玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度分析.pdf

　３６　　　　　　玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度分析　　２０１３年９月　　玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度分析　　杨建明，陈建中　（１．塔城地区白杨河引水工程建设管理局，新疆８３４７００；２．武汉理工大学，武汉　４３００７０）　　摘要：通过对玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度、管刚度、刚度等级概念进行分析，明确了环刚度的内涵是管道在外载作　用下抵抗变形的一种能力，管刚度与环刚度并不是同一个概念，而刚度等级是管材初始特定环刚度的级别。由环刚度的相关　概念分析了环刚度设计与测试的基本方法，管据设计规范的要求对实际工程中所需要的刚度等级从变形和稳定性两个方面　进行了分析，得到了确定刚度等级的基本原则和方法及其与埋设条件之间的关系。对正确理解玻璃纤维增强塑料夹砂管的环　刚度以及环刚度的设计、测试及选择都具有一定的参考意义。　　　　关键词：玻璃纤维增强塑料夹砂管；环刚度；管刚度；刚度等级；综合变形模量　中图分类号：ＴＢ３３２　　———　文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１３）０６００３６０４　　１环刚度相关概念　　１．１环刚度　　　环刚度（Ｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）是衡量管环在外载荷作　　　　　用下抗径向变形能力的一个重要性能参数，环刚度的基本定义式为¨　Ｊ：　　ｓ＝Ｅ１　（１）　　　　其中，ｓ为环刚度，Ｎ／ｍ；Ｅ为管道表观环向弯　　　　曲弹性模量，Ｎ／ｍ；，为轴向单位长度管壁的环弯曲　　　　惯性矩，ｍ４／ｍ，，：ｔ３／１２；ｔ为管壁总厚度，ｍ；Ｄ为管　　道计算直径，ｎｑ。　　　　　图１径向受压管环模型　　　　　　式（１）是从材料和结构上来定义环刚度的，综　合考虑了管道直径、管壁厚度以及管壁材料组成等　因素，但该定义式无法直观得到环刚度与外载荷、径　向变形之间的具体关系。为此，考虑一段径向受压　　　　的管环，力学模型如图１所示，在小变形下通过理论　　　分析可以得到以下公式：　　Ａｙ＝０．０１８６Ｆ　（２）　　　其中，Ａｙ为管径变化量，ｍ；Ｆ为与管径变化量　　　相对应的线载荷，Ｎ／ｍ。　　　　　式（２）就是环刚度与外载荷、径向变形之间的　　　具体关系式。由该式可见，管道的环刚度越大，在同　　　　等外荷载条件下管道的径向变形就越小，这就是环　　　　刚度的真正内涵。管道的环刚度决定了管道在外荷　　载作用下抗变形的能力。　　１．２管刚度　　　　　　　行业内有时也用到管刚度（Ｐｉｐｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）的概　　　　　　念，并且有时还将管刚度与环刚度等同来使用。但　　实际上管刚度与环刚度是不同的，管刚度的定义为：　　　　　　线载荷除以相应的管径变化量所得的值，即有：　　ＰＳ＝Ｆ　（３）　　　　　　其中，为管刚度，Ｎ／ｍ。　管刚度是从试验的角度定义的，是管道产生单　　　　位径向变形时所需要的外载荷大小，也反应了管环　　　　抗径向变形的能力。由式（２）和式（３）可见，管刚度　　　　和环刚度之间相差一个系数，具有以下关系：　　Ｓ＝０．０１８６ＰＳ　（４）　因此，虽然管刚度和环刚度都可以用来衡量管　道在外载荷作用下抗变形的能力，但是两者在数值　　　　　上是完全不一样的，不能等同使用。在美国相关标　　　　　准中一般采用管刚度概念］，而在ＩＳＯ相关标准中　　　收稿日期：２０１３－０４－０９　　作者简介：杨建明（１９６４．），男，高级工程师，主要从事水利水电工程规划设计及建设管理。　蜩　　２０１３年第６期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　３７一　　　’　般采用的是环刚度的概念。Ｊ，要注意加以区分。　　１．