地下粮仓内衬聚丙烯防水构件复合受力试验.pdf

第 42 卷第 4 期2023 年 7 月Vol.42No.4Jul.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）地下粮仓内衬聚丙烯防水构件复合受力试验张昊，李军，常哲，王振清（河南工业大学 土木工程学院，河南 郑州 450001）摘要：为解决地下粮仓仓壁防水难题，设计和制作内衬聚丙烯塑料-混凝土仓壁试件，并对其进行轴压和水压复合加载试验，研究内衬塑料防水构件在轴压和水压共同作用下的破坏形态和内力变化规律，得到了聚丙烯内衬塑料防水构件的水压承载力。结果表明：轴压保持在 1 800 kN，水压达到 153 kPa时，节点焊缝发生未完全破坏；水压加载至 160 kPa时，塑料防水板发生破裂；塑料防水板的位移随荷载增大而增大，跨中位移远大于节点位移，最大位移为 5.8 mm；塑料防水板应变随荷载增大而增大，四节点跨中应变小于节点和两节点跨中应变，且应变最大值分布不均匀。研究结果可为地下粮仓和类似地下结构的防水防潮设计提供参考。关键词：地下粮仓；聚丙烯；节点；轴压；水压中图分类号：TU57文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）4-172-7Composite mechanical test of polypropylene waterproof component lining in underground granaryZHANG Hao，LI Jun，CHANG Zhe，WANG Zhenqing（School of Civil Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，Henan，China）Abstract：In order to solve the waterproof problem of the underground granary wall，the lining polypropylene plastic-concrete specimen was designed and produced，and the composite load test was carried out subjected to combined axial pressure and water pressure.The failure mode and internal force variation of the plastic waterproof component subjected to combined axial compression and water pressure were studied and analyzed，and the ultimate water pressure bearing capacity of the polypropylene plastic waterproof component was obtained.The test results showed that under axial pressure of 1 800 kN，the joint welds were not completely destroyed with water pressure reaching 153 kPa and the plastic waterproof plate ruptured with the water pressure increasing to 160 kPa.The displacement of the plastic waterproof plate increased with the increase of the load，and the mid-span displacement was much larger than the node displacement，the maximum displacement was 5.8 mm.The strain of plastic waterproof plate increased with the increase of load，and the mid-span strain of four nodes was less than that of nodes and the mid-span strain of two nodes with 张昊，李军，常哲，等.地下粮仓内衬聚丙烯防水构件复合受力试验 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（4）：172-178.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021070056ZHANG H，LI J，CHANG Z，et al.Composite mechanical test of polypropylene waterproof component lining in underground granary J.