聚丙烯塑料板應(yīng)用于地下糧倉防水工程中的受力特性有限元分析

常晨輝 王振清 張 昊 陶元慶

聚丙烯塑料板應(yīng)用于地下糧倉防水工程中的受力特性有限元分析

常晨輝 王振清 張 昊 陶元慶

（河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001）

塑料-混凝土地下糧倉是一種全新的地下糧倉構(gòu)造體系，基于聚丙烯塑料板與混凝土倉壁采用聚丙烯塑料栓釘連接的前提，選取栓釘連接節(jié)點(diǎn)的間距為200mm，利用ABAQUS有限元軟件對(duì)不同厚度的聚丙烯塑料板分別和混凝土板組成的倉壁進(jìn)行建模，并對(duì)各模型中的聚丙烯塑料板在不同級(jí)別的水壓荷載作用下的受力特性進(jìn)行分析，為地下糧倉防水提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

地下糧倉；聚丙烯塑料板；有限元分析；最大應(yīng)力

地下糧倉發(fā)展過程中如何確保倉壁不會(huì)滲水一直是難以解決的問題，傳統(tǒng)的防水做法往往不適用于地下糧倉，因此需要突破原有防水技術(shù)，尋找新的防水材料并研究新的防水做法，以促進(jìn)地下糧倉的發(fā)展。聚丙烯塑料以其優(yōu)異的物理力學(xué)性能以及耐腐蝕、無毒、加工容易和價(jià)格便宜等特點(diǎn)，較適用于地下倉作為防水材料?？紤]到施工的難易程度以及后期維護(hù)情況，應(yīng)將聚丙烯塑料板置于混凝土倉壁內(nèi)側(cè)。

選擇聚丙烯材料作為地下糧倉防水板并且確定了其放置于倉壁內(nèi)側(cè)后，聚丙烯塑料板可以有多種方式與混凝土倉壁板進(jìn)行連接，目前工程應(yīng)用中類似的組合體系大都采用錨釘、固定鍵等連接方法［1-2］。與此類似，聚丙烯塑料板在和混凝土連接時(shí)也可以采用聚丙烯栓釘連接。在這種情況下，聚丙烯塑料板能否承受巨大的水壓力而不發(fā)生破壞，目前還沒有相關(guān)的試驗(yàn)或者有限元模擬研究。本文將對(duì)聚丙烯塑料板在水壓作用下的受力特性進(jìn)行探索。

1 基于ABAQUS有限元軟件的混凝土-塑料地下糧倉倉壁建模

ABAQUS有限元軟件可模擬任何幾何形狀的單元，并且可以模擬如高分子材料、鋼筋混凝土等各種典型工程材料。本文將基于聚丙烯塑料板與混凝土采用聚丙烯栓釘連接的方式，在栓釘節(jié)點(diǎn)間距一定的情況下，分別對(duì)不同厚度的聚丙烯板在不同水壓作用下的受力特性進(jìn)行基于ABAQUS軟件的有限元模擬分析。

1.1 有限元模型

一年一次對(duì)電流表以及電壓表進(jìn)行效驗(yàn)，確定其是否準(zhǔn)確、可靠。一個(gè)月一次對(duì)絕緣設(shè)備進(jìn)行絕緣檢測，確定其是否受潮或者破損。保護(hù)接地連接線路是否可靠。一個(gè)月一次，對(duì)各類輔助電路元件進(jìn)行檢查，例如：繼電器或者儀表等。確定其是否能夠正常使用。一個(gè)月一次對(duì)輔助電路端子或者接插件進(jìn)行檢查，確定其是否牢固可用，信號(hào)燈是否正常工作等。定期對(duì)直流屏蓄電池是否正常進(jìn)行檢查，例如：液位或者比重等。

圖8所示為節(jié)點(diǎn)間距為200mm時(shí)，在各級(jí)荷載作用下聚丙烯塑料板最大應(yīng)力隨著板厚的變化而變化的曲線以及由各自曲線擬合而成的趨勢線及公式。

