近年来,中国污水排放增多,水资源短缺问题凸显。为提高污水处理效率,2021 年6 月6 日,国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部及生态环境部研究编制了《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》发改环资〔2021〕827号,指出“十四五”规划期间新增污水处理能力2×10
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3/d,再生水生产能力1.5×10
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3/d。在政府政策的支持下,中国的污水处理能力显著提升,但传统污水处理厂水池仍以现浇钢筋混凝土结构为主,其存在施工周期长、资源消耗大、质量不稳定、环境污染等问题。装配式结构具有环保、高效等优点,在梁柱节点连接中
[1-3]中已有大量应用,但在污水池领域应用较少,有必要推广至污水处理领域,推动水务行业绿色低碳发展。
装配式水池是一种由预制构件在现场进行组装完成的水池结构,因其施工效率高、不污染环境、试件质量稳定、节约成本等优点,正在被广泛利用。
诸多学者对装配式水池的施工、安装等过程进行了研究
[4-5]。在装配式混凝土水池的建造中,拼接缝是薄弱部位,有必要对此展开研究,张荣奎等
[6]建立了拼接缝完全脱开下的装配式污水池的仿真模型,得到了拼接缝结构不影响水池整体性的结论。壁板和底板间的常用的连接方式有灌浆套筒连接、后浇混凝土连接、卯式连接、杯口连接。胡思聪等
[7]为研究灌浆套筒连接的装配式薄壁墩的力学性能,设计装配式薄壁墩和现浇薄壁墩两个试件进行试验,得到灌浆套筒连接的装配式薄壁墩等同现浇的结论;苗吉军等
[8]总结了灌浆料、钢筋长度、外部等因素对灌浆套筒连接的力学性能的影响;在后浇混凝土连接中;李锦丰等
[9]为研究新型“双皮墙”是否适用于地下污水处理厂结构的外墙,通过设计试验、分析荷载-挠度图等得出构件是受弯破坏,且采用超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)填充的构件抗渗性能良好的结论。相比于其他连接,杯口连接因其构造简单、施工方便,且适用于预应力水池等,目前应用越来越多,特别是在大型水利工程、城市给排水设施以及环保领域的污水处理设施中,这种连接方式因其高效性和可靠性而备受青睐。胡汝兰
[10]介绍了某预应力混凝土污水沉淀池的节点设计与施工;王泽明等
[11]通过建立矩形水池杯口节点的模型来研究杯槽高度和杯槽外伸长度对杯口节点的极限承载力和初始转动刚度的影响,并得到半刚性节点的结论;张振义等
[12]以容积为3 500 m
3装配式预应力钢筋砼清水池为例,介绍了杯槽式节点的施工和做法;《给水排水工程钢筋混凝土水池结构技术规程》(CECS138—2002)
[13]等规范中给出了杯口的基本构造做法,目前对杯口的研究多集中在对施工方法的介绍,缺乏对杯口的力学和抗渗性能的理论研究。
杯口因存在多个先后浇界面,故在有限元模拟中准确模拟出先后浇界面的相互作用是很重要的。徐文强
[14]和张海耀等
[15]都根据Z形剪切试件的试验结果得到对应的先后浇混凝土界面的黏聚力模型参数;欧阳娜等
[16]对轴拉、压剪试验结果进行拟合并得到不同粗糙度下压剪、受拉试件的UHPC-NC界面的接触分离模型的有限元参数;青宇等
[17]使用三维非线性界面内聚力接触单元来开展先后浇界面的装配式剪力键力学行为分析,最终模拟结果与实验结果吻合良好;呙润华等
[18]采用法向硬接触和切向摩擦来模拟沥青路面层间界面接触;此外常用的建模方式还有弹簧模型
[19]、库仑-摩擦模型、黏聚力-摩擦组合模型