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（4）：172-178.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021070056收稿日期：2021-07-15；修回日期：2021-10-25基金项目：国家自然科学基金资助项目（51708182）；河南省科技攻关项目（202102110122）；河南工业大学高层次人才科研启动基金资助项目（2018BS077）第一作者简介：张昊（1979），男，河南周口人，博士，教授，主要从事储仓结构和绿色储粮体系方面的教学和研究工作。Email：O S I D第 4 期张昊，等：地下粮仓内衬聚丙烯防水构件复合受力试验the unevenly distributed maximum strain.The research results could provide references for the waterproof and moisture-proof design of underground granaries and similar underground structures.Key words：underground granary；polypropylene；node；axial compression；water pressure0引 言地下粮仓具有低温、隔热、避免药物熏蒸、占地少等优点，是一种理想的绿色仓储1。近些年相 关 学 者 对 地 下 粮 仓 的 研 究 取 得 了 一 系 列 成果2-7，但防水防潮依旧是地下粮仓面临的难题。王振清等8、CHUAI J等9利用钢板形成封闭防水抗渗层，将钢板用在装配式混凝土地下粮仓内侧，但地下水易锈蚀钢板。为了解决钢板的锈蚀问题，将聚丙烯塑料应用于地下粮仓中，聚丙烯塑料无毒无味，防水性能好，易于加工10。丁明等11采用硅酮结构胶将塑料黏贴在混凝土上，并对试件进行闭水试验，发现采用此胶黏剂后塑料-混凝土试件的抗水压能力；张淑媛12将聚丙烯塑料板通过塑料棒与混凝土浇筑在一起，进行中心抗拔试验，结果表明，表面开槽后塑料棒的抗拔性能是表面光滑塑料棒的 3 倍；王振清等13通过中心拉拔试验，研究了影响聚丙烯塑料棒与混凝土黏结性的因素，其中聚丙烯塑料棒表面形式对其黏结性能影响最大，螺纹型聚丙烯塑料棒极限黏结应力远大于光圆型的，结果表明，直径 30 mm聚丙烯棒的黏结应力比 25 mm 的增大了 35.9%；尹淑君等14通过试验和理论分析，确定了螺纹型聚丙烯塑料棒与混凝土之间的黏结应力-滑移模型，建立螺纹型聚丙烯塑料棒与混凝土之间的黏结强度模型；张昊等15通过试验分析了对不同节点间距的塑料防水板的水压承载能力，得到了节点间距每增大 100 mm，塑料板的水压承载能力降低 55%的结论；常晨辉16通过强度试验，得到了不同形式下聚丙烯塑料板与栓钉连接的承载力；席达17对3 种不同形式的塑料焊缝进行水压试验，并确定了影响焊缝强度的因素；张昊等18-19对防水内衬聚丙烯构件进行水压加载并与有限元模拟值进行对比分析，得到了构件的水压承载力，并设计 3种不同栓钉间距的塑料-混凝土试件，通过水压加载试验，分析试件在水压均匀分布情况下塑料防水板的受力状态，塑料板应力随水压增大而增大，不同栓钉间距试件的破坏形态不同。基于前人对聚丙烯塑料防水研究，为了研究圆形塑料-混凝土地下粮仓仓壁在渗水情况下的真实受力状态，制作塑料-混凝土试件，对其进行轴压和水压复合加载试验，分析塑料防水板的破坏形态、应变-荷载关系、位移-荷载关系以及轴压对试件的影响，以期为地下防水防潮提供理论参考。1试件制作与试验方法1.1试件制作试件由聚丙烯塑料防水板通过聚丙烯塑料棒与混凝土现浇在一起，如图 1 所示。塑料棒选取螺纹型，螺纹长 100 mm20，螺距 1.5 mm21，直径30 mm14；塑料连接板直径 100 mm；聚丙烯塑料防水板尺寸 1 600 mm1 600 mm10 mm，节点间距250 mm；试件高 150 mm，混凝土厚 140 mm。防水板四周焊接 20 mm 厚的聚丙烯塑料模板和挡水板，挡水板与塑料模板间距 150 mm，防止加载过程中出现渗水现象。将塑料连接板焊接在塑料防水板上，再将塑料棒与塑料连接板进行螺纹连接，连接处形成节点。为形成两条流水贯穿缝，混凝土浇筑前预埋两根直径 14 mm 的光圆钢筋；混凝土达到终凝时，抽拔出钢筋，并在贯穿缝交集处预留注水口，四周预留水压测试口，见图 2。试件内部采用直径 8 mm 的 HRB400 钢筋，间距 200 mm，按构造配筋22。为了方便吊装试件，在试件四角预埋 4 个吊钩。最后，进行混凝土浇筑（图 3），并制作 6 块混凝土标准试块23，与试件在同等条件下养护 28 d。1.2试件加载试验为了测量试验过程中塑料防水板应变和位移变化情况，在塑料防水板内侧节点设置 80个应变片，记作 DF，见图 4。塑料防水板外侧两节点跨中设置 40 个应变片，记作 LK，见图 5。塑料防水板外侧四节点间设置 16个应变片，记作 SK，见图 6。