回去路上，各懷心事，什么風(fēng)景也不成風(fēng)景了。路過那株楓樹時(shí)，一杭下意識(shí)地看了看河心。鵝卵石還是鵝卵石，河水也還潺潺流動(dòng)，但那片紅色的楓葉，卻不見了。原來樹葉陷落的地方，甚至連一點(diǎn)痕跡也沒有留下。一杭的心，便越發(fā)沉重起來。也不再刻意照顧雪螢的情緒了。

圖1 混凝土-塑料地下糧倉倉壁板有限元模型及透視圖

1.2 材料屬性

1.3 邊界條件設(shè)定

根據(jù)聚丙烯材料相關(guān)規(guī)范，聚丙烯材料的彈性模量在1.32～1.42GPa，實(shí)際的彈性模量隨溫度和加載速率的變化也會(huì)產(chǎn)生變化，本文取其彈性模量中間值1.37GPa。聚丙烯材料的泊松比也會(huì)根據(jù)溫度的不同而有所不同，但其對(duì)溫度的變化不敏感，簡化計(jì)算可取其為恒定值，本文取其為0.437。

本文主要研究聚丙烯塑料板在受到水壓力作用時(shí)的受力特性，忽略了鋼筋混凝土板的受力情況，并且鋼筋混凝土倉壁板的剛度又遠(yuǎn)大于聚丙烯塑料板。因此，本文在創(chuàng)建模型的時(shí)候，對(duì)鋼筋混凝土倉壁板進(jìn)行了模型簡化，忽略了鋼筋的建模，將鋼筋混凝土材料作為一種材料來考慮。根據(jù)地下糧倉常用混凝土等級(jí)，混凝土采用C40，其彈性模量參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范取為32.5GPa，泊松比為0.2。

2003 年，Cousin 等[9]將 ASCs 注入骨髓功能缺失的小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其造血及淋巴系細(xì)胞的生成得以恢復(fù)，并在體外實(shí)驗(yàn)中促進(jìn)髓系細(xì)胞分化。此后，大量研究證實(shí) ASCs 主要通過細(xì)胞間接觸作用于多種免疫細(xì)胞并調(diào)控免疫分子，發(fā)揮復(fù)雜的免疫調(diào)節(jié)功能并總體起到劑量依賴的免疫抑制作用 [10]。

對(duì)于混凝土板來說，首先實(shí)際工程中倉壁混凝土板在水土壓力作用下的變形非常小，其次整個(gè)倉壁在受到來自倉周的均布荷載作用的時(shí)候是整體發(fā)生變形，局部倉壁相對(duì)于其周圍的倉壁來說沒有相對(duì)變形。另外本模型忽略了倉周水土壓力對(duì)混凝土板的作用，僅考慮作用于聚丙烯板上的水壓力。因此，本模型所取的局部倉壁與其相鄰的倉壁可以看作沒有相對(duì)位移和轉(zhuǎn)角，倉壁混凝土板4個(gè)側(cè)邊可設(shè)為完全固定約束，即沿X、Y、Z方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)都得到限制，如圖2所示。

1.4 網(wǎng)格劃分和施加荷載

本研究將提取到的mtDNA通過微量分光光度計(jì)檢測，濃度為860.3 ng/μL，A260/A280值為1.96，A260/A230值為2.08，表明無RNA、蛋白質(zhì)和離子污染。吸取2 μL提取的mtDNA原液，加入18 μL純水稀釋10倍，以10 ng和30 ng λDNA為對(duì)照，電泳檢測結(jié)果顯示條帶清晰，表明無RNA污染和蛋白質(zhì)殘留現(xiàn)象(圖3)。進(jìn)一步使用EcoRⅠ對(duì)mtDNA進(jìn)行酶切，電泳檢測結(jié)果顯示總基因組帶型成彌散狀，酶切后的mtDNA帶型分布均勻(圖4)。說明本研究提取到的大豆mtDNA濃度高、質(zhì)量好。

