玻璃纤维增强塑料夹砂排水管的关键性能-环刚度

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2021年4月8日14:01:58
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摘要

国际上现在都普遍应用(application)环刚度这个数值指标来表示塑料埋地排水管的抗外压负载能力。 依据GB/T21238-2007 规范,环刚度等级分为:SN5000、SN7500、SN8000、SN10000、SN12000等。负载 埋地铺设塑料管有两类,一类是内部有压力的,习惯称为&ls

国际上现在都普遍应用(application)环刚度这个数值指标来表示塑料埋地排水管的抗外压负载能力。
依据GB/T21238-2007 规范,环刚度等级分为:SN5000、SN7500、SN8000、SN10000、SN12000等。

负载
埋地铺设塑料管有两类,一类是内部有压力的,习惯称为‘压力管道’,如输送水或燃气的管道;一类是内部是没有压力(或很低压力)的,称为‘无压管道Non-pressure Pipe ’。
压力管道的承受的负载有内部压力和外部的压力。通常(usually)内部压力发生的应力是造成管材毁坏的主要因素,毁坏的形式(form)是管壁内的拉应力酿成的变形过大和破裂(塑料管通常(usually)是由蠕变造成)。设计时一般(commonly)先按承受内压负载进行设计计算,选择材料(Material Science)和构造数据(如壁厚),而后再考虑外压负载进行设计验算,必要时修正构造数据。
无压管道承受外压负载(通常(usually)内压负载疏忽不计)。毁坏的形式(form)是外压负载造成管材变形过大或压屈失稳(Buckling)。设计时依照外压负载进行设计计算,选择材料(Material Science)和构造数据。本文讨论的塑料埋地排水管是指无压管道。
外压负载比较复杂,主要包括土壤重量(weight)和地面发生的静负载,以及运输(transport)车辆经过时发生的动负载。塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂,由于塑料管属于柔性管(Flexible Pipe),在外压负载下管材和四周的土壤(回填材料(Material Science))发生‘管土配合作用’。换句话说,是管材和四周土壤(回填材料(Material Science))配合来承受外压负载。
世界列国在埋地管道的设计计算方面尚未完全一致的办法,但是绝大多数国家都以美国SpanglerR公式(或称Spangler的 lowa 公式)作为计算埋地柔性管外压负载下变形量的基础公式(依据变形量再计算出管材内的应力)。
我国的国家规范和国家级的设计规程也是以此公式为基础的。以下是我国CECS 164规范‘埋地聚乙烯排水管道工程技能规程’中计算塑料埋地排水管在外压负载下,竖向管道变形量的公式;
决定(Decision)埋地柔性管外压负载下变形量的一方面是负载的大小(公式中分子部分),另外一方面是管材构造性能和四周土壤构造性能二者之和(公式中分母部分的两项)。
所以,决定(Decision)塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的,‘负载’、‘管材’和‘土壤(回填)’三个参数都非常重要,并且互相影响。

