地下糧倉防水內(nèi)襯聚丙烯構(gòu)件水壓受力分析

張昊，康少朋，陶元慶，王振清

（河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引 言

地下糧倉在我國歷史悠久，因其建造在地面以下，相較于地上糧倉其有得天獨(dú)厚的諸多優(yōu)勢(shì)[1]。倉體深埋于地下，節(jié)約耕地面積；地表綠化地下儲(chǔ)糧，隱蔽性好；低溫恒溫抑制蟲害；減少藥物熏蒸，降低了對(duì)糧食和環(huán)境的污染[2]。也正是因?yàn)榈叵录Z倉建造在地表以下，地下水的侵蝕會(huì)對(duì)存糧造成巨大的影響，地下水滲漏使長期存儲(chǔ)的糧食發(fā)霉變質(zhì)[3]。因此如何解決倉壁防水問題，保證儲(chǔ)糧安全成為研究的重要課題。王珂等[4]將鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)引入地下糧倉進(jìn)行應(yīng)用研究，探索用鋼板抵抗水壓力。針對(duì)鋼板-混凝土結(jié)構(gòu)在地下糧倉中的銹蝕問題，丁明等[5]提出用硅酮結(jié)構(gòu)膠將聚丙烯塑料防水板和混凝土進(jìn)行粘結(jié)防水，并對(duì)其拉伸粘接強(qiáng)度、閉水性能、膠粘劑的耐水性及耐久性進(jìn)行測試。席達(dá)等[6]通過試驗(yàn)分析了聚丙烯塑料板不同焊縫形式的抗水壓性能。常晨輝[7]提出聚丙烯塑料栓釘與塑料防水板的4 種節(jié)點(diǎn)組合形式，并分析了不同節(jié)點(diǎn)形式的受力特點(diǎn)和性能，歸納總結(jié)出了焊縫強(qiáng)度公式。張淑媛[8]對(duì)聚丙烯塑料栓釘在混凝土中的抗拔力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析總結(jié)了不同因素對(duì)栓釘與混凝土之間抗拔力的影響。本文以聚丙烯（PP）塑料-混凝土組合防水板為試驗(yàn)研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行水壓加載試驗(yàn)，并進(jìn)行有限元分析，探究內(nèi)襯塑料構(gòu)件在水壓作用下的受力性能，為實(shí)際工程防水設(shè)計(jì)提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

塑料構(gòu)件由防水板、連接板和栓釘組成，如圖1 所示，PP防水板的尺寸為1700 mm×1700 mm×10 mm。

圖1 塑料構(gòu)件

PP 連接板以5 行5 列的形式均勻分布于PP 防水板上，中心間距為300 mm，采用焊接的形式固定。PP 連接板與栓釘?shù)倪B接選擇如圖2 所示的螺紋連接-焊接組合節(jié)點(diǎn)[7]的形式，采用直徑為25 mm 長度為95 mm 的栓釘，栓釘一端車絲，螺紋車絲根據(jù)GB/T 193—2003《普通螺紋直徑與螺距系列》進(jìn)行選擇，長度為20 mm；在20 mm 厚圓形連接板中心位置攻絲，栓釘與連接板通過螺紋組合。選用Φ8 的弧形模具對(duì)栓釘表面進(jìn)行開槽處理，開槽深度2 mm，螺紋軸向破壞荷載平均值為11.33 kN，滿足水壓作用下栓釘保持正常工作的狀態(tài)[8]。連接板與防水板通過焊縫的形式連接，其連接強(qiáng)度取決于焊縫長度，根據(jù)常晨輝[7]提出的焊縫強(qiáng)度與焊縫長度關(guān)系，當(dāng)連接板直徑取90 mm 時(shí)，能保證焊縫強(qiáng)度與螺紋強(qiáng)度相當(dāng)，充分發(fā)揮材料性能。為了防止水壓加載過程中水從構(gòu)件邊緣外泄，設(shè)置20 mm 厚PP 擋板進(jìn)行內(nèi)外側(cè)模板防護(hù)處理，與防水板進(jìn)行焊接連接，內(nèi)外側(cè)模板之間形成混凝土閉水保護(hù)層，混凝土與防水板之間形成注水空隙，保證水壓的穩(wěn)定性。所有塑料構(gòu)件組裝完畢后，架設(shè)構(gòu)造鋼筋網(wǎng)，預(yù)設(shè)注水孔和排氣孔，澆筑混凝土并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，塑料-混凝土組合板如圖3 所示。

