上目前都廣泛應(yīng)用環(huán)剛度這個(gè)數(shù)值指標(biāo)來表示塑料埋地排水管的抗外壓負(fù)載能力。如果管材的環(huán)剛度太小,管材可能發(fā)生過大變形或出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)破壞。反之,如果環(huán)剛度選擇得太高,必然采用過大的截面慣性矩,將造成用材料太多,成本過高。
1埋地鋪設(shè)塑料管的負(fù)載和承受負(fù)載的管土共同作用
埋地鋪設(shè)塑料管有兩類,一類是內(nèi)部有壓力的,習(xí)慣稱為‘壓力管道’,如輸送水或燃?xì)獾墓艿?;一類是?nèi)部是沒有壓力(或很低壓力)的,稱為‘無壓管道Non-pressure Pipe ’。
壓力管道的承受的負(fù)載有內(nèi)部壓力和外部的壓力。通常內(nèi)部壓力產(chǎn)生的應(yīng)力是造成管材破壞的主要因素,破壞的形式是管壁內(nèi)的拉應(yīng)力造成的變形過大和破裂(塑料管通常是由蠕變?cè)斐桑?。設(shè)計(jì)時(shí)一般先按承受內(nèi)壓負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,選擇材料和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(如壁厚),然后再考慮外壓負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算,必要時(shí)修改結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
無壓管道承受外壓負(fù)載(通常內(nèi)壓負(fù)載忽略不計(jì))。破壞的形式是外壓負(fù)載造成管材變形過大或壓屈失穩(wěn)(Buckling)。設(shè)計(jì)時(shí)按照外壓負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,選擇材料和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。本文討論的塑料埋地排水管是指無壓管道。
外壓負(fù)載比較復(fù)雜,主要包括土壤重量和地面產(chǎn)生的靜負(fù)載,以及運(yùn)輸車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)負(fù)載。塑料埋地排水管承受負(fù)載的機(jī)理也比較復(fù)雜,因?yàn)樗芰瞎軐儆谌嵝怨埽?/font>Flexible Pipe),在外壓負(fù)載下管材和周圍的土壤(回填材料)產(chǎn)生‘管土共同作用’。換句話說,是管材和周圍土壤(回填材料)共同來承受外壓負(fù)載。
目前世界各國在埋地管道的設(shè)計(jì)計(jì)算方面還沒有*一致的方法,但是絕大多數(shù)都以美國SpanglerR公式(或稱Spangler的 lowa 公式)作為計(jì)算埋地柔性管外壓負(fù)載下變形量的基礎(chǔ)公式(根據(jù)變形量再計(jì)算出管材內(nèi)的應(yīng)力)。
我國的標(biāo)準(zhǔn)和*的設(shè)計(jì)規(guī)程也是以此公式為基礎(chǔ)的。
從此公式中可以清楚地看出決定埋地柔性管外壓負(fù)載下變形量的一方面是負(fù)載的大?。ü街蟹肿硬糠郑?,另一方面是管材結(jié)構(gòu)性能和周圍土壤結(jié)構(gòu)性能兩者之和(公式中分母部分的兩項(xiàng))。
所以,決定塑料埋地排水管鋪設(shè)后能否正常工作的,‘負(fù)載’、‘管材’和‘土壤(回填)’三個(gè)參數(shù)都很重要,而且相互影響。
從此公式中可以清楚地看出決定埋地柔性管外壓負(fù)載下變形量的一方面是負(fù)載的大小(公式中分子部分),另一方面是管材結(jié)構(gòu)性能和周圍土壤結(jié)構(gòu)性能兩者之和(公式中分母部分的兩項(xiàng))。
所以,決定塑料埋地排水管鋪設(shè)后能否正常工作的,‘負(fù)載’、‘管材’和‘土壤(回填)’三個(gè)參數(shù)都很重要,而且相互影響。
2環(huán)剛度的物理定義和測(cè)定。
根據(jù)承受負(fù)載的管土共同作用,從以上公式中我們可以看到管材的結(jié)構(gòu)性能是決定能否承受負(fù)載的重要參數(shù)。這個(gè)管材參數(shù)(抗外壓負(fù)載)由三個(gè)由管材材料、結(jié)構(gòu)和尺寸決定的因素(Ep Ip ro): Ep---管材短期的彈性模量(kN/m)
Ip----管道縱截面每延米管壁的慣性矩(m4/m)
ro----管道計(jì)算半徑(管壁中性軸半徑)(m)
所以,從理論上講,每當(dāng)我們進(jìn)行塑料埋地排水管設(shè)計(jì)時(shí)必須先知道這三個(gè)數(shù)值,然后才能放在公式中去設(shè)計(jì)計(jì)算。從道理上講,如果設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)了這三個(gè)數(shù)值,企業(yè)提供的管材就要保證這三個(gè)數(shù)值。
但是,在實(shí)踐中這三個(gè)數(shù)值不容易獲得。先,管材的彈性模量不容易測(cè)量,采用不同牌號(hào)和不同配方的原材料彈性模量都會(huì)有很大變化。此外,管道縱截面每延米管壁的慣性矩很難計(jì)算(埋地塑料排水管一般采用結(jié)構(gòu)壁管,結(jié)構(gòu)截面常常是比較復(fù)雜的幾何形狀),結(jié)構(gòu)尺寸(如壁厚)的變動(dòng)會(huì)造成慣性矩明顯變化。
而且,在設(shè)計(jì)確定以后,如果要求廠保證這三個(gè)數(shù)值都不變也是很不現(xiàn)實(shí)的。
能不能找到一個(gè)在實(shí)際和應(yīng)用中容易獲得、容易檢查和容易保證的管材參數(shù)(抗外壓負(fù)載)的方法呢?有一個(gè)*的方法,就是引入名稱為‘環(huán)剛度’的數(shù)值指標(biāo)。
只要知道環(huán)剛度Sp的數(shù)值,不需要知道彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計(jì)算半徑ro的確切數(shù)值就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。而環(huán)剛度Sp的數(shù)值可以通過對(duì)管材的實(shí)際測(cè)量來獲得。通過對(duì)管材的實(shí)際測(cè)量來獲得環(huán)剛度Sp的方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,就是標(biāo)準(zhǔn)ISO 9969:1994。
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