地下粮仓防水内衬聚丙烯构件水压受力分析

张昊，康少朋，陶元庆，王振清

（河南工业大学 土木工程学院，河南 郑州 450001）

0 引 言

地下粮仓在我国历史悠久，因其建造在地面以下，相较于地上粮仓其有得天独厚的诸多优势[1]。仓体深埋于地下，节约耕地面积；地表绿化地下储粮，隐蔽性好；低温恒温抑制虫害；减少药物熏蒸，降低了对粮食和环境的污染[2]。也正是因为地下粮仓建造在地表以下，地下水的侵蚀会对存粮造成巨大的影响，地下水渗漏使长期存储的粮食发霉变质[3]。因此如何解决仓壁防水问题，保证储粮安全成为研究的重要课题。王珂等[4]将钢板-混凝土组合结构引入地下粮仓进行应用研究，探索用钢板抵抗水压力。针对钢板-混凝土结构在地下粮仓中的锈蚀问题，丁明等[5]提出用硅酮结构胶将聚丙烯塑料防水板和混凝土进行粘结防水，并对其拉伸粘接强度、闭水性能、胶粘剂的耐水性及耐久性进行测试。席达等[6]通过试验分析了聚丙烯塑料板不同焊缝形式的抗水压性能。常晨辉[7]提出聚丙烯塑料栓钉与塑料防水板的4 种节点组合形式，并分析了不同节点形式的受力特点和性能，归纳总结出了焊缝强度公式。张淑媛[8]对聚丙烯塑料栓钉在混凝土中的抗拔力进行了试验研究，分析总结了不同因素对栓钉与混凝土之间抗拔力的影响。本文以聚丙烯（PP）塑料-混凝土组合防水板为试验研究对象，对其进行水压加载试验，并进行有限元分析，探究内衬塑料构件在水压作用下的受力性能，为实际工程防水设计提供参考。

1 试 验

1.1 试件的设计与制作

塑料构件由防水板、连接板和栓钉组成，如图1 所示，PP防水板的尺寸为1700 mm×1700 mm×10 mm。

图1 塑料构件

PP 连接板以5 行5 列的形式均匀分布于PP 防水板上，中心间距为300 mm，采用焊接的形式固定。PP 连接板与栓钉的连接选择如图2 所示的螺纹连接-焊接组合节点[7]的形式，采用直径为25 mm 长度为95 mm 的栓钉，栓钉一端车丝，螺纹车丝根据GB/T 193—2003《普通螺纹直径与螺距系列》进行选择，长度为20 mm；在20 mm 厚圆形连接板中心位置攻丝，栓钉与连接板通过螺纹组合。选用Φ8 的弧形模具对栓钉表面进行开槽处理，开槽深度2 mm，螺纹轴向破坏荷载平均值为11.33 kN，满足水压作用下栓钉保持正常工作的状态[8]。连接板与防水板通过焊缝的形式连接，其连接强度取决于焊缝长度，根据常晨辉[7]提出的焊缝强度与焊缝长度关系，当连接板直径取90 mm 时，能保证焊缝强度与螺纹强度相当，充分发挥材料性能。为了防止水压加载过程中水从构件边缘外泄，设置20 mm 厚PP 挡板进行内外侧模板防护处理，与防水板进行焊接连接，内外侧模板之间形成混凝土闭水保护层，混凝土与防水板之间形成注水空隙，保证水压的稳定性。所有塑料构件组装完毕后，架设构造钢筋网，预设注水孔和排气孔，浇筑混凝土并进行养护，塑料-混凝土组合板如图3 所示。

图2 螺纹连接-焊接组合节点

图3 塑料-混凝土组合板浇筑

1.2 测点布置

防水板外侧位移测点共布置15 个，如图4 所示，其中防水板底部栓钉正对位置（记为节点位置）布置7 个（WJ1～WJ7），防水板外侧四节点跨中位置布置8 个（WS1～WS8），用来测定防水板在水压作用下栓钉的滑移以及四节点跨中位置防水板的凸起状态。应变测点共布置39 个，应变片的粘贴位置及方向如图6 所示，其中连接板和防水板焊接部位（记为底座位置）在水压作用下受力比较复杂，选取底座位置布置测点，测点共20 个（YD-N1～YD-N5 为例，其中N、S、E、W 表示方向）；为了测量水压作用下栓钉的抗拔力，在栓钉侧面底部位置布置11个测点（YSD1～YSD11）；外侧四节点跨中位置布置应变测点8个（YS1～YS8），用来测试防水板在水压作用下受拉产生的应变。