圖2 螺紋連接-焊接組合節(jié)點(diǎn)

圖3 塑料-混凝土組合板澆筑

1.2 測點(diǎn)布置

防水板外側(cè)位移測點(diǎn)共布置15 個(gè)，如圖4 所示，其中防水板底部栓釘正對(duì)位置（記為節(jié)點(diǎn)位置）布置7 個(gè)（WJ1～WJ7），防水板外側(cè)四節(jié)點(diǎn)跨中位置布置8 個(gè)（WS1～WS8），用來測定防水板在水壓作用下栓釘?shù)幕埔约八墓?jié)點(diǎn)跨中位置防水板的凸起狀態(tài)。應(yīng)變測點(diǎn)共布置39 個(gè)，應(yīng)變片的粘貼位置及方向如圖6 所示，其中連接板和防水板焊接部位（記為底座位置）在水壓作用下受力比較復(fù)雜，選取底座位置布置測點(diǎn)，測點(diǎn)共20 個(gè)（YD-N1～YD-N5 為例，其中N、S、E、W 表示方向）；為了測量水壓作用下栓釘?shù)目拱瘟?，在栓釘?cè)面底部位置布置11個(gè)測點(diǎn)（YSD1～YSD11）；外側(cè)四節(jié)點(diǎn)跨中位置布置應(yīng)變測點(diǎn)8個(gè)（YS1～YS8），用來測試防水板在水壓作用下受拉產(chǎn)生的應(yīng)變。

圖4 位移測點(diǎn)布置

圖5 應(yīng)變測點(diǎn)布置

2 水壓試驗(yàn)

水壓加載選用液壓試驗(yàn)機(jī)，正常使用壓力范圍為0～3 MPa，精確度為-1%～2%，壓力顯示分辨率為0.001 MPa。選用YHD-100 型位移傳感器，其量程為0～100 mm。水壓加載裝置如圖6 所示，通過預(yù)留注水孔向混凝土與塑料防水板的空隙注水，同時(shí)為了防止空隙中的殘余空氣對(duì)試驗(yàn)造成的影響，保證水壓一致，在通過注水孔注水的同時(shí)打開周邊預(yù)留的排氣孔，直到空隙中的氣體全部排出，并有水流通過排氣孔均勻涌出，關(guān)閉排氣孔，準(zhǔn)備開始水壓加載試驗(yàn)。

為方便加載和測量，設(shè)計(jì)4 根鋼柱作為支撐平臺(tái)，對(duì)試件角部進(jìn)行支撐，支撐尺寸150 mm×150 mm。在試驗(yàn)正式開始前先進(jìn)行預(yù)加載，檢驗(yàn)各儀表儀器是否運(yùn)行正常。試驗(yàn)正式加載時(shí)，采用分級(jí)加載的方式，加載初始水壓力設(shè)定為0.01 MPa，每級(jí)水壓力增幅為0.01 MPa，并保壓3 min，以保持水壓、變形穩(wěn)定。在不同的水壓力加載情況下分別采集塑料構(gòu)件上各測點(diǎn)應(yīng)變和位移，直至構(gòu)件破壞，停止加載，記錄水壓最大值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 破壞形態(tài)和破壞機(jī)理

隨著水壓的增加，栓釘固定位置以外的部分特別是四跨中心位置凸起明顯。當(dāng)水壓達(dá)到0.08 MPa 時(shí)，防水板在水壓作用下發(fā)生剪切破壞，此時(shí)底部最大撓度發(fā)生在四節(jié)點(diǎn)跨中位置，最大值為10.83 mm，破壞由13 號(hào)節(jié)點(diǎn)位置處產(chǎn)生，并分別沿著12 號(hào)和14 號(hào)節(jié)點(diǎn)處向兩側(cè)擴(kuò)散，其裂縫示意如圖7（a）所示。對(duì)破壞后的防水板用小型切割機(jī)沿12 號(hào)、13 號(hào)和14 號(hào)節(jié)點(diǎn)周邊對(duì)防水板進(jìn)行切割，如圖7（b）所示，節(jié)點(diǎn)位置處未出現(xiàn)焊縫破壞和螺紋滑移現(xiàn)象。分析表明：此類構(gòu)件水壓最大承載能力取決于防水板的強(qiáng)度，可通過增加板厚來提高內(nèi)襯塑料構(gòu)件抵抗水壓的能力。