[20]、混凝土-黏结层-混凝土三层模型
[21]及绑定模型等。
传统混凝土现浇给排水构筑物施工周期长,现场湿作业多,且施工过程产生大量建筑垃圾。为解决上述问题,装配式水池的研究需要给予足够的重视。对于装配式结构,其杯口和壁板接缝处的力学和抗渗性能是否可靠决定了整体结构的可靠性。目前仍缺乏对装配式水池杯口湿接缝的研究,且在工程中采用的构造形式也基本一样,因此,现采用有限元的方法来分析装配式水池杯口节点的力学性能,为装配式圆形水池杯口的力学机理提供理论依据。
1 杯口介绍
装配式水池环形杯口节点是一种用于连接预制壁板和底板的构造形式,它采用凹槽设计以便于壁板插入,通过钢筋锚固和密封材料确保杯口节点的整体性和水密性。因杯口具有施工便捷、环保、可充分发挥预应力作用等优势而被广泛应用于各类混凝土水池建设中,提高了施工效率。
图1给出了在工程中比较常用的杯口形式。其中,最基本的杯口形式是没有位置1、位置2、位置3这3处额外填充位置的,但在实际水池工程应用
[22-23]中,为进一步加强杯口结构的整体性,会增加材料的额外填充,材料的填充位置在不同工程中会存在差异,主要分布于杯口内侧3区域、外侧1区域、外侧2区域,且杯口填充材料的形状通常以三角形为主。
该杯口形式的施工顺序是先浇筑内侧杯口和底板,在插入壁板进行张拉预应力筋后,再浇筑外毛处理,最后在填充混凝土以密封。接下来,以最基本的杯口形式为基础,对其抗弯性能展开定量研究。
2 杯口有限元模型的建立
2.1 杯口建模
建立了上述杯口形式的有限元模型,因一般在大型圆形水池中,水池直径较大,杯口内外沿环向长度相差不大,故采用划曲为直的思想,选取壁板高度2 000 mm,宽度300 mm,厚700 mm,杯口和壁板等宽,高度为400 mm。内外杯口和壁板采用C40混凝土材料,填充材料选择C45细石混凝土,杯口内设置构造配筋与底板相连,壁板配置竖向钢筋和环向构造配筋,钢筋型号采用HRB400。其中混凝土的塑性损伤模型按混凝土结构设计规范计算,基本参数如
表1所示。
如
图2(a)所示,模型网格底板上部分细化,尺寸为50 mm,考虑材料的非线性,钢筋与混凝土均采用实体单元(C3D8R)模拟。在杯口模型中,对无钢筋连接的先后浇混凝土界面设置面面接触,接触面的法向行为采用硬接触,接触面的切向行为采用库伦摩擦模型进行模拟,摩擦系数取为0.6,对有钢筋连接的先后浇界面设置有锚筋的黏聚力模型,在壁板顶部的参考点(RP-1)处施加横向位移进行加载,如
图2(b)所示,直至达到其承载力,分析其受力过程。
2.2 模型有效性验证
结合冯丹
[24]的平口式预制钢筋混凝土地下综合管廊节点的试验结果,对此类型杯口的有限元模型进行验证。
所建立的有限元模型如
图3所示,其中,混凝土单元类型为C3D8R,钢筋单元类型为T3D2,混凝土和钢筋的属性和几何尺寸和文献中的试验试件保持一致,预制壁板和现浇底板间的界面采用带锚筋的黏聚力模型来模拟,底板底部采用固定约束,在壁板顶部施加水平反复荷载来得到滞回曲线。
从
图4可知,模拟得到的骨架曲线和试验结果基本吻合。在加载初期,荷载和位移增长呈线性关系,随着荷载继续增大,混凝土塑性变形加剧,曲线变缓,直至达到峰值荷载,其破坏模式一致。这说明所用的有限元模拟方法可以充分预测此类型节点的受力特性。
2.3 有限元分析
首先导出杯口模型的荷载-位移曲线图,如
图5所示,对
图5中杯口节点的破坏过程可以分为4个阶段:①弹性阶段:试件变形较小,荷载-位移曲线呈线性增长,试件开始在内杯口和壁板连接处出现横向裂缝;②屈服阶段:在此阶段,外杯口先后浇混凝土界面发生开裂,荷载-位移曲线的上升幅度减缓;③强化阶段:随着试件的进一步变形,外杯口底部的裂缝逐渐增大直至翘起,此时试件达到极限承载力状态;④破坏阶段:达到极限荷载后,构件发生破坏,不再具备承载能力。
观察杯口模型的位移
