聚丙烯塑料板应用于地下粮仓防水工程中的受力特性有限元分析

常晨辉 王振清 张 昊 陶元庆

聚丙烯塑料板应用于地下粮仓防水工程中的受力特性有限元分析

常晨辉 王振清 张 昊 陶元庆

（河南工业大学土木建筑学院，河南 郑州 450001）

塑料-混凝土地下粮仓是一种全新的地下粮仓构造体系，基于聚丙烯塑料板与混凝土仓壁采用聚丙烯塑料栓钉连接的前提，选取栓钉连接节点的间距为200mm，利用ABAQUS有限元软件对不同厚度的聚丙烯塑料板分别和混凝土板组成的仓壁进行建模，并对各模型中的聚丙烯塑料板在不同级别的水压荷载作用下的受力特性进行分析，为地下粮仓防水提供设计参考依据。

地下粮仓；聚丙烯塑料板；有限元分析；最大应力

地下粮仓发展过程中如何确保仓壁不会渗水一直是难以解决的问题，传统的防水做法往往不适用于地下粮仓，因此需要突破原有防水技术，寻找新的防水材料并研究新的防水做法，以促进地下粮仓的发展。聚丙烯塑料以其优异的物理力学性能以及耐腐蚀、无毒、加工容易和价格便宜等特点，较适用于地下仓作为防水材料。考虑到施工的难易程度以及后期维护情况，应将聚丙烯塑料板置于混凝土仓壁内侧。

选择聚丙烯材料作为地下粮仓防水板并且确定了其放置于仓壁内侧后，聚丙烯塑料板可以有多种方式与混凝土仓壁板进行连接，目前工程应用中类似的组合体系大都采用锚钉、固定键等连接方法［1-2］。与此类似，聚丙烯塑料板在和混凝土连接时也可以采用聚丙烯栓钉连接。在这种情况下，聚丙烯塑料板能否承受巨大的水压力而不发生破坏，目前还没有相关的试验或者有限元模拟研究。本文将对聚丙烯塑料板在水压作用下的受力特性进行探索。

1 基于ABAQUS有限元软件的混凝土-塑料地下粮仓仓壁建模

ABAQUS有限元软件可模拟任何几何形状的单元，并且可以模拟如高分子材料、钢筋混凝土等各种典型工程材料。本文将基于聚丙烯塑料板与混凝土采用聚丙烯栓钉连接的方式，在栓钉节点间距一定的情况下，分别对不同厚度的聚丙烯板在不同水压作用下的受力特性进行基于ABAQUS软件的有限元模拟分析。

1.1 有限元模型

一年一次对电流表以及电压表进行效验，确定其是否准确、可靠。一个月一次对绝缘设备进行绝缘检测，确定其是否受潮或者破损。保护接地连接线路是否可靠。一个月一次，对各类辅助电路元件进行检查，例如：继电器或者仪表等。确定其是否能够正常使用。一个月一次对辅助电路端子或者接插件进行检查，确定其是否牢固可用，信号灯是否正常工作等。定期对直流屏蓄电池是否正常进行检查，例如：液位或者比重等。

图8所示为节点间距为200mm时，在各级荷载作用下聚丙烯塑料板最大应力随着板厚的变化而变化的曲线以及由各自曲线拟合而成的趋势线及公式。

回去路上，各怀心事，什么风景也不成风景了。路过那株枫树时，一杭下意识地看了看河心。鹅卵石还是鹅卵石，河水也还潺潺流动，但那片红色的枫叶，却不见了。原来树叶陷落的地方，甚至连一点痕迹也没有留下。一杭的心，便越发沉重起来。也不再刻意照顾雪萤的情绪了。

图1 混凝土-塑料地下粮仓仓壁板有限元模型及透视图

1.2 材料属性

1.3 边界条件设定

根据聚丙烯材料相关规范，聚丙烯材料的弹性模量在1.32～1.42GPa，实际的弹性模量随温度和加载速率的变化也会产生变化，本文取其弹性模量中间值1.37GPa。聚丙烯材料的泊松比也会根据温度的不同而有所不同，但其对温度的变化不敏感，简化计算可取其为恒定值，本文取其为0.437。