图 1 试件剖面图Fig.1 Profile of component1732023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）塑料防水板外侧节点处设置 11 个位移计，记作SD；塑料防水板外侧四节点跨中设置 16 个位移计，记作 KZ，见图 7。由于轴压试验机加载面尺寸小于塑料-混凝土试件的，因此需要设计2个转换梁，选用2 100 mm300 mm30 mm 的长方体钢板和厚 20 mm、尺寸为525 mm180 mm555 mm 的三角形钢板，将三角形钢板焊接在长方体钢板上组成转换梁，再将转换梁通过连接钢板与加载面侧边进行连接。正式加载前先进行预加载，为确保水压表和控制阀门正常使用采用水压预加载。轴压预加载采取分级加压方式，每级 50 kN，保持 3 min，加载至 300 kN，待数据采集正常后，对试件进行正式加载。正式加载过程中，轴压每级 200 kN，保持 3 min。加载至 1 800 kN保持不变，再进行水压逐级加载，每级10 kPa，加载至塑料防水板破坏。加载示意图如图 8所示。图 2 试件平面图Fig.2 Plane diagram of component图 3 试件浇筑Fig.3 Casting diagram of specimen图 4 节点应变片布置示意Fig.4 Diagram of node strain arrangement图 5 两节点间应变片布置示意Fig.5 Diagram of strain arrangement between two nodes图 6 四节点间应变片布置示意Fig.6 Diagram of strain arrangement between four nodes图 7 位移计布置示意Fig.7 Diagram of displacement meter arrangement图 8 加载示意Fig.8 Loading schematic174第 4 期张昊，等：地下粮仓内衬聚丙烯防水构件复合受力试验2结果与分析2.1试件破坏形态轴压保持 1 800 kN 不变，进行水压加载。水压达到 100 kPa时，塑料防水板与混凝土局部发生剥离，水压降至 97 kPa；水压继续加载至 127 kPa，再次发生剥离现象；水压达到 153 kPa时，23号节点焊缝处发生未完全破坏，水压下降到 151 kPa，防水板没有破坏，其变形增大；水压达到 160 kPa时，塑料防水板 23号附近节点破裂，如图 9所示。由图 10 可知，塑料棒与连接板未发生破坏，防水板与连接板的连接处部分发生破坏。这是因为混凝土与塑料防水板通过塑料棒紧密连接，水压加载过程中，防水板与混凝土发生剥离，连接板与防水板位移方向相反，最终两者连接处发生破坏，节点对防水板的约束减小，塑料防水板发生破坏。节点间距为 250 mm时，节点处的焊缝强度影响试件的水压最大承载力，因此可以通过提高焊缝处抗剪强度提高其承载能力。2.2位移-荷载关系2.2.1节点位移-荷载关系由图 11 可知，荷载加载过程中，随着荷载增大，节点位移增大。在轴压作用下，位移最大值位于 SD11处，为 1.3 mm；水压作用下，位移最大值位于 SD11 处，为 1.4 mm。节点位移变化不明显，未发生滑移现象。2.2.2节点跨中位移-荷载关系由图 12（a）可知，在轴压作用下，跨中位移随轴压增大而增大，但增量较小，位移最大值位于KZ7 处，为 1.1 mm。由图 12（b）可知，水压作用下，节点跨中位移与水压呈线性关系。水压为153 kPa 时，23 号节点焊缝发生破坏，节点跨中位移较大，此时 KZ15 处位移增量变大，位移值达到5.3 mm；水压达到 160 kPa，防水板在 KZ7、KZ11、KZ15 处 发 生 断 裂 破 坏，跨 中 最 大 位 移 值 位 于KZ15处，为 5.8 mm。图 10 23号节点剖面图Fig.10 Profile of node 23图 9 塑料防水板破裂位置示意Fig.9 Diagram of fracture location of waterproof board图 11 节点位移-荷载曲线Fig.11 Displacement-load curves of nodes图 12 节点跨中位移-荷载曲线Fig.12 Mid-span displacement-load curves1752023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）2.3应变-荷载关系2.3.1节点处应变-荷载关系由图 13（a）可知，应变与轴压呈线性递增关系，轴压加载方向为 V 方向（图 4），垂直于加载方向为 H 方向（见图 4）。V 方向压应变最大值为0.000 379，位于 DF17-3 处；H 方向拉应变最大值为 0.000 15，位于 DF15-2 处。图 13（b）中，压应变转化为拉应变，各测点应变与水压呈递增关系。水压加载到 153 kPa 时，23 号节点焊缝发生未完全破坏，该测点应变值为 0.002 717，水压加载至160 kPa，防水板破坏，应变最大值 0.005 286，位于DF13-4 处。V 方向上，轴压引起的应变与总应变的比值最大达到 11.2%；H 方向上，轴压引起的应变与总应变的比值最大达到 5.05%。