地下仓内衬防水塑料螺纹连接节点轴心抗拉试验研究

张 昊，康少朋，常晨辉，王振清

（1.河南工业大学土木建筑学院，郑州 450001；2.中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，郑州 450001）

粮食储备是经济社会发展的稳压器，中国粮食收储政策正处在阵痛期和改革窗口期，结合国际演化经验和中国实际，未来收储政策调整可考虑优化战略储备、收缩干预性收储、发展政府和民间合作储备[1]。地下粮仓具有节能、节地、无污染、低损耗的优势，其综合效益的评价将直接影响着业主仓型的选择与地下粮仓的推广，然而影响地下粮仓评价因素是多级别、多指标的[2]。随着地下仓的推广和仓体建造深度的增加，地下水对粮食安全的影响越来越大，如何防水防潮，保障储粮安全成为制约地下仓发展的一个重要因素[3]。王振清[4]等提出一种新型装配式钢板-混凝土组合地下粮仓，用内衬钢板的方式进行地下防水。为了解决钢板锈蚀对储粮的影响，张昊[5]等提出将PVC水晶板内衬于仓壁，并对接缝黏结性能、闭水性能和工程承压能力进行了试验研究，试验表明PVC水晶板的胶粘接缝剪切和剥离强度均符合规范要求，闭水性能良好；丁明[6]提出用硅酮结构胶将聚丙烯塑料板和混凝土进行黏结防水，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。为了将聚丙烯塑料板与混凝土更有效结合，达到地下仓仓壁长期防水防潮的效果。本文通过对聚丙烯塑料板与混凝土仓壁之间连接栓钉的螺纹强度进行试验研究，为聚丙烯塑料防水板在地下粮仓的推广应用提供参考。

1 试验设计

1.1 连接件设计

聚丙烯塑料板作为地下仓防水构件，通过聚丙烯栓钉将防水板与混凝土仓壁进行有效连接，共同发挥其材料性能。结构组合形式如图1所示。

图1 聚丙烯塑料—混凝土组合形式

聚丙烯防水板与混凝土通过栓钉连接组合成一个整体，根据《普通螺纹直径与螺距系列》[5]（GB/T 193-2003）对聚丙烯塑料栓钉的一端进行车丝，同时对防水板做相应的攻丝处理。塑料板作为防水构造，为保证其防水效果，工程应用中塑料板的攻丝不宜做透层处理。本试验为了保证攻丝长度的准确性及实验的便捷性，采用攻丝透层处理，具体做法如图2所示。

图2 螺纹连接试验节点

1.2 试件尺寸及材料特性

塑料栓钉在塑料板上均匀布置，在受到外加荷载的作用下，栓钉承担轴心拉力，根据栓钉间距和防水板厚度的不同，共制作了4组节点对比试件（其中板厚均为对应的螺纹长度，节点编号分别为：JD20-10-80、JD25-10-80、JD20-20-100、JD25-20-100。以JD20-10-80为例，JD表示节点，其中20表示塑料栓钉的直径，10表示螺纹长度，80表示正方形塑料板的边长。），每组3个构件，塑料栓钉和塑料板对应的尺寸如图3所示。

图3 塑料栓钉和塑料板对应尺寸(单位：mm)

试验采用郑州某厂家生产的聚丙烯材料，通过不同规格的塑料板和塑料板经二次加工成型得到对应的试验构件。抗拉强度平均值Rm=26.1 Mpa；弹性模量E=1.37 Gpa。本文中栓钉的长度均为500 mm。

1.3 加载方案

为了模拟实际使用过程中塑料板与栓钉之间的受力情况，本试验使用最大负荷600 kN，力值分辨率1/20 000的电液伺服万能试验机对试件施加轴心拉伸荷载，试件加载如图4所示。

图4 试验加载图

将反力架固定于试验机上；将试件底端卡入反力架上端钢板的卡槽，并用垫块放置于塑料板周围，保证受力的均匀性，试件上部塑料栓钉由试验机夹具夹持。

通过控制试验机加载速度（50 N/s）的方式对试件施加荷载；并由计算机记录试件破坏时的最大荷载，记录数据见表1。

表1 试件破坏荷载值

2 试验结果分析

2.1 破坏形态

在螺纹长度控制在10 mm时，试件JD20-10和JD25-10均发生栓钉滑脱破坏，且除螺纹外其他部分均完好无损。由于螺纹的毁损造成试件的破坏，塑料栓钉本身并没有达到其抗拉强度，节点的破坏受螺纹长度的影响。

在增加螺纹长度后（螺纹长度为20 mm），试件JD20-20和JD25-20在达到破坏荷载后均是在栓钉和塑料板的垂直面（栓钉的螺纹末端与塑料板的上表面）发生断裂，栓钉螺纹部分留在塑料板孔洞中，螺纹无相对滑移。两种破坏形式如图5所示。

图5 螺纹破坏形式

2.2 对比分析

JD20-10与JD-25-10在螺纹长度为10 mm塑料板规格相同的情况下通过控制塑料栓钉的直径进行对比分析，平均破坏荷载分别为4.02 kN和4.14 kN，D25仅比D10强度约提升3%，二者几乎相同。

JD20-20与JD25-20在螺纹长度为20 mm塑料板规格相同的情况下同样通过控制塑料栓钉的直径进行对比分析，平均破坏荷载分别为9.88 kN和11.33 kN，D25比D10强度约提升15%，抗拉强度有明显提升。

JD20-20与JD20-10通过控制螺纹连接的长度进行分析，当螺纹的连接长度为20 mm时较连接长度为10 mm时提升1.46倍。

JD25-20与JD25-10同样通过控制螺纹连接长度进行对比，当螺纹的连接长度为20 mm时较连接长度为10 mm时提升1.74倍。

3 结束语

基于地下仓内衬塑料作为仓体防水的构造措施，着重研究了塑料板与混凝土连接节点的轴心抗拉性能。通过对比连接节点栓钉的直径和螺纹连接长度的轴拉试验验证螺纹连接节点在工程中良好的实用性。试验结果表明，当螺纹长度为10 mm不足以提供足够拉力时，想要通过增加螺纹直径来提升抗拉性能是达不到预想的效果的；当螺纹长度为20 mm时，螺纹连接强度大于直径为20 mm和25 mm的栓钉自身的（螺纹有效截面）抗拉性能，通过增加螺纹直径可有效提升节点的轴心抗拉能力。此外，当塑料板承受的拉力一定时，塑料栓钉在塑料板上的布置方式（密集度）决定了节点所承受的轴心拉力值。本文为实际工程应用中通过改变板厚（螺纹长度）、栓钉直径（螺纹直径）和栓钉的布置方式为地下仓内衬塑料防水提供参考。