本文主要研究聚丙烯塑料板在受到水压力作用时的受力特性，忽略了钢筋混凝土板的受力情况，并且钢筋混凝土仓壁板的刚度又远大于聚丙烯塑料板。因此，本文在创建模型的时候，对钢筋混凝土仓壁板进行了模型简化，忽略了钢筋的建模，将钢筋混凝土材料作为一种材料来考虑。根据地下粮仓常用混凝土等级，混凝土采用C40，其弹性模量参考混凝土结构设计规范取为32.5GPa，泊松比为0.2。

2003 年，Cousin 等[9]将 ASCs 注入骨髓功能缺失的小鼠体内，发现其造血及淋巴系细胞的生成得以恢复，并在体外实验中促进髓系细胞分化。此后，大量研究证实 ASCs 主要通过细胞间接触作用于多种免疫细胞并调控免疫分子，发挥复杂的免疫调节功能并总体起到剂量依赖的免疫抑制作用 [10]。

对于混凝土板来说，首先实际工程中仓壁混凝土板在水土压力作用下的变形非常小，其次整个仓壁在受到来自仓周的均布荷载作用的时候是整体发生变形，局部仓壁相对于其周围的仓壁来说没有相对变形。另外本模型忽略了仓周水土压力对混凝土板的作用，仅考虑作用于聚丙烯板上的水压力。因此，本模型所取的局部仓壁与其相邻的仓壁可以看作没有相对位移和转角，仓壁混凝土板4个侧边可设为完全固定约束，即沿X、Y、Z方向的位移和转动都得到限制，如图2所示。

1.4 网格划分和施加荷载

本研究将提取到的mtDNA通过微量分光光度计检测，浓度为860.3 ng/μL，A260/A280值为1.96，A260/A230值为2.08，表明无RNA、蛋白质和离子污染。吸取2 μL提取的mtDNA原液，加入18 μL纯水稀释10倍，以10 ng和30 ng λDNA为对照，电泳检测结果显示条带清晰，表明无RNA污染和蛋白质残留现象(图3)。进一步使用EcoRⅠ对mtDNA进行酶切，电泳检测结果显示总基因组带型成弥散状，酶切后的mtDNA带型分布均匀(图4)。说明本研究提取到的大豆mtDNA浓度高、质量好。

图2 仓壁混凝土板边界条件设定

图3 仓壁聚丙烯内壁板边界条件设定

对于聚丙烯塑料板来说，实际工程中由于受到水压作用，其在相邻的4个栓钉节点所围成的矩形的中心位置会产生较大应力，且其与整体仓壁模型中间区域的聚丙烯内壁板的最大应力相当。如果聚丙烯板在整体模型的4个侧边设为完全固定约束，即沿X、Y、Z方向的位移和转动均设为0，这样设置对模型中距离4个侧边最近的聚丙烯栓钉和边缘部分的聚丙烯板的受力情况是有利的，边缘部分的聚丙烯板和栓钉的应力将小于中间区域，这对应力的最大值计算结果没有影响，边界设定情况如图3所示。

本文首先对节点间距为200mm并且水压荷载为0.2MPa情况下采用25mm厚的聚丙烯塑料板的地下粮仓仓壁进行有限元模拟分析。由于仓壁分为聚丙烯板和外侧的混凝土板两部分，将仓壁整体的有限元分析结果和这两部分各自的有限元分析结果以图形的形式输出。图6为混凝土-塑料组合仓壁的有限元分析结果图，图7为仓壁的聚丙烯塑料板的有限元分析结果图。

图4 仓壁聚丙烯塑料板网格划分

图5 仓壁混凝土板网格划分

本文有限元模型针对地下粮仓埋深20m的情况进行模拟，因此可确定模型最大荷载为q=20×10=200kN/m2=0.2MPa，对各模型均施加不同级别的荷载值，分别为0.025、0.05、0.075、0.1、0.125、0.15、0.175、0.2MPa，荷载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 仓壁有限元模拟结果

本模型混凝土板上有圆孔，并且聚丙烯板和栓钉是一体建模，对聚丙烯板和栓钉由两者交界处所在平面进行分割，混凝土板由圆孔底面所在平面进行分割。对部件进行几何分割后即可对其进行网格划分。聚丙烯塑料板和混凝土板各自的网格数分别为43 760和63 048，网格划分效果如图4和图5所示。

图6 地下粮仓仓壁整体应力云图

图7 地下粮仓聚丙烯塑料板应力云图

3 聚丙烯塑料板有限元模拟结果分析

3.1 聚丙烯塑料板应力随厚度变化的规律

建立校、院各级机构、学生组织、教师微信公众平台，依托平台塑造新媒体教育活动品牌。通过建设新媒体平台进行思想引领，运用博客、微博、微电影、微论坛、微平台传播正能量，实现对学生骨干的思想引领和价值塑造，取得了引领思想、凝聚力量、提振学风的显著效果。

本文对局部仓壁进行建模，模型的建立分为仓壁混凝土板的创建和带有聚丙烯栓钉的聚丙烯内壁板的创建。创建混凝土板时，在聚丙烯栓钉的位置创建圆形孔，孔径和聚丙烯栓钉的直径相同，混凝土板的尺寸为2 200mm×1 800mm×250mm，孔距为200mm。聚丙烯塑料板和聚丙烯锚固栓钉采用一体建模，栓钉直径25mm，间距200mm，各模型中聚丙烯塑料板厚度分别10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm和40mm。仓壁组装后的效果如图1所示。

以健康旅游示范基地建设为标杆，推动大健康理念下的旅游与相关行业抱团出击，扭转各自为战的无序竞争，实施“一体化”发展，通过构建有含金量、有附加值的健康旅游联盟体，实现从门票经济向产业经济转变，从重要产业向支柱产业转变。坚持放大格局，实施“一盘棋”谋划，促进区域之间优势互补，避免重复投资，推进产业升级，丰富产品内涵，满足游客特色化、个性化需求，通过穿线成珠、连点成面，实现从景点旅游向全域旅游转变，从一季旅游向四季旅游转变。

从图8中可知，在任意水压荷载作用下聚丙烯塑料板产生的最大应力与板厚均呈幂函数关系，即σ=Kdb，其中σ是聚丙烯塑料板的最大应力，K是拟合幂函数的乘系数，d是聚丙烯塑料板厚度，b是幂函数的次数，并且在节点间距相同的情况下幂函数的次数b相同。

3.2 同一种厚度聚丙烯塑料板应力随水压荷载变化的规律

图9为节点间距为200mm时，不同厚度的聚丙烯塑料板最大应力随着荷载的变化而变化的曲线。

图8 节点间距为200mm时各级荷载作用下聚丙烯内壁板最大应力随厚度的变化曲线

由图9可知，无论聚丙烯塑料板的厚度为多少，其在受到水压作用的时候产生的最大应力均与水压荷载的值呈线性相关。

图9 节点间距为200mm时不同厚度聚丙烯塑料板最大应力随水压荷载的变化曲线

4 结论

采用聚丙烯塑料栓钉与混凝土连接的聚丙烯塑料板在受到水压作用情况下的受力规律如下：①聚丙烯塑料板产生的最大应力与聚丙烯板的厚度呈幂函数关系，并且节点间距相同的情况下幂函数的次数相同；②聚丙烯塑料板产生的最大应力与水压荷载的大小呈线性关系。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50108—2008地下工程防水技术规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［2］中华人民共和国工业和信息化部.JC/T 2280—2014内衬PVC片材混凝土和钢筋混凝土排水管［S］.北京：中国建材工业出版社，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

常晨辉（1989-），男，硕士，研究方向：仓储结构。