉的太紧，要均匀地留有小褶皱，以保证膜本身的良好的伸缩性；（2）采用由两块电烙铁供热的2PH-213型热合爬行机进行焊接，焊接时需要严格控制焊接参数：焊机温度：260℃~280℃；焊接速度[50]：1.5m/min，以该参数进行焊接试验，并根据现场实际的施工温度进行调节；（3）设置铺设方向时，坚持接缝最短；拉力最大处接缝最少的两个原则。铺设时采用自上而下的方法，从池壁的一端向另一端平铺，以避免下部土工膜被上部铺设时遗落的废弃物损坏[51]；（4）HDPE土工膜焊接完成后，分两大步奏检测，如图5-26。n西南科技大学硕士研究生学位论文第63页图5-26土工膜检测流程图Figure5-26Geomembranedetectionflowchart5.5本章小结本章着重介绍了装配式钢筋混凝土水池施工工程中的关键施工技术，设计了标准模块的专用生产模板、吊装位置点、拼装顺序，制定了HDPE复合土工膜的铺设工艺与接缝检测流程，以便于指导装配式废水池的标准化施工。n西南科技大学硕士研究生学位论文第64页结论与展望结论本文通过装配式钢筋混凝土废水池项目的标准模块块型设计、结构配筋设计、整体性检测、施工工艺四个技术环节的研究，得出以下结论：31、位于地面上、且无不均匀沉降的10m10m2m=200m的废水池，池壁组合应力平均值的最大值出现在沿水平方向的位于0.3m处，1.7m-2.4m处，7.8m-8.7m处，10.1m处。2、在200m³废水池的力学分析的基础上，为避免在组合应力最大处设置拼接缝，利用错峰搭接的原理提高整体性，创新性的设计了四个标准模块，该模块拼装成不同大小容量的水池，以满足施工现场的不同功能水池的要求。3、标准模块的加工质量是装配式水池质量的控制要点，本文针对四种标准模块进行了基础配筋和构造配筋、螺栓连接与构造连接的设计，为后续的标准模块结构设计图集提供参考。4、螺栓连接使得水池在废液清除后，模块能有效的进行回收并且移至新的施工现场进行二次利用，该连接方式可有效的避免混凝土成为永久性的污染物，多次周转利用节约成本的同时，也起到保护环境的作用。5、本文对装配式钢筋混凝土水池施工工程中不同环节的关键施工技术进行总结，合理设计预制构件的专用生产模板、吊装位置点、拼装顺序，使得施工便捷、质量可靠，提高劳动生产率，对装配式钢筋混凝土水池的标准化生产具有指导性的参考价值。6、本文通过1/2缩尺的标准模块进行拼装，拼装完成后进行满水试验的整体性检测数据分析，确定编制的施工工艺能达到整体性的标准，为类似工程的创新提供依据和工程实例。7、2015年3月——2015年4月，该装配式钢筋混凝土水池已完成现场施工，并进行了满水试验的检测，验证了该技术上的可行性。展望大量的研究结果表明，装配式钢筋混凝土水池无论在经济、还是施工工艺上都有着巨大的优势。虽然现有研究成果尚不完善，但相信在不久的将来，一定会在模块重量，模块生产材料、防水防腐处理、试验研究、理论研究与n西南科技大学硕士研究生学位论文第65页数值模拟研究上取得更大的成果并形成相应的规范，从而更好的指导装配式钢筋混凝土水池在工艺现场的应用。n西南科技大学硕士研究生学位论文第66页致谢在我的硕士研究生学习生涯即将结束之际，怀着万分复杂的心情，首先要感谢我父母的养育之恩。在我二十多年的学习生涯中是你们含辛茹苦的劳作才使我能够顺利的完成学业，没有你们就没有我的今天。其次要深深感谢我的导师苏有文老师。苏老师在论文的选题、研究方法、试验技术、论文撰写方面给予我最大的指导与帮助。每当我有所疑问，苏老师总会放下繁忙的工作，不厌其烦地指点我；在我初稿完成之后，苏老师对我的论文字字句句把关，认真的批改，并提出修改意见。苏老师严谨的治学态度与博大的学识都将是我一生巨大的精神财富与终身学习的榜样。同时感谢我的校外指导老师温洪英高级工程师。温老师为人谦和，平易近人，在论文搜集资料、写作阶段、工作生活等各方面都对我倾注了极大的关怀和鼓励。她严谨的做事之风和对事业的孜孜追求将影响和激励我的一生，借此机会，我谨向温老师致以深深地谢意。再次要感谢工程管理教研室的全体老师在我硕士研究生期间对我学习和生活上的指导、帮助与鼓励。感谢王继春老师给予的实践学习机会；师兄李超飞、陈军、杨帆、刘睿、刘顺丰、郝磊在理论基础知识问题上的解答；同学王杰、夏慧、高宏伟、詹妮、张敏，杨凯、唐硕、杨婷慧、王超、夏蕾、向飞宇、覃强在模型试验时给予的帮助；感谢张松涵同学在有限元分析过程中给予的指导；感谢褥勇伸同学的鼓励与陪伴。