2.3.2跨中应变-荷载关系由图 14（a）可知，随着轴压增大，V 方向上压应变增大，最大值位于 LK15 处，为 0.000 289；随着轴压增大，H 方向上拉应变增大，最大值位于LK39 处，为 0.000 089。由图 14（b）可知，水压作用下，各测点应变均为拉应变，随轴压增大而增大。水压加载到 153 kPa 时，23 号节点焊缝发生未完全破坏，23号节点附近跨中应变最大值位于LK18处，为 0.004 263。水压加载至 160 kPa，应变最大值位于 LK24 处，为 0.007 308。V 方向上，轴压引起的应变与总应变的比值最大达到 10.46%；H 方向上，轴压引起的应变与总应变的比值最大达到 1.45%。由图 15（a）可知，V 方向上，压应变随着轴压增大而增大，最大值位于 SK6 处，为 0.000 172；由图 15（b）可知，轴压一定时，水压加载至 160 kPa，各测点均受拉，应变最大值位于 SK2 处，为 0.003 775。轴 压 引 起 的 应 变 与 总 应 变 的 比 值 达 到3.77%，最 大 值 分 布 不 均 匀，说 明 水 压 加 载 不均匀。由以上分析可知，应变随着荷载的增加而增图 13 节点应变-荷载曲线Fig.13 Strain-load curves of node图 14 两节点跨中应变-荷载曲线Fig.14 Mid-span strain-load curves of two nodes图 15 四节点跨中应变-荷载曲线Fig.15 Mid-span strain-load curves of four nodes176第 4 期张昊，等：地下粮仓内衬聚丙烯防水构件复合受力试验大，当轴压保持不变进行水压加载时，垂直于轴压加载方向的各测点应变值急剧加大，该方向轴压会加速塑料防水板的破坏。平行于轴压加载方向各测点应变值由负值转为正值，然后继续增大，该方向轴压减缓了防水板的破坏。垂直于轴压加载方向的节点和两节点跨中位置由轴压引起的应变占总应变 11%左右；平行于轴压加载方向的节点和两节点跨中位置由轴压引起的应变占比小于6%；四节点跨中位置处轴压引起的应变小于 5%。轴压加载初期，塑料防水板与混凝土可同时变形，具体表现为外侧塑料防水板受压。水压加大时，混凝土变形较大，通过塑料棒协调变形，此时测点应力由压应力转变为拉应力。塑料棒表面采用的螺纹形式可充分发挥塑料棒在混凝土中的抗拔作用，并且加载过程中塑料棒未被拔出，该连接形式满足试验加载要求。3结论（1）轴压保持在 1 800 kN 情况下，水压达到153 kPa 时，节点焊缝发生未完全破坏；水压继续加载至 160 kPa时，塑料防水板发生破坏。可以通过增强节点处焊缝强度提高试件水压承载力。（2）轴压保持在 1 800 kN情况下，位移随着水压荷载增大而增大，跨中位移远大于节点处位移；节点位移较小，说明螺纹型塑料棒在混凝土中的滑移较小，其与混凝土的黏结性能较好，节点连接形式可满足使用要求；应变随着水压荷载的增大而增大，四节点跨中应变最小，由于水压分布不均匀，应变最大值分布不均匀。（3）垂直于轴压加载方向上，轴压与水压产生的拉应变叠加加速了塑料防水板的破坏，其中轴压引起的拉应变占总应变小于 15%，说明与仅受到水压作用相比，轴压的存在减小了塑料防水板的水压承载力。参考文献：1 余汉华，王录民，王振清，等.我国地下粮仓应用的现状及前瞻 J.河南工业大学学报（自然科学版），2008，29（6）：79-81.YU H H，WANG L M，WANG Z Q，et al.Present condition and outlook for underground silosJ.Journal of Henan University of Technology（Natural Science Edition），2008，29（6）：79-81.2 刘海燕，孟伟新，王振清，等.“二八灰土”回填地下粮仓浮力预警试验研究 J.农业工程学报，2019，35（11）：299-305.LIU H Y，MENG W X，WANG Z Q，et al.Experimental study on the buoyancy of backfilled underground grain silos J.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2019，35（11）：299-305.3 熊晓莉，金立兵，王振清.钢筋混凝土地下粮仓仓壁土压力取值方法及仓壁结构受力分析 J.应用基础与工程科学学报，2016，24（1）：103-114.XIONG X L，JIN L B，WANG Z Q.Earth pressure and bearing capacity analysis on the wall of reinforced concrete underground granary J.Journal of Basic Science and Engineering，2016，24（1）：103-114.4 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