图4 位移测点布置

图5 应变测点布置

2 水压试验

水压加载选用液压试验机，正常使用压力范围为0～3 MPa，精确度为-1%～2%，压力显示分辨率为0.001 MPa。选用YHD-100 型位移传感器，其量程为0～100 mm。水压加载装置如图6 所示，通过预留注水孔向混凝土与塑料防水板的空隙注水，同时为了防止空隙中的残余空气对试验造成的影响，保证水压一致，在通过注水孔注水的同时打开周边预留的排气孔，直到空隙中的气体全部排出，并有水流通过排气孔均匀涌出，关闭排气孔，准备开始水压加载试验。

为方便加载和测量，设计4 根钢柱作为支撑平台，对试件角部进行支撑，支撑尺寸150 mm×150 mm。在试验正式开始前先进行预加载，检验各仪表仪器是否运行正常。试验正式加载时，采用分级加载的方式，加载初始水压力设定为0.01 MPa，每级水压力增幅为0.01 MPa，并保压3 min，以保持水压、变形稳定。在不同的水压力加载情况下分别采集塑料构件上各测点应变和位移，直至构件破坏，停止加载，记录水压最大值。

3 试验结果与分析

3.1 破坏形态和破坏机理

随着水压的增加，栓钉固定位置以外的部分特别是四跨中心位置凸起明显。当水压达到0.08 MPa 时，防水板在水压作用下发生剪切破坏，此时底部最大挠度发生在四节点跨中位置，最大值为10.83 mm，破坏由13 号节点位置处产生，并分别沿着12 号和14 号节点处向两侧扩散，其裂缝示意如图7（a）所示。对破坏后的防水板用小型切割机沿12 号、13 号和14 号节点周边对防水板进行切割，如图7（b）所示，节点位置处未出现焊缝破坏和螺纹滑移现象。分析表明：此类构件水压最大承载能力取决于防水板的强度，可通过增加板厚来提高内衬塑料构件抵抗水压的能力。

图7 防水板破坏

3.2 水压-位移分析

在水压加载过程中，部分代表性测点水压-位移曲线如图8 所示。

从图8（a）可以看出，随着水压的增加，节点位移不断增大，在水压达到0.08 MPa 时，由于受到边缘挡水板的约束，边部节点位移小于中间部位节点位移，破坏时节点处最大位移为0.90 mm，表明栓钉在混凝土中的抗拔力满足一定水压条件下的工作需求。如图8（b）所示，四节点跨中位置随着水压的增大，位移线性增加，达到破坏水压后位移最大值也基本相同，破坏时四节点跨中最大位移为10.83 mm。

在防水板达到破坏水压时，节点位置处最大位移为0.90 mm，位移较小，未出现栓钉滑移和焊缝破坏现象，说明螺纹连接-焊接组合节点的焊缝强度较大，栓钉与混凝土粘结力较好，对防水板起到较好的约束效果。

图8 防水板各测点水压位移曲线

3.3 水压-应变分析

底座位置测点布置在连接板与防水板焊接位置处，受力比较复杂，部分测点在水压达到破坏水压之前出现最大应变值，然后随着水压的增加，应变逐渐减小，在水压作用下的应变曲线如图9 所示。

在水压作用下各个测点位置处于受拉状态，应变值随着水压的增加而增大，当水压达到一定程度后，在一定距离范围内，距离组合板边部挡水板位置越近，其应变最大拐点发生时的水压与破坏水压越接近。结合图9 可以看出，YD-W1、YDE1、YD-S4 应变值随着水压的增加，应变不断增大，当水压达到破坏水压时应变达到最大，为12 574 με，发生在YD-S4 测点位置；其他测点在水压达到破坏水压之前达到最大应变值，然后随着水压的增加，应变值逐渐减小。