圖2 倉壁混凝土板邊界條件設(shè)定

圖3 倉壁聚丙烯內(nèi)壁板邊界條件設(shè)定

對(duì)于聚丙烯塑料板來說，實(shí)際工程中由于受到水壓作用，其在相鄰的4個(gè)栓釘節(jié)點(diǎn)所圍成的矩形的中心位置會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，且其與整體倉壁模型中間區(qū)域的聚丙烯內(nèi)壁板的最大應(yīng)力相當(dāng)。如果聚丙烯板在整體模型的4個(gè)側(cè)邊設(shè)為完全固定約束，即沿X、Y、Z方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)均設(shè)為0，這樣設(shè)置對(duì)模型中距離4個(gè)側(cè)邊最近的聚丙烯栓釘和邊緣部分的聚丙烯板的受力情況是有利的，邊緣部分的聚丙烯板和栓釘?shù)膽?yīng)力將小于中間區(qū)域，這對(duì)應(yīng)力的最大值計(jì)算結(jié)果沒有影響，邊界設(shè)定情況如圖3所示。

本文首先對(duì)節(jié)點(diǎn)間距為200mm并且水壓荷載為0.2MPa情況下采用25mm厚的聚丙烯塑料板的地下糧倉倉壁進(jìn)行有限元模擬分析。由于倉壁分為聚丙烯板和外側(cè)的混凝土板兩部分，將倉壁整體的有限元分析結(jié)果和這兩部分各自的有限元分析結(jié)果以圖形的形式輸出。圖6為混凝土-塑料組合倉壁的有限元分析結(jié)果圖，圖7為倉壁的聚丙烯塑料板的有限元分析結(jié)果圖。

圖4 倉壁聚丙烯塑料板網(wǎng)格劃分

圖5 倉壁混凝土板網(wǎng)格劃分

本文有限元模型針對(duì)地下糧倉埋深20m的情況進(jìn)行模擬，因此可確定模型最大荷載為q=20×10=200kN/m2=0.2MPa，對(duì)各模型均施加不同級(jí)別的荷載值，分別為0.025、0.05、0.075、0.1、0.125、0.15、0.175、0.2MPa，荷載垂直施加于聚丙烯塑料板上，方向由混凝土板指向聚丙烯塑料板。

2 倉壁有限元模擬結(jié)果

本模型混凝土板上有圓孔，并且聚丙烯板和栓釘是一體建模，對(duì)聚丙烯板和栓釘由兩者交界處所在平面進(jìn)行分割，混凝土板由圓孔底面所在平面進(jìn)行分割。對(duì)部件進(jìn)行幾何分割后即可對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。聚丙烯塑料板和混凝土板各自的網(wǎng)格數(shù)分別為43 760和63 048，網(wǎng)格劃分效果如圖4和圖5所示。

圖6 地下糧倉倉壁整體應(yīng)力云圖

圖7 地下糧倉聚丙烯塑料板應(yīng)力云圖

3 聚丙烯塑料板有限元模擬結(jié)果分析

3.1 聚丙烯塑料板應(yīng)力隨厚度變化的規(guī)律

建立校、院各級(jí)機(jī)構(gòu)、學(xué)生組織、教師微信公眾平臺(tái)，依托平臺(tái)塑造新媒體教育活動(dòng)品牌。通過建設(shè)新媒體平臺(tái)進(jìn)行思想引領(lǐng)，運(yùn)用博客、微博、微電影、微論壇、微平臺(tái)傳播正能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生骨干的思想引領(lǐng)和價(jià)值塑造，取得了引領(lǐng)思想、凝聚力量、提振學(xué)風(fēng)的顯著效果。

本文對(duì)局部倉壁進(jìn)行建模，模型的建立分為倉壁混凝土板的創(chuàng)建和帶有聚丙烯栓釘?shù)木郾﹥?nèi)壁板的創(chuàng)建。創(chuàng)建混凝土板時(shí)，在聚丙烯栓釘?shù)奈恢脛?chuàng)建圓形孔，孔徑和聚丙烯栓釘?shù)闹睆较嗤?，混凝土板的尺寸? 200mm×1 800mm×250mm，孔距為200mm。聚丙烯塑料板和聚丙烯錨固栓釘采用一體建模，栓釘直徑25mm，間距200mm，各模型中聚丙烯塑料板厚度分別10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm。倉壁組裝后的效果如圖1所示。