圖7 防水板破壞

3.2 水壓-位移分析

在水壓加載過程中，部分代表性測點(diǎn)水壓-位移曲線如圖8 所示。

從圖8（a）可以看出，隨著水壓的增加，節(jié)點(diǎn)位移不斷增大，在水壓達(dá)到0.08 MPa 時(shí)，由于受到邊緣擋水板的約束，邊部節(jié)點(diǎn)位移小于中間部位節(jié)點(diǎn)位移，破壞時(shí)節(jié)點(diǎn)處最大位移為0.90 mm，表明栓釘在混凝土中的抗拔力滿足一定水壓條件下的工作需求。如圖8（b）所示，四節(jié)點(diǎn)跨中位置隨著水壓的增大，位移線性增加，達(dá)到破壞水壓后位移最大值也基本相同，破壞時(shí)四節(jié)點(diǎn)跨中最大位移為10.83 mm。

在防水板達(dá)到破壞水壓時(shí)，節(jié)點(diǎn)位置處最大位移為0.90 mm，位移較小，未出現(xiàn)栓釘滑移和焊縫破壞現(xiàn)象，說明螺紋連接-焊接組合節(jié)點(diǎn)的焊縫強(qiáng)度較大，栓釘與混凝土粘結(jié)力較好，對(duì)防水板起到較好的約束效果。

圖8 防水板各測點(diǎn)水壓位移曲線

3.3 水壓-應(yīng)變分析

底座位置測點(diǎn)布置在連接板與防水板焊接位置處，受力比較復(fù)雜，部分測點(diǎn)在水壓達(dá)到破壞水壓之前出現(xiàn)最大應(yīng)變值，然后隨著水壓的增加，應(yīng)變逐漸減小，在水壓作用下的應(yīng)變曲線如圖9 所示。

在水壓作用下各個(gè)測點(diǎn)位置處于受拉狀態(tài)，應(yīng)變值隨著水壓的增加而增大，當(dāng)水壓達(dá)到一定程度后，在一定距離范圍內(nèi)，距離組合板邊部擋水板位置越近，其應(yīng)變最大拐點(diǎn)發(fā)生時(shí)的水壓與破壞水壓越接近。結(jié)合圖9 可以看出，YD-W1、YDE1、YD-S4 應(yīng)變值隨著水壓的增加，應(yīng)變不斷增大，當(dāng)水壓達(dá)到破壞水壓時(shí)應(yīng)變達(dá)到最大，為12 574 με，發(fā)生在YD-S4 測點(diǎn)位置；其他測點(diǎn)在水壓達(dá)到破壞水壓之前達(dá)到最大應(yīng)變值，然后隨著水壓的增加，應(yīng)變值逐漸減小。

栓釘?shù)撞總?cè)面和外側(cè)四節(jié)點(diǎn)跨中位置在水壓作用下應(yīng)變曲線如圖10、圖11 所示。

圖10 栓釘?shù)撞總?cè)面水壓-應(yīng)變曲線

從圖10 可以看出，栓釘?shù)撞總?cè)面應(yīng)變隨著水壓的增加不斷增大，起始應(yīng)變值基本相同，但各測點(diǎn)因位置不同而受到不同約束的影響，導(dǎo)致曲線的上升曲率不同，最終在破壞水壓下的最大應(yīng)變值相差較大。結(jié)合測點(diǎn)位置對(duì)曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，距離組合板邊部擋水板的位置越近，栓釘分擔(dān)水壓面積越小，相同水壓下應(yīng)變值越小，在破壞水壓下最大應(yīng)變值約為6676 με，發(fā)生在YSD5 測點(diǎn)位置。從圖11 可以看出，外側(cè)四節(jié)點(diǎn)跨中位置各測點(diǎn)應(yīng)變值隨著水壓的增加均勻增大，各個(gè)測點(diǎn)的位置不同，但曲線斜率大小基本一致，表明四節(jié)點(diǎn)跨中應(yīng)變不受其位置的影響或者影響可以忽略。在破壞水壓下最大應(yīng)變值為4498 με，發(fā)生在YS6 測點(diǎn)位置。