图6可知,杯口最终会在内杯口与壁板交界面、壁板和底板接触面处产生界面分离,由此,可以进一步得知,壁板和内杯口接触面首先产生开裂,随着荷载的增加,裂缝逐渐扩展并向下延伸至壁板底部,且继续向上或向外延伸,最终导致裂缝的贯通。得到杯口节点的渗水路径
图7,由于多处交界面的存在,导致其渗水路径复杂,故选取高黏结性的填充材料或增大先后浇界面的摩擦是提高装配式杯口节点抗渗能力的关键。
3 杯口承载力参数分析
王泽明等
[11]针对装配式矩形水池杯口的抗震性能,开展了杯槽外伸宽度和高度两种参数的参数化分析。在此基础上,进一步选取填充材料位置、先后浇界面粗糙度、杯口高度及杯口宽度4个关键参数,对装配式圆形水池杯口进行参数化分析,以探究其对杯口抗弯性能的影响规律。
3.1 不同位置填充材料对杯口承载力的影响
如
图8所示,在3处不同位置填充的细石混凝土,壁板顶部施加横向位移进行加载,模型底部固定,上部自由,在壁板顶部施加单向荷载,为探求不同填充位置对杯口力学性能的影响,以此为变量进行参数化分析后结果如
图9所示。最基本的杯口形式是E1,即不在杯口其余侧面填充混凝土;E2在填充位置1增加了混凝土的填充。对比E1和E2可以得知,填充位置1填充混凝土并不能提升杯口的承载力,但可以增加杯口的延性,且可以增大后浇外杯口和壁板间的接触面积;对比E3和E2可以得知,填充位置2填充混凝土亦不能增加杯口的承载力,但可以极大地增加杯口延性,且当考虑地震作用时,即受到反向荷载时,此处也可以提升内杯口的力学性能;对比E4和E2可知,在单推作用下,增加填充位置3的填充可以显著提高杯口的承载力。可见,填充位置3的材料填充可以大大增加杯口的静承载力,填充位置1和填充位置2的材料填充对杯口承载力影响不大,但可以增加其延性,在工程中,需根据实际情况对杯口进行不同位置的材料填充。
3.2 不同杯口高度对其承载力的影响
在《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS 138—2002)
[13]中给出了预应力圆形水池的池壁与底板采用杯口连接时的构造做法,其中对于杯口高度的取值,要求1
h~1.5
h≥200 mm范围内(其中
h代表壁板宽度)。在对杯口高度进行参数化分析时,选取了300、350、400、450 mm的高度数值,以此对杯口的抗弯承载力展开研究,结果如
图10所示。
从
图10中可以看出在整个受力阶段,走向基本一致。在弹性段基本重合,在试件发生屈服以后,随着杯口高度的增加,其抗弯承载力增幅较小,故杯口高度的增加并不会影响其承载力。
3.3 不同杯口宽度对其承载力的影响
对杯口的宽度取200、300、400 mm得到的试件的荷载-位移曲线图如
图11所示。
以壁板宽度为300 mm为例,当杯口宽度取为200 mm时,杯口节点的承载力较小;宽度为400 mm时,承载力较大。杯口的承载力随着杯口宽度的增加而增加,但随着杯口宽度的增大,承载力增幅减小,从杯口宽度200~300 mm,承载力提升大约2倍,从杯口宽度300~400 mm,承载力提升了27%,且杯口的宽度越小,屈服荷载越小,承载力出现下降的时间越早,延性也较差。故建议杯口宽度取为1~1.5倍的壁板宽度。
3.4 不同先后浇界面粗糙度对其承载力的影响
杯口结构虽然形式简单、方便施工等,但是由于其存在较多的先后浇界面,渗漏就成为重要问题。故通过选取光滑、刚刷、凿毛3种界面处理方式来对比分析不同粗糙度界面对杯口的力学性能的影响,
图12是对此进行的模拟分析结果。
从荷载-位移图可以看到,随着界面粗糙度的增大,屈服荷载逐渐增大,杯口的承载力也逐渐增大,从光滑到钢刷,承载力提升27%,从钢刷到凿毛,承载力提升17%,且在试件达到承载力后,可以在较长位移下,保持承载力不变,说明延性较好。故在经济允许的条件下,可以采取凿毛的方式处理先后浇界面。