３刚度等级　　刚度等级（Ｎｏｍｉｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）是管材初始特定环　　　　　刚度的级别，一般分为四个等级：１２５０、２５００、５０００、　　　　１００００，单位与环刚度、管刚度一样都是Ｎ／ｍ。刚度　　　等级是确定管道规格的一个基本参数，代表的是一　　种特定类别管道。对于某一特定刚度等级的玻璃纤　　　维增强塑料夹砂管而言，其环刚度值应不小于其刚　　　度等级值，即有：　　ＳＮ．ｓ　（５）　　　　其中，ＳＮ为刚度等级值，Ｎ／ｍ。　　　根据式（５）可以判定某一种刚度等级的玻璃纤　　维增强塑料夹砂管的环刚度是否合格；对于某一玻　　　璃纤维增强塑料夹砂管而言，只要得到了环刚度，也　　可以根据式（５）确定其刚度等级。　　２环刚度的设计与测试　　　　　由定义式（１），可以根据复合材料力学从理论　上分析计算得到某一铺层结构的玻璃纤维增强塑料　　夹砂管的环刚度。首先根据各单层基本力学性能参　　　　　数获得管壁层合结构的表观环向弯曲弹性模量，然　　后根据壁厚、直径由定义式（１）直接计算便可得到　　管道的环刚度。　　　　由式（１）可以发现，环刚度与壁厚的三次方成　　　　正比，因此增加管壁厚度是提高管道环刚度的一个　有效方法。同时环刚度也与管壁的表观环向弯曲弹　　　性模量成正比，调整管壁的结构铺层将改变表观环　　　向弯曲弹性模量，因此也可以通过改变铺层来提高　　　　　　环刚度。由于具体铺层形式的不同，可能出现相同　　　的管壁厚度而环刚度不同，甚至出现管壁较薄但其　　　　环刚度却高于管壁较厚的管道的情况，因此不能简　单地认为管壁越厚环刚度就越高。对玻璃纤维增强　　　　　塑料夹砂管而言，最小厚度的意义不是很大，重要的　　　是要满足环刚度的要求。此外即使仅改变铺层顺序　　　也会造成管道的环刚度不同，可以通过优化铺层顺　　序来实现同等材料下环刚度的最大化。　为了检测实际生产的玻璃纤维增强塑料夹砂管　　　　　　的环刚度，可以根据式（２）采用平行板外载试验的　方法来进行测试。考虑到径向变形后管道形状改变　　　　　的影响，对式（２）进行修正后，得到以下公式：　，　　　　　＾、Ｆ　　　　．ｓ＝ｆ０．０１８６＋０．０２５ｚａｙｌ　（６）　　　　　　　　实际测试一般是在３％的径向变形率下进行　　　的，由式（６）可得此时环刚度的计算式为：　　５＝０．。ｌ９３５Ｆ　（７）　　具体检测时，在实际玻璃纤维增强塑料夹砂管　　　　上截取一定宽度的管环，具体宽度与管道直径有关，　　　　　对于直径不大于１５００ｍｍ的，取３００ｍｍ或直径的３　　　　倍中的较小值；对于直径大于１５００ｍｍ的，取直径的　　２０％。对每个管环试样按图２所示的加载形式施加　　载荷使其径向变形率达到３％，记录此时所施加的　　　　　　　　载荷，然后根据式（７）计算得到该管环的环刚度。　　　ｉ贝０试三个管环取平均值作为该管道的环刚度。　　　图２环刚度测试　　３刚度等级的选择　　针对某一具体工程，如何选择合适的刚度等级　　　是玻璃纤维增强塑料夹砂管结构设计中需要解决的　　　主要问题之一。埋地用玻璃纤维增强塑料夹砂管的　　　结构校核主要根据ＣＥＣＳ１９０进行］，主要在变形验　算和稳定性验算中涉及到刚度等级。　　　　３．１变形　管道的变形需要满足式（８）的要求：　：　￣１０－３＜ＷａＷｄ，ｍ￣　　００６ｌＥｄ　　㈩一８×　　Ⅳ　　　１Ｏ一５＋．　。，　　　其中，Ｗ为管道在准永久组合作用下的最大　　　　长期竖向变形，ｍｍ；Ｗ为管道最大长期竖向挠曲限　　　值，ｍｍ；Ｄ为变形滞后效应系数，可取１．０～１．５；Ｋａ　　　　　　　为竖向压力作用下管的竖向变形系数；为管顶　　　　　单位面积竖向土压力标准值，ｋＮ／ｍ；ｑ为地面作用　　　　传递至管顶的压力标准值，ｋＮ／ｍ；为地面作用传　　　递至管顶压力的准永久值系数；为管侧土体综合　　变形模量，ＭＰａ。　　　　式（８）为基于Ｓｐａｎｇｌｅｒ理论分析得到的埋地柔　性管道变形计算的基本公式。当外部作用一定时，　３８　玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度分析　　２０１３年９月　　管道的竖向挠曲变形主要取决于刚度等级和管侧土　体综合变形模量，当管侧土体综合变形模量取不同　值时，管道竖向变形的变化随刚度等级变化的曲线　　　　如图３所示，图中以刚度等级为２５００Ｎ／ｍ、管侧土　　　　体综合变形模量为１ＭＰａ的变形量Ｗ。作为参考　变形。　１＿０　０．９　Ｏ．