【玻璃纤维增强塑料夹砂管顶管管道结构设计

2010年第2期3月第28卷玻璃纤维增强塑料夹砂管俗称玻璃钢管是一种以玻璃纤维及其制品为增强材料、以热固性树脂为基体材料、以石英砂为填充材料采用定长缠绕工艺、离心浇筑工艺、连续缠绕工艺等制成的管道。玻璃钢管有着良好的水力特性从20世纪90年代起随着玻璃钢原材料的发展和技术的成熟国内涌现出大批玻璃钢管生产厂家玻璃钢管产量大幅增加目前已在城市市政给排水管道工程中得到大量运用。作为一种新兴的化学复合管材玻璃钢管拥有质量轻、强度高、维修方便等特点。伴随着城市管网工程中顶管施工工艺的发展利用玻璃钢管进行顶管的工程也日益增多大量的工程实践丰富了玻璃钢管的适用范围也使玻璃钢管顶管技术的应用日臻成熟。因为玻璃钢管的力学性能可设计性强故在设计阶段当工艺设计人员选择了玻璃钢管并核算其水力条件满足设计要求后结构设计人员对管材性能的选择和要求就显得尤为重要。选择合适的玻璃钢管参数对确保工程安全和控制工程投资都有直接的关系。下面结合深圳某截污干管工程顶管段工程设计实例论述玻璃钢管顶管管道结构设计的要点。1工程概述11管道条件深圳市宝安区某截污干管工程III标顶管段长28KM管道采用玻璃纤维增强塑料夹砂管管顶覆土5373M管径DN1900MM管道设计工作压力025MPA。双“O”型橡胶圈承插接口管节长度3M。采用土压泥水式平衡顶管机顶管。12场地地形条件场地为现状市政道路道路周边建筑物均已形成管线埋置在道路绿化带下。13场地地质情况根据钻探揭露场地内的地层自上而下为人工填土、第四系海积层、第四系冲洪积层、残积层震旦系混合岩。各层物理力学指标如表1所示。玻璃纤维增强塑料夹砂管顶管管道结构设计王亮中国市政工程中南设计研究院广东深圳518133摘要结合深圳地区某玻璃钢夹砂管顶管工程设计实例针对管材本身特性及顶管管道受力特点选择合适的管材性能参数提出管道结构设计计算要点。关键词玻璃纤维增强塑料夹砂管顶管结构计算中图分类号U174文献标志码B文章编号10097767201002013504STRUCTUREDESIGNOFFIBERGLASSREINFORCEDPLASTICMORTARPIPEFORPIPEJACKINGWANGLIANG岩土层平均层厚/M承载力特征值/KPA压缩模量/MPA变形模量/MPA凝聚力/KPA内磨擦角/层序号名称121231杂填土淤泥中砂黏土淤泥中粗砂砂质黏性土强风化混合岩5018580不均匀40110145401601805001545501870601580100151401606208252151522520表1岩土层承载力特征值及有关强度指标建议值工程材料与设备ENGINEERINGMATERIALEQUIPMENT1352010NO2MARVOL282管道结构设计21管材性能指标计算1根据文献1规定取管材刚度等级SN为20000PA。2玻璃纤维增强塑料夹砂管具有刚度设计性强的优点根据管材性能及工程经验取管道弹性模量EP20GPA。3管道壁厚T玻璃钢管壁厚和刚度、弹性模量之间的关系为SNEPT31D03106故在确定玻璃钢管刚度和弹性模量后可算出管道壁厚T444MM设计取T为45MM。4管道计算直径D0DNT1945MM管道外壁直径D1DNT1990MM。5管道设计内水压力标准值FWDK根据文献可得FWDK5FWK0375MPA取FWDK04MPA6管材初始失效压力F0根据文献3F06FWDK4MPA7管材环向等效折算抗拉强度标准值FTHK根据文献3按无相关管材的长期性能试验数据条件计算FTHKF0D06T73MPA8管材环向等效折算抗拉强度设计值FTH环向抗拉强度分项系数取40故FTH3MPA9管材环向等效折算抗弯强度标准值FTMK根据文献3按无相关管材的长期性能试验数据条件计算FTMK495KTMBD0D0TSN06735MPA0管材环向等效折算抗弯强度设计值FTM环向抗拉强度分项系数取0故FTM6MPA管道受压强度设计值FB当玻璃钢管作为顶管管材时管道受压强度设计值决定了管道本身承受顶力的最大限值根据文献4提供的顶力计算公式与文献提供的顶管顶力计算公式确定在管道允许最大顶力5500KN、顶力安全系数为35的条件下玻璃钢受压强度设计值不小于73MPA对缠绕管管体取受压设计强度不小于75MPA管端受压设计强度不小于05MPA管道性能控制指标见表管道性能设计计算指标见表322管道荷载分析管道承受的荷载有管的重力、管内水的重力、管内水压力、管内真空压力、管顶竖向土压力、地下水浮托力、地面车辆荷载、堆积荷载、人群荷载等管的重力玻璃钢管壁