以健康旅游示范基地建設(shè)為標(biāo)桿，推動(dòng)大健康理念下的旅游與相關(guān)行業(yè)抱團(tuán)出擊，扭轉(zhuǎn)各自為戰(zhàn)的無序競爭，實(shí)施“一體化”發(fā)展，通過構(gòu)建有含金量、有附加值的健康旅游聯(lián)盟體，實(shí)現(xiàn)從門票經(jīng)濟(jì)向產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，從重要產(chǎn)業(yè)向支柱產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變。堅(jiān)持放大格局，實(shí)施“一盤棋”謀劃，促進(jìn)區(qū)域之間優(yōu)勢互補(bǔ)，避免重復(fù)投資，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，豐富產(chǎn)品內(nèi)涵，滿足游客特色化、個(gè)性化需求，通過穿線成珠、連點(diǎn)成面，實(shí)現(xiàn)從景點(diǎn)旅游向全域旅游轉(zhuǎn)變，從一季旅游向四季旅游轉(zhuǎn)變。

從圖8中可知，在任意水壓荷載作用下聚丙烯塑料板產(chǎn)生的最大應(yīng)力與板厚均呈冪函數(shù)關(guān)系，即σ=Kdb，其中σ是聚丙烯塑料板的最大應(yīng)力，K是擬合冪函數(shù)的乘系數(shù)，d是聚丙烯塑料板厚度，b是冪函數(shù)的次數(shù)，并且在節(jié)點(diǎn)間距相同的情況下冪函數(shù)的次數(shù)b相同。

3.2 同一種厚度聚丙烯塑料板應(yīng)力隨水壓荷載變化的規(guī)律

圖9為節(jié)點(diǎn)間距為200mm時(shí)，不同厚度的聚丙烯塑料板最大應(yīng)力隨著荷載的變化而變化的曲線。

圖8 節(jié)點(diǎn)間距為200mm時(shí)各級(jí)荷載作用下聚丙烯內(nèi)壁板最大應(yīng)力隨厚度的變化曲線

由圖9可知，無論聚丙烯塑料板的厚度為多少，其在受到水壓作用的時(shí)候產(chǎn)生的最大應(yīng)力均與水壓荷載的值呈線性相關(guān)。

圖9 節(jié)點(diǎn)間距為200mm時(shí)不同厚度聚丙烯塑料板最大應(yīng)力隨水壓荷載的變化曲線

4 結(jié)論

采用聚丙烯塑料栓釘與混凝土連接的聚丙烯塑料板在受到水壓作用情況下的受力規(guī)律如下：①聚丙烯塑料板產(chǎn)生的最大應(yīng)力與聚丙烯板的厚度呈冪函數(shù)關(guān)系，并且節(jié)點(diǎn)間距相同的情況下冪函數(shù)的次數(shù)相同；②聚丙烯塑料板產(chǎn)生的最大應(yīng)力與水壓荷載的大小呈線性關(guān)系。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50108—2008地下工程防水技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

［2］中華人民共和國工業(yè)和信息化部.JC/T 2280—2014內(nèi)襯PVC片材混凝土和鋼筋混凝土排水管［S］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2015.

Finite Element Analysis of Mechanical Properties of Polypropylene Plastic Plate Used in Underground Granary Waterproof Engineering

Chang ChenhuiWang Zhenqing Zhang Hao Tao Yuanqing
（College of Civil Engineering,Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001）

Plastic-concrete underground granary is an entirely new structural system of underground granary.On the premise of connecting polypropylene plastic board with concrete silo wall by using polypropylene plastic stud,the spacing between the nodes that used for connecting was determined as 200mm.ABAQUS,the software for finite element analysis was used for the modeling of silo walls built up by polypropylene plastic board with different thicknesses and the concrete board.

underground granary；polypropylene plastic board；finite element analysis；maximum stress

TU352.4

A

103-5168（2017）09-0067-03

2017-08-03

常晨輝（1989-），男，碩士，研究方向：倉儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。