８　　０７　Ｏ６　０．５　Ｏ．４　　Ｏ３　０．２　０ｌ　２０００　４０００　６００Ｏ　８０００　ｌ００００　１２００Ｏ　１４ＯＯＯ　　・ｍ。　　　　　图３竖向变形与环刚度的关系　由图３可见，当管侧土体综合变形模量一定时，　　　　随着刚度等级的增加，变形量减小。当反力模量较　小时，曲线下降明显，刚度等级的变化对变形的影响　　较大；随着反力模量的增加，曲线下降趋势越来越不　　　　明显，当反力模量增加到９ＭＰａ时，曲线几乎成为一　　　条水平线，说明此时刚度等级的变化对变形的影响　很小。　　取常见的几种刚度等级和回填土的反力模量进　　　　　　行分析，刚度等级在对变形的影响中所占的比例如　　　表１所示。　　　　　表１刚度等级的影响　　　刚度等级／Ｎ・ｍ）　　　　　　　　　　５０００５０ｏ０７５００７５００１００１３０１０１３００　　　管侧土体综合变形模量／ＭＰａ３　５　３　５　３　５　　　　　　　　刚度等级所占比例／％１７．舛１１．５９２４．６９１６．４４３０．４２２ｏ．７８　　　　以上６种情况中，刚度等级最大所占比例也仅　　　为３０．４２％，则管侧土体综合变形模量所占比例最　　　　　小为６９．５８％，而管侧土体综合变形模量是由施工“”　埋设所决定的，因此有三分管材七分埋之说，充　分说明了施工对柔性管道的重要性。　　３．２稳定性　管道的稳定性需要满足以下要求：　　　—　　８Ｘ１０ＳＮ（１７，２１）　Ｅｄ—　　＋　　　　而ｆ９、　【×　　　１＋）　　　　媾麓　　其中，Ｆ为管壁截面环向失稳临界压力，ＭＰａ；　　为管道内的真空压力标准值，ＭＰａ；Ｋｓ为管壁截面　　　　环向稳定性抗力系数；ｎ为管壁失稳时的折皱波数，　其取值应使　　．　　≥　　为最小，并为２．０的整数；Ｐｐ管材　　　　泊桑比；回填土的｝白桑比。　　　　　当外部作用一定时，管道的环向失稳临界压力　　　主要取决于刚度等级和管侧土体综合变形模量，当　　　　管侧土体综合变形模量取不同值时，管道环向失稳　　　　　　　　　　　　　　临界压力的变化随刚度等级变化的曲线如图４　　　所示。　２０００　４０００　６０ｏＯ　８００ｏ　１ｏ０００　１２０【ｘ】　１４ｏｏ０　ＳｉＮ・ｍ　　图４环向失稳临界压力与环刚度的关系　　　　由图４可见，对于稳定性而言，当管侧土体综合　　　　变形模量一定时，除了在３ＭＰａ和５ＭＰａ时中间出现　　　了转折，管壁截面环向失稳临界压力随着刚度等级　　　　　的增加基本上呈线性增加。对于常用的刚度等级　　　　　５０００Ｎ／ｍ及一般的埋设状况管侧土体综合变形模　　量取３ＭＰａ，其管壁截面环向失稳临界压力也可达到　　　　　０．４９ＭＰａ，考虑通常设计要求的地面载荷为１０ｋＮ／　　　　　ｍ、真空负压为０．０５ＭＰａ以及２．５倍的稳定性安全　　　　　系数，最大覆土深度可达７ｍ以上。此外通过进一　　　步的分析表明，对于一般规范０．０５ＭＰａ的设计真空　　　　负压而言，当变形量按３％控制能满足要求时，稳定　　　　性一般也能满足要求。因此相比较而言，３％的变形　　　要求比稳定性要求更为严格。　　　根据以上分析，玻璃纤维增强塑料夹砂管的环　　　　　　　　　　刚度选择是一个比较复杂的过程，埋深与环刚度　　　没有那种简单的一一对应关系，需要考虑具体的“”　埋设条件，这也充分体现了柔性管管一土相互作　用的基本特点。一般设计时可先初选一个刚度等　　级，再根据相关条件尤其是埋设条件对变形及稳定　性要求进行校核，如果能够满足则可以适当降低刚　　　度等级或埋设要求，否则应提高刚度等级或埋设要　２０１３年第６期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　３９　求；当不能满足要求时需要注意到，提高埋设要求一　　　般比增加刚度等级更为有效。同时对于埋地玻璃纤　维增强塑料夹砂管而言，考虑到一般埋设条件及其　　　　　他要求，建议实际所采用的最小刚度等级应不低于　　５０００Ｎ／ｍ。　　　４结论　　通过对玻璃纤维增强塑料夹砂管环刚度等基本　　　　　　概念、环刚度设计与测试的基本方法以及实际工程　　　　中刚度等级确定方法的分析，得到以下结论：　（１）明确了环刚度的内涵是管道在外载作用下　　　　　　抵抗变形的一种能力，管刚度与环刚度之间差了一　　　　个系数，并不是同一个概念，而刚度等级管材初始特　　　定环刚度的级别，主要用于管道的分类；　　　　　（２）可以采用复合材料力学的方法，根据环刚　　　　度的定义式对环刚度进行设计计算，可以根据环刚　　度与外载荷、径向变形的关系，采用平行板外载试验　　的方法对环刚度进行测试；　（３）刚度等级的确定主要从变形和稳定性两个　　　方面进行考虑，最关键的是埋设条件，必须结合具体　的埋设条件来具体分析才能确定合适的刚度等级。　