4 有限元分析

4.1 塑料本構(gòu)關(guān)系

參照GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測定》得到聚丙烯塑料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖12 所示，聚丙烯塑料的彈性模量為1430 MPa，泊松比為0.48。

圖12 聚丙烯塑料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.2 有限元分析

采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)試件進(jìn)行數(shù)值模擬，在建模過程中，簡化實(shí)體模型，只對(duì)聚丙烯塑料構(gòu)件進(jìn)行實(shí)體建模。試驗(yàn)中栓釘與連接板通過螺紋連接，組合節(jié)點(diǎn)通過焊縫連接的方式固定于防水板上，模型采用主從面綁定的方式進(jìn)行約束；由于試驗(yàn)中混凝土對(duì)防水板的約束，模型中邊界條件設(shè)置為完全固定。對(duì)構(gòu)件施加荷載，荷載類型選擇為壓強(qiáng)，方向與防水板垂直。模型網(wǎng)格尺寸劃分為20 mm，單元形狀選擇為四面體。

對(duì)防水構(gòu)件位移和應(yīng)力分布進(jìn)行分析，在水壓力達(dá)到0.08 MPa 時(shí)，防水板外側(cè)四節(jié)點(diǎn)跨中位置產(chǎn)生較大變形，位移平均值為10.36 mm，應(yīng)力為13.36 MPa；底座位置處所受的應(yīng)力較大，平均應(yīng)力約為21.18 MPa，栓釘側(cè)面平均應(yīng)力約為9.07 MPa。

4.3 試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

在水壓作用下，內(nèi)襯塑料構(gòu)件中栓釘在混凝土中的抗拔力以及四節(jié)點(diǎn)跨中撓度是影響構(gòu)件整體防水性能的重要指標(biāo)。對(duì)栓釘?shù)目拱瘟σ约八墓?jié)點(diǎn)跨中的撓度進(jìn)行試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比。根據(jù)σ=E·ε，栓釘側(cè)面應(yīng)變測點(diǎn)測得的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值；根據(jù)測點(diǎn)布置圖，將模型中栓釘側(cè)面應(yīng)力與四節(jié)點(diǎn)跨中位移進(jìn)行對(duì)應(yīng)取值。對(duì)節(jié)點(diǎn)位置與四節(jié)點(diǎn)跨中位置試驗(yàn)平均值與模擬平均值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖13 所示。

從圖13 可以看出，栓釘側(cè)面應(yīng)力和四節(jié)點(diǎn)跨中的位移試驗(yàn)值與模擬值隨著水壓的增加不斷增大，試驗(yàn)值與模擬值基本吻合，趨勢(shì)相同且數(shù)值基本一致，當(dāng)水壓達(dá)到0.08 MPa 時(shí)，栓釘側(cè)面應(yīng)力試驗(yàn)值是模擬值的1.05 倍，四節(jié)點(diǎn)跨中的位移試驗(yàn)值是模擬值的1.01 倍。

對(duì)比分析試驗(yàn)值與模擬值，栓釘側(cè)面應(yīng)力與四節(jié)點(diǎn)跨中位移試驗(yàn)值略大于模擬值，分析原因是由于在水壓作用下節(jié)點(diǎn)位置處產(chǎn)生有較小的位移，而在模擬中忽略了節(jié)點(diǎn)位移的影響，從而造成試驗(yàn)值略大于模擬值。

5 結(jié) 論

（1）當(dāng)水壓達(dá)到0.08 MPa 時(shí)，PP 防水板發(fā)生剪切破壞，破壞裂縫從中部栓釘位置產(chǎn)生并向邊部擴(kuò)展，裂縫處栓釘無明顯破壞特征，底部最大撓度為10.83 mm，發(fā)生在四節(jié)點(diǎn)跨中位置。

（2）由于防水板出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致內(nèi)襯塑料構(gòu)件產(chǎn)生剪切破壞，節(jié)點(diǎn)處位移較小，破壞時(shí)節(jié)點(diǎn)處的螺紋和焊縫保持完好，強(qiáng)度未完全發(fā)揮，可通過適當(dāng)增加防水板厚度來提高內(nèi)襯塑料構(gòu)件的抗水壓能力。

（3）模擬值與試驗(yàn)值基本吻合，以ABAQUS 有限元為基礎(chǔ)的內(nèi)襯塑料構(gòu)件在水壓作用下模擬值可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。