测定
依据承受负载的管土配合作用,从以上公式中我们可以(Sure)看到管材的构造性能是决定(Decision)能否承受负载的重要参数。这个管材参数(抗外压负载)由三个由管材材料(Material Science)、构造和尺寸决定(Decision)的因素(Ep Ip ro):
Ep---管材短时间的弹性模量(kN/m)
Ip----管道纵截面每延米管壁的惯性矩(m4/m)
ro----管道计算半径(管壁中性轴半径)(m)
所以,从理论上讲,每当我们进行塑料埋地排水管设计时必须首先知道这三个数值,而后才能放在公式中去设计计算。从道理上讲,假如设计时依据了这三个数值,生产(production)企业供给的管材就要保证(ensure)这三个数值。
但是,在理论中这三个数值不轻易取得。首先,管材的弹性模量不轻易测量,采用不同牌号和不同配方的原材料(Material Science)弹性模量都会有很大变化。此外(in addition),管道纵截面每延米管壁的惯性矩很难计算(埋地塑料排水管一般(commonly)采用构造壁管,构造截面经常是比较复杂的几何形状),构造尺寸(如壁厚)的变动会造成惯性矩明显变化。
并且,在设计肯定以后,假如要求制造厂保证(ensure)这三个数值都不变也是很不现实的。
能不能找到一个在实际生产(production)和应用(application)中轻易取得、轻易检查和轻易保证(ensure)的管材参数(抗外压负载)的办法呢?有一个国际公认的办法,就是引入名称为‘环刚度’的数值指标。
国际规范ISO关于环刚度S的定义是(见ISO9967 Annex A):
E材料(Material Science)的弹性模量I惯性矩D管环的平均直径单位是KN/m2
所以,计算竖向管道变形量的公式可以(Sure)直接用环刚度数值表示为
其中Sp就是国际规范规定的环刚度。
(D=2 ro, = =8Sp)
如此,只需知道环刚度Sp的数值,不需要要知道弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值便可以进行设计计算。而环刚度Sp的数值可以(Sure)经过对管材的实际测量来取得。经过对管材的实际测量来取得环刚度Sp的办法已经规范化,就是国际规范ISO 9969:1994。我国国家规范GB/T 9647-2003 (不是已经被替代的GB/T 9647-1988)‘热塑性塑料管材环刚度的测定’同等采用了ISO 9969:1994。
国家规范GB/T 9647-2003测定环刚度的办法比较简单:按要求的办法在两个平行的平板间压缩一段管材,测量在管直径方向变形达到3%时的作用力(Exertion)F,便可以依照以下公式计算出管材的环刚度:
其中,F –相关于管材3%变形时的力值(kN)
L –试样长度(m)
Y –变形量(m) d—内径(m)
为何用此规范办法实际测量出来的环刚度可以(Sure)确以为就是我们需要的EI/D数值呢?
由于在两个平行平板间压缩管段发生变形是一个典型的材料(Material Science)力学问题。利用材料(Material Science)力学的分析办法可以(Sure)证明变形量,作用力(Exertion)和管材的参数EI/D—环刚度有以上公式所表示的明确干系。
国际上都普遍应用(application)环刚度这个数值指标来表示塑料埋地排水管的抗外压负载能力。由于:1)不需要要知道弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值,只需知道环刚度Sp的数值便可以进行设计计算;
2)环刚度Sp的数值可以(Sure)经过对管材的实际测量来取得;
3)生产(production)厂只需保证(ensure)环刚度达到要求,不用保证(ensure)弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro都达到要求。并且环刚度在生产(production)厂可以(Sure)经过常常检测进行控制。
需要留意的是环刚度是有明肯定义的,是塑料埋地排水管设计计算的基础,其测定的办法是由国家规范(国际规范)严厉规定的。我们塑料埋地排水管发展很快,由于不了解环刚度的定义和规范,有的时候呈现混淆和误用的状况。
有的企业不按国家规范GB/T 9647-2003(同等ISO 9969:1994)测定(比方,不用平行平板而用两V型板压缩,或许在管侧加限制。),但是把测出的数值称为环刚度。用户(user)据此设计计算必定失误。
有的地方把国家规范GB/T 9647-2003(同等ISO 9969:1994)定义和测定的环刚度和德国规范DIN16961定义和测定的‘环刚度(英文同样用ring stiffness) ’、或许和美国规范ASTMD2412的定义和测定的‘管刚度Pipe Stiffness’混淆。结果呈现了双壁波纹(Ripple)管环刚度达到几十千帕的检测陈述。本文关于国家规范GB/T 9647-2003(ISO规范ISO 9969:1994)的环刚度(英文ring stiffness)和DIN规范的‘环刚度(英文同样用ring stiffness)’,ASTM规范的‘管刚度Pipe Stiffness’之间的差异再也不详细说明,这里只是提示务必留意不同国家的不同规范中关于管材抗外压负载定义的刚度数值指标有不同的定义和相应不同的测定办法,在国内必须统一按国家规范采用GB/T 9647-2003规定的环刚度,在对外交流中则必须问清楚是按那个规范的刚度数值。国际市场趋势统一,越来越多国家接受按ISO规范,ISO 9969:1994已经被欧洲规范组织接受为欧洲规范EN ISO 9969:1995。

选择
环刚度是塑料埋地排水管抗外压负载能力的综合参数,显然,为了保证(ensure)塑料埋地排水管在外压负载下安全工作,环刚度的选择是设计中的关头之一。假如管材的环刚度过小,管材可能发生过大变形或呈现压屈失稳毁坏。反之,假如环刚度选择得过高,必定采用过大的截面惯性矩,将造成用材料(Material Science)太多,成本(cost)太高。
经常有用户(user)询问能不能依据埋深等内压负载状况用一个简单办法选择环刚度,答复是不可以。原因(Reason)就是由于塑料埋地排水管承受外压负载的机理是‘管土配合作用’,是管材承受负载的能力(环刚度)和管道四周土壤(回填材料(Material Science))承受负载的能力两方面结合决定(Decision)工程的成败。所以环刚度的选择不只取决于外压负载的状况还取决于铺设后管道四周土壤(回填材料(Material Science))的状况(变形量公式中的数值Ed—管侧土综合弹性模量(kN/m),Ed又取决于回填材料(Material Science)的种类、压实程度、槽侧原状土状况等)。
按我国的技能规程,环刚度的选择是先初步选择,而后进行‘管道构造设计’,进行管道变形验算、强度(Strength)计算、压屈失稳计算等。假如计算结果不满意要求就增大环刚度重新计算,(或许减少后重新计算)。

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