塑料埋地排水管的关键性能--环刚度

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1、环刚度塑料埋地排水管的关键性能--环刚度　　摘要：国际上目前都广泛应用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。如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之，如果环刚度选择得太高，必然采用过大的截面惯性矩，将造成用材料太多，成本过高。　　关键词：塑料管　环刚度　外压负载　　1埋地铺设塑料管的负载和承受负载的管土共同作用　　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-pressurePipe’。　　压力管道的承受的负载有

2、内部压力和外部的压力。通常内部压力产生的应力是造成管材破坏的主要因素，破坏的形式是管壁内的拉应力造成的变形过大和破裂（塑料管通常是由蠕变造成）。设计时一般先按承受内压负载进行设计计算，选择材料和结构数据（如壁厚），然后再考虑外压负载进行设计验算，必要时修改结构数据。　　无压管道承受外压负载（通常内压负载忽略不计）。破坏的形式是外压负载造成管材变形过大或压屈失稳（Buckling）。设计时按照外压负载进行设计计算，选择材料和结构数据。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，主要包括土壤重量和地面产生的静负载，以及运输车辆经过时产生的动负

3、载。塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂，因为塑料管属于柔性管（FlexiblePipe），在外压负载下管材和周围的土壤（回填材料）产生‘管土共同作用’。换句话说，是管材和周围土壤（回填材料）共同来承受外压负载。　　目前世界各国在埋地管道的设计计算方面还没有完全一致的方法，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（根据变形量再计算出管材内的应力）。Spangler公式如下：　　我国的国家标准和国家级的设计规程也是以此公式为基础的。以下是我国CECS164标准‘埋地聚

4、乙烯排水管道工程技术规程’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；　　其物理含义是　　物理含义可简化为　　从此公式中可以清楚地看出决定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），另一方面是管材结构性能和周围土壤结构性能两者之和（公式中分母部分的两项）。　　所以，决定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）’三个参数都很重要，而且相互影响。　　2环刚度的物理定义和测定。　　根据承受负载的管土共同作用，从以上公式中我们可以看到管材的结构性能是决定能否承受负载的重要参数。这个管材参数（抗外压负

5、载）由三个由管材材料、结构和尺寸决定的因素（EpIpro）：　　Ep---管材短期的弹性模量（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，然后才能放在公式中去设计计算。从道理上讲，如果设计时根据了这三个数值，生产企业提供的管材就要保证这三个数值。　　但是，在实践中这三个数值不容易获得。首先，管材的弹性模量不容易测量，采用不同牌号和不同配方的原材料弹性模量都会有很大变化。此外，管道纵截面每延米管壁的惯性矩很

6、难计算（埋地塑料排水管一般采用结构壁管，结构截面常常是比较复杂的几何形状），结构尺寸（如壁厚）的变动会造成惯性矩明显变化。　　而且，在设计确定以后，如果要求制造厂保证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和应用中容易获得、容易检查和容易保证的管材参数（抗外压负载）的方法呢？有一个国际公认的方法，就是引入名称为‘环刚度’的数值指标。　　国际标准ISO对于环刚度S的定义是（见ISO9967AnnexA）：　　E材料的弹性模量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直接用环刚度数值表示为　　其中Sp就

7、是国际标准规定的环刚度。　　（D=2ro，==8Sp）　　这样，只要知道环刚度Sp的数值，不需要知道弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值就可以进行设计计算。而环刚度Sp的数值可以通过对管材的实际测量来获得。通过对管材的实际测量来获得环刚度Sp的方法已经标准化，就是国际标准ISO9969:1994。我国国家标准GB/T9647-2003（不是已经被代替的GB/T9647-1988）‘热塑性塑料管材环刚度的测定’等同采用了ISO9969:1994。　　国家标准GB/T9647-2003测定环刚度的方法比较简单：按要求的方法在两个平行的平板间压

8、缩一段管材，测量在管直径方向变形达到3%时的作用力F，就可以按照以下公式计算出管