感谢振通试验员在缩尺模型试验时给予的帮助。感谢所有关心过、支持过我的老师、同学、朋友。n西南科技大学硕士研究生学位论文第67页参考文献[1]上海市政工程设计院,等.给水排水工程结构设计手册[M].中国建筑工业出版社，1984[2]肖克飚,高建恩,吴普特,新型拼装式集雨水窖研发可行性探讨[J].2005灌溉排水学报,12：176-178.[3]MarcoSalvi,JuergSyz.Whatdrives"greenhousing"construction?EvidencefromSwitzerland[J].JournalofFinancialEconomicPolicy,2011,(1)[4]薛伟辰.预制混凝土框架结构体系研究与应用进展[J].工业建筑,2002,32（11）：47-50[5]李楠,李远辉.“6S”施工管理技术在新型预制装配式混凝土结构施工现场中的应用[J].工业建筑,2008[6]陈子康,周云.装配式混凝土框架结构的研究与应用[J].工程抗震与加固改造.2012,8[7]NigelPriestleyMJ．ThePRESSSProgram-CurrentStatusandProposedPlansforPhaseIII［J］．PCIJournal,1996(2)：22-40[8]Cheok,GeraldineS,LewHS．ModelPrecastConcreteBeam-to-ColumnConnectionsSubjecttoCyclicLoading［J］．PCIJournal,1993,(4)：80-92．[9]Ersoy,Ugur,TugrulTankut．PrecastConcreteMembersWithWeldedPlateConnectionsUnderReversedCyclicLoading［J］．PCIJournal,1993,(4)：94[10]Ertas,Onur,SevketOzden,etal．DuctileConnectionsinPrecastConcreteMomentResistingFrames［J］．PCIJournal,2006,(3)：66–76[11]范力,吕西林,赵斌,等．装配式预制混凝土框架结构拟动力试验研究［J］．地震工程与工程振动,2007,27(6)：97-105[12]姜洪斌,张海顺,刘文清,等．预制混凝土结构插入式预留孔灌浆钢筋锚固性能［J］．哈尔滨工业大学学报,2011,43(4)：28-31[13]顾自翀,预制装配式混凝土结构施工精度的控制[J].建筑施工,2010,32(7):655-656.[14]赵勇,王晓锋,姜波等.装配式混凝土结构施工验算评析[J].施工技术,2012,41(5):29-34.[15]佚名,混凝土砌块配筋砌体L型挡土墙[J].建筑砌块与砌块建筑,2013,(3):28-30.[16]师发林,曹国强,董从贵等.低配筋混凝土预制装配式沼气池的设计与施工[J].中国沼气,1992,(3):19-22.[17]焦挺,余红英,饶益民.大直径无粘结预应力污水沉淀池的施工[J].广东土木与建筑,2007,(11):46-47.n西南科技大学硕士研究生学位论文第68页[18]梁守全.预制L型壁板装配式矩形水池[J].建筑技术通讯：给水排水,1982,(5).[19]范义梁.预制燕尾壁板装配式矩形水池施工[J].建筑技术,1985,(3).[20]佚名.预制装配式钢丝网水泥水箱[J].建筑技术,1980,(11).[21]郑津洋,陈西南,马欲,孙国有.装配式不锈钢水箱承载能力试验报告[J].杭州,2004[22]张荣彪,王慧春,王春光.拼装式水窖在饮水解困工程中的应用[J].水利科技与经济,2008,14(1):56-57.[23]朱彦鹏.特种结构II[M].武汉理工大学出版社，2005:53-77页[24]王秀逸，张平生.特种结构[M].地震出版社，1997:1-55页.[25]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社，2010.[26]GB50009-2010.建筑结构荷载规范[S].中国建筑工业出版社，2010.[27]SusanneC.Brenner，L.RidgwayScott.TheMathematicalTheoryofFiniteElementMethods[J].SpringerScience+BusinessMedia，LLC，2008.