止水帶的最大mises應(yīng)力分析

橡膠止水帶利用橡膠的高彈性，通過不同的負(fù)荷產(chǎn)生的彈性變形來密封。由于變形縫是地下防水工程中最脆弱的環(huán)節(jié)，因此變形縫泄漏是地下防水工程中最常見的疾病之一。除定期措施和固定方法不當(dāng)外，定期工藝也非常重要。1989年建成的加拿大迪斯隧道中,丹麥工程師采用了一種可膨脹的止水帶進(jìn)行初步止水,最后利用水力壓接方法實(shí)現(xiàn)接頭的最終密封。劉勝杰等人對伸縮縫止水材料的性能及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究,為止水帶產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論參考。止水帶安裝過程中不能用力拉扯,止水帶和夾板間以及和預(yù)埋鋼板之間應(yīng)填加石棉紙或軟金屬片襯墊以確保嚴(yán)密性。我國建筑科學(xué)研究院和原北京橡膠六廠在20世紀(jì)90年代開發(fā)了橡膠止水帶,并用于北京火車站地下通道變形縫上,獲得成功,開創(chuàng)了我國橡膠止水帶的歷史。目前國內(nèi)使用的止水帶基本上是以進(jìn)口為主,國產(chǎn)止水帶的耐高壓性能不能滿足要求。為此,本工作著重研究了影響止水帶耐高壓能力的關(guān)鍵因素,為下一階段普及國產(chǎn)化止水帶,提高國內(nèi)研制止水帶技術(shù)能力等奠定良好的基礎(chǔ)。1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)止水帶的產(chǎn)品整體圖見圖1。2止水帶表面活性劑止水帶產(chǎn)品的斷面圖見圖2。產(chǎn)品載荷條件見圖3。首先通過工裝對止水帶進(jìn)行緊固,然后充氣使止水帶氣囊膨脹,再在止水帶外圍施加水壓。根據(jù)止水帶的靜態(tài)密封原理,止水帶工作狀態(tài)下的材料性能類似于高粘體系,它具有把壓力傳遞到與其接觸面的特性。止水帶受到一定的壓力后,會(huì)對接觸面產(chǎn)生接觸應(yīng)力,當(dāng)該接觸應(yīng)力大于外部環(huán)境的壓力時(shí),可以認(rèn)為止水帶密封完好。3可膨脹式止水帶膠結(jié)構(gòu)模型膨脹式止水帶在實(shí)際工作中可能經(jīng)受多種工況的影響,通過有限元仿真分析計(jì)算各工況下止水帶的最大Mises應(yīng)力(Mises應(yīng)力:當(dāng)單元體的形狀改變比能達(dá)到一定程度,材料開始屈服時(shí)的應(yīng)力)情況,表1為各工況下可膨脹止水帶橡膠部分的最大Mises應(yīng)力值情況。橡膠材料采用硬度為60度的氯丁橡膠、簾子布采用拉伸強(qiáng)度較高的尼龍布,根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式,運(yùn)用ABAQUS軟件中C3D8H單元模擬橡膠部分,SFMAX1單元模擬簾子布,簾子布截面屬性采用rebar單元屬性,采用軸對稱模型進(jìn)行計(jì)算,表2為各工況下可膨脹止水帶橡膠部分的最大Mises應(yīng)力值情況。由表1可知,當(dāng)膨脹式止水帶的張開量/充氣壓為40mm/1.2MPa,水壓為0.9MPa時(shí),其變形情況大,密封條件不好,仿真分析時(shí)發(fā)散;橡膠部分的最大應(yīng)力是6.887MPa,簾子布的最大應(yīng)力是74.31MPa。選擇張開量/充氣壓為40mm/1.2MPa,0.8MPa的水壓條件,進(jìn)行有限元仿真分析,見圖4~7。圖4為橡膠部分的拉應(yīng)力分布圖,最大拉應(yīng)力值為0.2613MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6.887MPa,說明在該工況下橡膠部分的密封性良好,可以有效地起到密封作用,最大應(yīng)力發(fā)生在止水帶外圈圓弧部分處。圖5為橡膠部分的壓應(yīng)力分布圖,最大壓應(yīng)力值為6.627MPa,小于6.887MPa,說明在該狀況下橡膠部分的密封性良好,最大應(yīng)力發(fā)生在止水帶上表面密封齒處,分析認(rèn)為密封齒在受到工裝以及外圍水壓的壓力下,密封齒作為尖三角結(jié)構(gòu),有效地吸收了這些作用力,保證了止水帶的良好密封性。圖6為橡膠部分的Mises應(yīng)力分布圖,最大Mises應(yīng)力值為3.1MPa,發(fā)生在止水帶與外緊固件相接觸的圓弧部分上側(cè);圖7為止水帶簾子布部分的Mises應(yīng)力分布圖,最大Mises應(yīng)力值為64.4MPa,發(fā)生在最外層簾子布與止水帶上表面密封齒對應(yīng)處。由此可表明,止水帶在該工況下,由于簾子布的存在,橡膠部分主要表現(xiàn)為受壓,拉伸應(yīng)力較小,簾子布的應(yīng)力值相對較大。4材料選擇4.1橡膠材料的選擇考慮到止水帶在使用過程中會(huì)受到光、熱、風(fēng)雨、海水浸泡等方面的要求,因此需要選用具有優(yōu)異的耐老化、臭氧性、疲勞性、耐海水及較好的力學(xué)性能的橡膠材料,另外對其與簾子布粘合性能也有較高的要求,因此本工作選擇氯丁橡膠(CR)作為橡膠材料,膠料性能見表3。