4 杯口抗渗性能参数分析
4.1 不同位置填充材料对杯口抗渗性能影响
观察荷载-裂缝曲线
图13可得知:E3、E4试件的开裂荷载为20 kN,E1、E2试件的开裂荷载值在10~20 kN;在相同荷载作用下,裂缝宽度大小为E4<E3<E2<E1;在裂缝宽度达到0.2 mm后,试件每当增加一点儿荷载,裂缝宽度会急剧增加。结合现有学者相关研究,《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS 138—2002)
[13]规定污水处理构筑物的最大裂缝宽度不应大于0.2 mm;李少彬
[25]按照0.2 mm的最大裂缝宽度进行水池的结构设计,并在西安市污水处理厂进行应用,水池未出现渗漏;王健
[26]对污水处理厂构筑物抗渗防裂技术研究得出,对于小于0.2 mm的微小裂缝,仅需进行表面修补。综上所述,将0.2 mm的裂缝宽度作为水池杯口是否出现渗漏破坏的标准;其次,在原有杯口形式上增加填充,对裂缝的发展有抑制作用,其中以外杯口侧面填充的效果最为显著。
4.2 不同杯口高度对其抗渗性能的影响
观察不同杯口高度的荷载-裂缝曲线
图14可得知,从裂缝宽度发展趋势来看,在宽度达到0.2 mm后,其增长速度会变快,但不同杯口高度对应的荷载-裂缝曲线发展趋势基本一致,故杯口高度的变化对裂缝宽度的影响不大。
4.3 不同杯口宽度对其抗渗性能的影响
观察不同杯口宽度的荷载-裂缝曲线
图15可知,在单推荷载作用下,随着杯口宽度的增加,裂缝宽度逐渐变小,且开始出现裂缝时的荷载变大,这有利于水池保持密实性。杯口宽度每增加100 mm,开裂荷载就会提高1倍,且以0.2 mm的裂缝宽度为基准,杯口宽度从200 mm到300 mm,开裂荷载增大59%,从300 mm到400 mm开裂荷载增大52%。在达0.2 mm宽度后,在微小的荷载增量下,裂缝宽度急剧增加。综上,建议在保证承载力的条件下,外侧杯口宽度取较大值。
4.4 不同先后浇界面粗糙度对其抗渗性能的影响
从荷载-裂缝宽度
图16可以得知,随着界面粗糙度的增大,在承受相同荷载作用下,裂缝宽度变小,这对水池的抗渗性是有利的。由光滑到刚刷开裂荷载提升3%,由光滑到凿毛开裂荷载提升26%;在0.2 mm裂缝宽度的下,从光滑到刚刷,承载力提升1倍,从光滑到凿毛,承载力提升将近2倍。可见凿毛对杯口的裂缝宽度的发展影响较大,刚刷次之,但是凿毛和刚刷处理在工程实际操作中可能会造成比较大的工作量,所建议在经济条件允许的情况下,可以适当增加界面粗糙度以增强先后浇界面的黏结性。
5 结论与展望
采用Abaqus的有限元模拟方法,对现阶段装配式圆形水池杯口的抗弯、抗渗性能进行模拟分析后得到以下结论。
(1)杯口宽度是影响承载力的主要因素。当宽度从200 mm增加到300 mm,承载力提升约2倍,而从300 mm增加到400 mm,承载力仅提升约27%,由于杯口宽度的增加对承载力的提升效果存在递减现象,且考虑经济适用性,于是建议杯口宽度取1~1.5倍壁板宽度或直接在外侧杯口侧面进行填充材料布置。
(2)先后浇界面的粗糙程度对承载力也有显著影响,从光滑到钢刷,承载力提升约27%,从光滑到凿毛,提升33.3%,这表明适度增加界面粗糙度是提高承载力的有效途径。因此在经济允许的条件下,建议先后浇界面可以采取凿毛的方式来处理。
(3)通过比较不同参数对杯口裂缝发展的影响得知,杯口宽度是影响裂缝产生最主要的因素。杯口增加100 mm,开裂荷载提高1倍,建议增加杯口宽度或者在外杯口侧面增设填充材料的方式来实现宽度的增加;其次界面粗糙度的增加也可以抑制裂缝发展,从光滑到钢刷可提升3%,到凿毛可以提升26%的开裂荷载,故建议界面采取凿毛措施。
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