ABAQUS軟件模擬聚丙烯塑料焊縫抵抗地下水壓荷載的影響因素分析

丁明，王振清，席達(dá)，張瑞元

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

0 研究背景

地下糧倉常年處于溫度較低且較為潮濕的環(huán)境中，在有些地下水位較高的地帶，甚至?xí)霈F(xiàn)糧倉倉體部分浸泡在水中的情況。一些傳統(tǒng)的防水防潮措施，例如鋼板防水、防水卷材和防水涂料等，在地下復(fù)雜的水文地質(zhì)情況下的表現(xiàn)都不太理想[1]。本文提出在地下糧倉中采用內(nèi)襯聚丙烯塑料層的方法可以很好地解決地下糧倉的防水、防潮問題。聚丙烯材料在低溫避光條件下化學(xué)性能穩(wěn)定，具有很好的抗彎和抗拉性能。同時，聚丙烯無毒無害，可以直接和糧食接觸[2]。

模擬地下糧倉的實(shí)際情況，對坡口焊縫、焊接蓋板的坡口焊縫、膠粘劑粘貼并焊接蓋板的坡口焊縫3種焊縫形式的聚丙烯塑料試件進(jìn)行水壓試驗(yàn)，通過監(jiān)測和觀察焊縫區(qū)域的應(yīng)變情況，得到焊縫可以抵抗水壓力的強(qiáng)度，從而得到焊接強(qiáng)度和板厚、焊縫形式等因素的關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算分析塑料板的變形受力情況，以提供一定的實(shí)際工程設(shè)計(jì)理論參考。模擬塑料焊縫模型見圖1。

圖1 模擬塑料焊縫模型

1 坡口焊縫抗水壓性能研究

1.1 不同厚度聚丙烯塑料板焊接試件抗水壓性能分析

對不同板厚的聚丙烯塑料焊接試件（焊縫寬度均為20mm）進(jìn)行模擬驗(yàn)證，板厚分別為 5、8、10、12、15、18、20 mm。坡口焊接是將2塊塑料板對接坡口焊滿焊條，不同板厚坡口焊縫的抗水壓強(qiáng)度如表1所示。

表1 不同板厚坡口焊縫的抗水壓強(qiáng)度

將表1中的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖，如圖2所示。圖2中點(diǎn)的分布比較規(guī)律，利用線性回歸法可得到式（1）：

式中：t——聚丙烯塑料板的厚度，mm；

P——抗水壓強(qiáng)度，MPa。

圖2 不同板厚坡口焊縫抗水壓強(qiáng)度的線性回歸分析

1.2 不同焊縫寬度聚丙烯塑料板焊接試件抗水壓性能分析

對不同焊縫寬度的聚丙烯塑料焊接試件（板厚均為10mm）進(jìn)行模擬驗(yàn)證，焊縫寬度分別為 5、10、15、20、25、30 mm。不同焊縫寬度坡口焊縫的抗水壓強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同焊縫寬度坡口焊縫試件的抗水壓強(qiáng)度

將表2中的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖，如圖3所示。圖3中點(diǎn)的分布近似直線，利用線性回歸法可得到式（2）：

式中：w——坡口焊形式中塑料焊縫的寬度，mm。

圖3 不同焊縫寬度坡口焊縫抗水壓強(qiáng)度線性回歸結(jié)果

由式（1）、式（2）可以看出，式（1）自變量前的系數(shù)大于式（2）自變量前的系數(shù)，表明影響坡口焊縫抗水壓性能的主要因素是塑料板厚度，其次是坡口焊縫寬度。

2 焊接蓋板的坡口焊縫抗水壓性能研究

焊接蓋板的坡口焊縫主要是由下部底板、上部蓋板和坡口焊縫組成，所以底板、蓋板的厚度和坡口焊縫寬度是這種焊縫抗水壓性能的主要因素。在數(shù)值模擬中將底板厚度分別設(shè)置為 5、10、15、20 mm，蓋板厚度分別設(shè)置為 5、10、15、20 mm，焊縫寬度分別設(shè)置為5、10、15、20 mm。模擬數(shù)據(jù)見表3。