實(shí)驗(yàn)配方:CR126,100;ZnO,5;MgO,4;硬脂酸,1;防老劑D,1;防老劑4010NA,1.5;炭黑N550,30;促進(jìn)劑DM,1;促進(jìn)劑NA-22,0.5;防焦劑CTP,0.5;增粘樹脂P90,5;CR,德國拜耳公司;其他配合劑均為市售工業(yè)品。4.2mpa水壓的材料為了滿足實(shí)際使用過程中要承受不超過1.0MPa的水壓,需使用簾子布作為骨架材料增強(qiáng)止水帶的整體強(qiáng)度,因此選用具有較高強(qiáng)度、疲勞性良好的501尼龍布。4.3試驗(yàn)設(shè)備開煉機(jī),XK-160,四川亞西機(jī)器廠;3000kN油壓平板硫化機(jī),上海橡膠機(jī)械一廠;電子拉伸試驗(yàn)機(jī),MI-4010D,江都明珠試驗(yàn)機(jī)械廠;邵氏硬度計(jì),揚(yáng)州橡膠機(jī)械設(shè)備廠;橡膠老化試驗(yàn)箱,401A,江都明珠試驗(yàn)機(jī)械廠;脆化試驗(yàn)機(jī),MZ-4068,東莞高鐵檢測儀器有限公司。5生產(chǎn)工藝止水帶的工藝流程圖見圖8。其中尼龍布膠液處理與半成品制備(尼龍布纏繞)是最關(guān)鍵的2個(gè)工序,現(xiàn)著重對其進(jìn)行研究探討。5.1開姆菲爾德400對剝離強(qiáng)度的影響501尼龍布表面活性較低,與橡膠間無化學(xué)鍵結(jié)合,因此它們之間的粘合強(qiáng)度很差。為了提高兩者的粘合強(qiáng)度,需要對尼龍布進(jìn)行處理。經(jīng)處理后的尼龍布和橡膠間會(huì)形成化學(xué)鍵,形成化學(xué)鍵后的粘合強(qiáng)度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于僅僅是橡膠穿過織物時(shí)的粘合強(qiáng)度值。本工作對尼龍布進(jìn)行處理的粘合劑采用的是膠粘劑開姆洛克420與CR的復(fù)合體系。420與CR有極好的相容性,可以提高CR的表面活性,能較大程度的改善CR的粘結(jié)特性,還可以提高其耐候性、耐油性、耐化學(xué)品性等。按開姆洛克420在膠液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%,20%,40%,60%,80%,100%分別制備了不同的膠液,對剝離強(qiáng)度的影響見圖9。由圖8可知,開姆洛克420對剝離強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)效果明顯,剝離強(qiáng)度隨其比例的增加先增大后減小,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí),達(dá)到最大值10.9kN/m,是未加開姆洛克420的3.4倍(3.2kN/m),這可能是因?yàn)殡S著比例的增加,橡膠與簾子布的有效粘結(jié)面增大,提高了剝離強(qiáng)度;當(dāng)比例大于40%后,剝離強(qiáng)度開始減小。這可能是因?yàn)殡S著比例達(dá)到一定值后,膠液在硫化過程中橡膠/尼龍布界面發(fā)生脆化現(xiàn)象,兩者開始脫離,粘結(jié)效果開始變差。因此選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的處理方案。5.2不同間距中膨脹式止水帶的壓壓情況為了使尼龍布與橡膠更好地粘接,同時(shí)保證產(chǎn)品的尺寸,本工作采用的纏繞方式為圓弧式纏繞。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),纏繞間距對耐水壓性能有很大的影響,為此試驗(yàn)了以下3種簾子布間距對耐水壓的影響,見表4。由表4可知,間距14~19mm時(shí),張開量/充氣壓為35mm/1.3MPa的最大耐壓為0.8MPa;間距20~25mm時(shí),張開量/充氣壓為40mm/1.2MPa的最大耐壓為0.7MPa;間距26~31mm時(shí),張開量/充氣壓為30mm/1.3MPa的最大耐壓為0.9MPa。對比3個(gè)間距值,當(dāng)間距為20~25mm時(shí),膨脹式止水帶的耐壓最好,為40mm/1.2MPa/0.7MPa。其原因可能是當(dāng)間距較小時(shí),尼龍布整體厚度增加,橡膠層厚度下降,導(dǎo)致抗水滲透性變差、抗壓能力下降,容易引起滲水、漏水等現(xiàn)象;當(dāng)間距較大時(shí),尼龍布整體強(qiáng)度下降,在抵抗外圍高壓環(huán)境下,容易出現(xiàn)鼓包、大面積滲水、漏水現(xiàn)象。因此,采取間距為20~25mm的纏繞工藝,耐高壓性能可以得到較大程度的滿足。6耐水壓效果分析1)止水帶在充氣狀況下,外圍受到水壓作用時(shí),由于簾子布的存在,橡膠部分主要表現(xiàn)為受壓,拉伸應(yīng)力較小,簾子布的應(yīng)力值相對較大。3)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),纏繞間距為20~25mm時(shí),耐水壓效果最好。4)經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),選用CR為主體材料,骨架材料為尼龍布制成的膨脹式止水帶通過提高橡膠與尼龍布界面的粘合強(qiáng)度