[28]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].人民交通出版社，2007.12.[29]赖永标，胡仁喜，黄书珍.ANSYS11.0土木工程有限元分析典型范例[M].电子工业出版社，2007.13.[30]包陈，王呼佳.ANSYS工程分析进阶实例(修订版)[M].中国水利水电出版社，2009.[31]ANSYSInc.ModelingandMeshingGuide[M].SASIPInc.，2000.[32]ANSYSInc.TheoryManual[M].SASIPInc.，2000.[33]GrayF.Moita，EstevamB.deLasCasas.Experimentalandnumericalanalysisoflargeferrocementwatertanks[J].Cement&ConcreteComposites，25(2003)243–251[34]王勖昌.有限单元法[M].清华大学出版社，2003.[35]Y.K.Cheung,J.D.Davies.AnalysisofRectangularTanksuseofFiniteElementTechnique[J].TheJuarnaloftheConcreteSociety.1997[36]陈睿莹.从模数化到模块化设计[J].艺术与设计：理论,2012,(12).[37]W.S.Gray.ReinofecrdConeerteWaterTowesrBankers[J].SilosGantries.1997[38]陈载赋.钢筋混凝土建筑结构与特种结构手册[M].四川科学技术出版社,1991.[39]曾江,郭晓品,白志强等.浅谈矩形水池底板计算方法[J].玻璃,2014,41(6).[40]张耀春.钢结构设计原理[M].高等教育出版社,2010,7.[41]Andreas,Leemann,Cathleen,Hoffmann,Frank,Winnefeld.PressureofSelf-ConsolidatingConcreteonFormwork[J].ConcretInterna-tional.2006[42]JGJ162-2008.建筑施工模板安全技术规范[S].2008[43]GB50214-2001.组合钢模板技术规范[S].2001n西南科技大学硕士研究生学位论文第69页[44]ACICommittee318.Buildingcoderequirementsforstructuralconcrete(ACI318-02)andcommentary(ACI318R-02)[S].2001[45]Z.Ren,C.J,Anumba,J,Tah.RFID-facilitatedconstructionmaterialsmanagement(RFID-CMM)–Acasestudyofwater-supplyproject[J].AdvancedEngineeringInformatics.2010(2)[46]周泽来.工业厂房施工中吊装柱子吊点位置确定与计算[J].甘肃科学学报,2004,16(4):124-126.[47]张质文,王金诺,等.起重机设计手册[M].中国铁道出版社,2013,8.[48]蔡裕民.吊装工艺计算近似公式及应用[M].化学工业出版社,2004,3[49]应建韩.HDPE土工膜在污水处理厂防渗工程中的应用[J].水利与特殊构筑物防水,201[50]郭惠倩.浅谈复合土工膜在调蓄水池防渗中的应用[J].农业科技与信息,2010,(10):34-35.[51]赵辰,李雪锋.南水北调工程土工膜施工工艺参数的确定[J].科技信息,2012,(25):333-333.n西南科技大学硕士研究生学位论文第70页攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目1发表的学术论文[1]马倩雯，苏有文，李超飞，詹妮.预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究[J].混凝土与水泥制品，2013（1）：44-472参与的科研项目1、参与横向项目“钻前工程废水池拼装技术应用研究”。