栓钉底部侧面和外侧四节点跨中位置在水压作用下应变曲线如图10、图11 所示。

图10 栓钉底部侧面水压-应变曲线

从图10 可以看出，栓钉底部侧面应变随着水压的增加不断增大，起始应变值基本相同，但各测点因位置不同而受到不同约束的影响，导致曲线的上升曲率不同，最终在破坏水压下的最大应变值相差较大。结合测点位置对曲线进行分析发现，距离组合板边部挡水板的位置越近，栓钉分担水压面积越小，相同水压下应变值越小，在破坏水压下最大应变值约为6676 με，发生在YSD5 测点位置。从图11 可以看出，外侧四节点跨中位置各测点应变值随着水压的增加均匀增大，各个测点的位置不同，但曲线斜率大小基本一致，表明四节点跨中应变不受其位置的影响或者影响可以忽略。在破坏水压下最大应变值为4498 με，发生在YS6 测点位置。

4 有限元分析

4.1 塑料本构关系

参照GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的测定》得到聚丙烯塑料的应力—应变曲线如图12 所示，聚丙烯塑料的弹性模量为1430 MPa，泊松比为0.48。

图12 聚丙烯塑料的应力-应变曲线

4.2 有限元分析

采用ABAQUS 有限元软件对试件进行数值模拟，在建模过程中，简化实体模型，只对聚丙烯塑料构件进行实体建模。试验中栓钉与连接板通过螺纹连接，组合节点通过焊缝连接的方式固定于防水板上，模型采用主从面绑定的方式进行约束；由于试验中混凝土对防水板的约束，模型中边界条件设置为完全固定。对构件施加荷载，荷载类型选择为压强，方向与防水板垂直。模型网格尺寸划分为20 mm，单元形状选择为四面体。

对防水构件位移和应力分布进行分析，在水压力达到0.08 MPa 时，防水板外侧四节点跨中位置产生较大变形，位移平均值为10.36 mm，应力为13.36 MPa；底座位置处所受的应力较大，平均应力约为21.18 MPa，栓钉侧面平均应力约为9.07 MPa。

4.3 试验值与模拟值对比

在水压作用下，内衬塑料构件中栓钉在混凝土中的抗拔力以及四节点跨中挠度是影响构件整体防水性能的重要指标。对栓钉的抗拔力以及四节点跨中的挠度进行试验值与模拟值的对比。根据σ=E·ε，栓钉侧面应变测点测得的应变值转化为应力值；根据测点布置图，将模型中栓钉侧面应力与四节点跨中位移进行对应取值。对节点位置与四节点跨中位置试验平均值与模拟平均值进行对比，对比结果如图13 所示。

从图13 可以看出，栓钉侧面应力和四节点跨中的位移试验值与模拟值随着水压的增加不断增大，试验值与模拟值基本吻合，趋势相同且数值基本一致，当水压达到0.08 MPa 时，栓钉侧面应力试验值是模拟值的1.05 倍，四节点跨中的位移试验值是模拟值的1.01 倍。

对比分析试验值与模拟值，栓钉侧面应力与四节点跨中位移试验值略大于模拟值，分析原因是由于在水压作用下节点位置处产生有较小的位移，而在模拟中忽略了节点位移的影响，从而造成试验值略大于模拟值。

5 结 论

（1）当水压达到0.08 MPa 时，PP 防水板发生剪切破坏，破坏裂缝从中部栓钉位置产生并向边部扩展，裂缝处栓钉无明显破坏特征，底部最大挠度为10.83 mm，发生在四节点跨中位置。

（2）由于防水板出现裂缝导致内衬塑料构件产生剪切破坏，节点处位移较小，破坏时节点处的螺纹和焊缝保持完好，强度未完全发挥，可通过适当增加防水板厚度来提高内衬塑料构件的抗水压能力。

（3）模拟值与试验值基本吻合，以ABAQUS 有限元为基础的内衬塑料构件在水压作用下模拟值可为实际工程设计提供参考。