影響焊接蓋板的坡口焊抗水壓強(qiáng)度的因素有底板厚度、蓋板厚度和坡口焊縫寬度，故以底板厚度、蓋板厚度和坡口焊縫寬度為自變量，塑料焊縫抗水壓強(qiáng)度為變量進(jìn)行多重回歸分析，回歸的各項(xiàng)參數(shù)如表4所示，可以得到板厚度、蓋板厚度和坡口焊縫寬度與焊縫抗水壓強(qiáng)度的相似性關(guān)系見式（3）：

式中：t1——底板厚度，mm；

t2——蓋板厚度，mm；

w——坡口焊縫寬度，mm。

由表4可以看出，底板厚度的T檢驗(yàn)值遠(yuǎn)大于蓋板厚度的T檢驗(yàn)值，蓋板厚度的T檢驗(yàn)值大于坡口焊縫寬度的T檢驗(yàn)值，由此可以看出，底板厚度是影響焊接蓋板的坡口焊縫抗水壓強(qiáng)度的主要因素，其次是蓋板厚度，最后是坡口焊縫寬度。

表3 焊接蓋板的坡口焊縫抗水壓強(qiáng)度

表4 回歸參數(shù)分析

3 粘貼并焊接蓋板的坡口焊縫抗水壓性能研究

焊接蓋板并粘貼加固的坡口焊縫主要是由下部底板、上部蓋板和坡口焊縫組成，所以底板、蓋板的厚度和坡口焊縫的寬度是這種焊縫的抗水壓性能主要因素。在數(shù)值模擬中將底板厚度分別設(shè)置為5、10、15、20 mm，蓋板厚度分別設(shè)置為5、10、15、20 mm，焊縫寬度分別設(shè)置為 5、10、15、20 mm。模擬數(shù)據(jù)見表5。

影響粘貼并焊接蓋板的坡口焊縫抗水壓強(qiáng)度的因素有底板厚度、蓋板厚度和坡口焊縫寬度，故以底板厚度、蓋板厚度和坡口焊縫寬度為自變量，塑料焊縫抗水壓強(qiáng)度為變量進(jìn)行多重回歸分析，回歸的各項(xiàng)參數(shù)如表6所示，可以得到底板厚度t1、蓋板厚度t2和坡口焊縫寬度w與焊縫抗水壓強(qiáng)度P的相似性關(guān)系見式（4）：

由表6可以看出，底板厚度的T檢驗(yàn)值遠(yuǎn)大于蓋板厚度的T檢驗(yàn)值，蓋板厚度的T檢驗(yàn)值大于坡口焊縫寬度的T檢驗(yàn)值，由此可以看出，底板厚度是影響焊接并粘貼蓋板的坡口焊縫抗水壓強(qiáng)度的主要因素，其次是蓋板厚度，最后是坡口焊縫寬度。

對比式（3）、式（4）發(fā)現(xiàn)，2組公式3個自變量前的系數(shù)基本相同，截距也基本相同，表明2種焊縫抗水壓性能基本相似。

4 結(jié)論

通過理論分析及線性回歸可知，塑料板厚度和聚丙烯焊縫試件的抗水壓性能呈正相關(guān)關(guān)系。隨塑料板厚度的增大，焊縫試件的抗水壓性能也在不斷提高，但提高的幅度越來越小。焊縫寬度對焊縫試件的抗水壓強(qiáng)度有明顯影響，在相同板厚的情況下，焊縫越寬，試件的抗水壓性能越好。坡口焊縫抗水壓性能主要取決于坡口焊縫的寬度，焊接蓋板的坡口焊縫、膠粘劑粘貼并焊接蓋板的坡口焊縫2種焊縫的抗水壓性能由聚丙烯塑料底板厚度、聚丙烯塑料蓋板厚度和坡口焊縫的寬度共同決定。其中，塑料底板的厚度是影響焊接蓋板的坡口焊縫、膠粘劑粘貼并焊接蓋板的坡口焊縫2種焊縫抗水壓性能的主要因素，其次是塑料蓋板的厚度，最后是坡口焊縫的寬度。

表5 粘貼并焊接蓋板的坡口焊縫抗水壓強(qiáng)度

表6 回歸參數(shù)分析