参考文献　　　　　［１］ＧＢ／Ｔ２１２３８－２００７，玻璃纤维增强塑料夹砂管［Ｓ］．　　　　　　　［２］ＧＢ／Ｔ５３５２￣００５，纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验　　方法［ｓ］．　　　　　『３］ＡｍｅｒｉｃａｎＷａｔｅｒＷｏｒｋｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．ＡＷＷＡＭ４５［Ｍ］．Ａｍｅｒｉｃａ：　　　　ＦｉｂｅｒｇｌａｓｓＰｉｐｅＤｅｓｉｇｎ（ＳｅｃｏｎｄＥｄｉｔｉｏｎ），２００５．　　　　　［４］ＡｍｅｒｉｃａｎＷａｔｅｒＷｏｒｋｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．ＡＷＷＡＣ９５０［Ｍ］．Ａｍｅｒｉｃａ：　　　ＦｉｂｅｒｇｌａｓｓＰｒｅｓｓｕｒｅＰｉｐｅ，２００７．　　　　　　　——　［５］ＩＳＯ１０４６７－２００４，Ｐｌａｓｔｉｃｓｐｉｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｎｏｎｐｒｅｓ　　　　　　　　　ｓｕｒｅｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｓｅｗｅｒａｇｅＧｌａｓｓ・ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇｐｌａｓｔｉｃｓ　　　　　（ＧＲＰ）ｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅｄｏｎｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｐｏｌｙｅｓｔｅｒ（ＵＰ）ｒｅｓｉｎ［Ｓ］．　　　　　　　　［６］ＩＳＯ１０６３９－２００４，Ｐｌａｓｔｉｃｓｐｉｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｎｏｎ－ｐｒｅｓ－　　—　　　ｓｕｒｅｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙＧｌａｓｓ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇｐｌａｓｔｉｃｓ（ＧＲＰ）　　　　　ｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅｄｏｎｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｐｏｌｙｅｓｔｅｒ（ＵＰ）ｒｅｓｉｎ［Ｓ］．　　　　　［７］ＣＥＣＳ１９０－２００５，给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管　　道结构设计规［Ｓ］．　　　Ⅱ　’　　　　’　’　　’　　’　　ＲＧＳＴＥＳＳＡＮＡＬＹＳＩＳｏ重ＧＬＡＳＳ量ｌＢＥＲＲＥＩＮＦＯＲＣＥＤＰＬＡＳＩＩｌＣＳＭ０ＲｌＩＡＲＰＩＰＥ　—　—　ＹＡＮＧＪｉａｎｍｉｎｇ，ＣＨＥＮＪｉａｎｚｈｏｎｇ　　　　　　　　　　　（１．ＤｉｖｅｒｓｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢｕｒｅａｕｏｆＢａｉｙａｎｇＲｉｖｅｒｉｎＴａｃｈｅｎｇＡｒｅａ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ８３４７００，Ｃｈｉｎａ；　　　　　２．ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　—　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｓｏｆｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｐｉｐｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｎｏｍｉｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｔｉｃｓｍｏｒｔａｒｐｉｐｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓａｋｉｎｄｏｆａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｉｐｅｒｉｎｇｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｌｏａｄｒｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｐｉｐｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓｎｏｔｔｈｅｓａｍｅｃｏｎｃｅｐｔ，ａｎｄｎｏｍｉｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓｔｈｅｉｎｉｔｉａｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｓｐｅｃｉｆｉｃｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓｌｅｖｅ１．Ｔｈｅｂａｓｉｃｍｅｔｈｏｄｏｆｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｏｆｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｎｏｍｉｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｒｅｑｕｉｒｅｄｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｆｒｏｍｔｗｏａｓｐｅｃｔｓｏｆｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　　　　　　　ａｎｄｂｕｃｋｌｉｎｇ．Ｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆｄｅｔｅｒ　　　　　　　　　ｍｉｎｅｎｏｍｉｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒｉｎｇ　　　　　　　　　　　　　　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｅｍｂｅｄｍｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔｈａｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｃｏｒｒｅｃｔｌｙｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　　　　　　　　　　　　　ｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓｍｏｒｔａｒｐｉｐｅａｎｄｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓｄｅｓｉｇｎ，ｔｅｓｔａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．　　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓｍｏｒｔａｒｐｉｐｅ；ｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｐｉｐｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｎｏｍｉｎａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｃｏｍ－　　　　ｐｏｓｉｔｅｓｏｉｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｍｏｄｕｌｕｓ