ABAQUS软件模拟聚丙烯塑料焊缝抵抗地下水压荷载的影响因素分析

丁明，王振清，席达，张瑞元

（河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001）

0 研究背景

地下粮仓常年处于温度较低且较为潮湿的环境中，在有些地下水位较高的地带，甚至会出现粮仓仓体部分浸泡在水中的情况。一些传统的防水防潮措施，例如钢板防水、防水卷材和防水涂料等，在地下复杂的水文地质情况下的表现都不太理想[1]。本文提出在地下粮仓中采用内衬聚丙烯塑料层的方法可以很好地解决地下粮仓的防水、防潮问题。聚丙烯材料在低温避光条件下化学性能稳定，具有很好的抗弯和抗拉性能。同时，聚丙烯无毒无害，可以直接和粮食接触[2]。

模拟地下粮仓的实际情况，对坡口焊缝、焊接盖板的坡口焊缝、胶粘剂粘贴并焊接盖板的坡口焊缝3种焊缝形式的聚丙烯塑料试件进行水压试验，通过监测和观察焊缝区域的应变情况，得到焊缝可以抵抗水压力的强度，从而得到焊接强度和板厚、焊缝形式等因素的关系，进一步计算分析塑料板的变形受力情况，以提供一定的实际工程设计理论参考。模拟塑料焊缝模型见图1。

图1 模拟塑料焊缝模型

1 坡口焊缝抗水压性能研究

1.1 不同厚度聚丙烯塑料板焊接试件抗水压性能分析

对不同板厚的聚丙烯塑料焊接试件（焊缝宽度均为20mm）进行模拟验证，板厚分别为 5、8、10、12、15、18、20 mm。坡口焊接是将2块塑料板对接坡口焊满焊条，不同板厚坡口焊缝的抗水压强度如表1所示。

表1 不同板厚坡口焊缝的抗水压强度

将表1中的数据绘制成散点图，如图2所示。图2中点的分布比较规律，利用线性回归法可得到式（1）：

式中：t——聚丙烯塑料板的厚度，mm；

P——抗水压强度，MPa。

图2 不同板厚坡口焊缝抗水压强度的线性回归分析

1.2 不同焊缝宽度聚丙烯塑料板焊接试件抗水压性能分析

对不同焊缝宽度的聚丙烯塑料焊接试件（板厚均为10mm）进行模拟验证，焊缝宽度分别为 5、10、15、20、25、30 mm。不同焊缝宽度坡口焊缝的抗水压强度如表2所示。

表2 不同焊缝宽度坡口焊缝试件的抗水压强度

将表2中的数据绘制成散点图，如图3所示。图3中点的分布近似直线，利用线性回归法可得到式（2）：

式中：w——坡口焊形式中塑料焊缝的宽度，mm。

图3 不同焊缝宽度坡口焊缝抗水压强度线性回归结果

由式（1）、式（2）可以看出，式（1）自变量前的系数大于式（2）自变量前的系数，表明影响坡口焊缝抗水压性能的主要因素是塑料板厚度，其次是坡口焊缝宽度。

2 焊接盖板的坡口焊缝抗水压性能研究

焊接盖板的坡口焊缝主要是由下部底板、上部盖板和坡口焊缝组成，所以底板、盖板的厚度和坡口焊缝宽度是这种焊缝抗水压性能的主要因素。在数值模拟中将底板厚度分别设置为 5、10、15、20 mm，盖板厚度分别设置为 5、10、15、20 mm，焊缝宽度分别设置为5、10、15、20 mm。模拟数据见表3。

影响焊接盖板的坡口焊抗水压强度的因素有底板厚度、盖板厚度和坡口焊缝宽度，故以底板厚度、盖板厚度和坡口焊缝宽度为自变量，塑料焊缝抗水压强度为变量进行多重回归分析，回归的各项参数如表4所示，可以得到板厚度、盖板厚度和坡口焊缝宽度与焊缝抗水压强度的相似性关系见式（3）：

式中：t1——底板厚度，mm；

t2——盖板厚度，mm；

w——坡口焊缝宽度，mm。

由表4可以看出，底板厚度的T检验值远大于盖板厚度的T检验值，盖板厚度的T检验值大于坡口焊缝宽度的T检验值，由此可以看出，底板厚度是影响焊接盖板的坡口焊缝抗水压强度的主要因素，其次是盖板厚度，最后是坡口焊缝宽度。

表3 焊接盖板的坡口焊缝抗水压强度

表4 回归参数分析

3 粘贴并焊接盖板的坡口焊缝抗水压性能研究

焊接盖板并粘贴加固的坡口焊缝主要是由下部底板、上部盖板和坡口焊缝组成，所以底板、盖板的厚度和坡口焊缝的宽度是这种焊缝的抗水压性能主要因素。在数值模拟中将底板厚度分别设置为5、10、15、20 mm，盖板厚度分别设置为5、10、15、20 mm，焊缝宽度分别设置为 5、10、15、20 mm。模拟数据见表5。

影响粘贴并焊接盖板的坡口焊缝抗水压强度的因素有底板厚度、盖板厚度和坡口焊缝宽度，故以底板厚度、盖板厚度和坡口焊缝宽度为自变量，塑料焊缝抗水压强度为变量进行多重回归分析，回归的各项参数如表6所示，可以得到底板厚度t1、盖板厚度t2和坡口焊缝宽度w与焊缝抗水压强度P的相似性关系见式（4）：

由表6可以看出，底板厚度的T检验值远大于盖板厚度的T检验值，盖板厚度的T检验值大于坡口焊缝宽度的T检验值，由此可以看出，底板厚度是影响焊接并粘贴盖板的坡口焊缝抗水压强度的主要因素，其次是盖板厚度，最后是坡口焊缝宽度。

对比式（3）、式（4）发现，2组公式3个自变量前的系数基本相同，截距也基本相同，表明2种焊缝抗水压性能基本相似。

4 结论

通过理论分析及线性回归可知，塑料板厚度和聚丙烯焊缝试件的抗水压性能呈正相关关系。随塑料板厚度的增大，焊缝试件的抗水压性能也在不断提高，但提高的幅度越来越小。焊缝宽度对焊缝试件的抗水压强度有明显影响，在相同板厚的情况下，焊缝越宽，试件的抗水压性能越好。坡口焊缝抗水压性能主要取决于坡口焊缝的宽度，焊接盖板的坡口焊缝、胶粘剂粘贴并焊接盖板的坡口焊缝2种焊缝的抗水压性能由聚丙烯塑料底板厚度、聚丙烯塑料盖板厚度和坡口焊缝的宽度共同决定。其中，塑料底板的厚度是影响焊接盖板的坡口焊缝、胶粘剂粘贴并焊接盖板的坡口焊缝2种焊缝抗水压性能的主要因素，其次是塑料盖板的厚度，最后是坡口焊缝的宽度。

表5 粘贴并焊接盖板的坡口焊缝抗水压强度

表6 回归参数分析