厚较薄重度按8KN/M3计算得每延米管重力为5KN其值较小设计中可忽略不计管内水的重力管内的水可按满水计算相对作用在管道上的土压力和管道的设计内水压力管内水的质量产生的内力很小故一般情况下设计中可管道典型纵断面局部如图所示图管道典型纵断面局部图管径/MM壁厚/MM刚度等级/PA弹性模量/GPA设计内水压力/MPA管体受压强度设计值/MPA90045000000475表管道性能控制性指标管材环向等效折算抗拉强度管材环向等效折算抗弯强度标准值设计值标准值设计值7337356表3管道性能设计计算指标MPA工程材料与设备ENGINEERINGMATERIALEQUIPMENT1362010年第2期3月第28卷忽略不计。3管内水压力。由前面计算可知FWDK04MPA。4管内真空压力FVK按文献2FK005MP。5管顶竖向土压力FSK对顶进施工的管道其上覆土形成卸力拱每延米管顶竖向土压力标准值按下式计算FSKCJSBT2C其中CJ为不开槽施工土压力系数计算如下CJ1E2KHSBT2K其中K为管顶原状土的主动土压力系数和内摩擦系数的乘积该工程按饱和黏土取011BT为管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度计算如下BTD11TN452912M经计算FSVK25KN/M26地下水浮托力FF计算得每延米为1KN7地面车辆荷载QVK作用在管道顶部的车辆荷载按下式计算QVKQVIKAI14HSBI14HS考虑管道位于现状道路绿化带及人行道下故按单轮压计算并取动力系数U10车辆荷载按文献5中公路一级取值车辆后轮承担的单个轮压标准值QVIK140KN车轮着地分布长度AI02M车轮着地分布宽度BI06M带入公式得QVK12KN/M8地面堆积荷载及人群荷载QMK地面堆积荷载取10KN/M2人群荷载取4KN/M2两者不会同时发生取大值QMK10KN/M2准永久值系数0523管道承载能力极限状态设计设计原则玻璃钢管为柔性管按弹性体系考虑取管道重要性系数为10231管道强度计算玻璃钢管管道强度应同时满足以下个条件FTH0CTHFRCTMFTHFTH0CTHFTHFTM0TMFTM式中应力调整系数08管道压力影响系数C09可变作用组合系数C10FFTHFTM0202管道设计内水压力产生的管壁环向等效折算拉应力THQFWKD02T121MP作为柔性管道管道是通过其本身以及管周土体协同变形来共同承担外力作用的故管道在外压作用下管壁最大的环向等效折算弯曲应力和管道变形有密切关系其计算公式为TMDFEPDMXD0TD0玻璃钢管在土压力和地面荷载作用下产生的最大长期竖向变形按下式计算DMAXFSKQQIKD1KB8106SN0061ED其中竖向压力作用下的柔性管的竖向变形系数K0089管侧土变形模量E15MPA地面堆载QIK20KN/M管道形状系数DF2得DMAX201MMTM15MPA最后可得FTH112MPAFTH12MPAFTH109MPAFTH12MPAFTM15MPAFTM612MPA管道强度满足设计要求232管道抗浮稳定验算经计算当管顶覆土满足顶管覆土要求不小于15倍管道外径时管道抗浮系数F1可满足抗浮稳定要求233管壁截面环向稳定验算在文献2中管壁截面环向稳定性验算为强制性条文设计中必须予以复核计算玻璃钢管管壁截面环向失稳的临界压力按下式计算FCRK8106SNN211P2E2N211S式中管壁失稳时的折绉波数N2管材泊桑比VP04管两侧胸腔土的泊桑比S04管侧土变形模量E15MPA得FCRK075MPA当管道管壁截面环向稳定性抗力系数KST为25时外力作用产生的截面环向应力为FCRKKSTFSVKD1QK10FVK0184MPA计算的截面环向应力小于FCRK075MPA满足设计要求24管道正常使用极限状态设计玻璃钢管正常使用极限状态设计主要内容为管道的竖向变形验算工程材料与设备ENGINEERINGMATERIALEQUIPMENT1372010NO2MARVOL28上接第116页的将来随着膜技术的进步MBR工艺及其与各种活性污泥法的组合必将在污水、废水处理领域尤其是污水处理厂改扩建工程及中水回用工程中得到更加广泛的运用。参考文献1马皆文张雁秋华素兰等MBR的工艺优势及应用发展J能源环境保护200519220232黄霞桂萍范晓军等膜生物反应器废水处理工艺的研究进展J环境科学研究199811L40443林红军陆晓峰段伟等膜生物反应器中膜过滤特征及膜污染机理的研究J环境科学20062712251125174杨琦黄霞尚海涛等分置式膜生物反应器凝胶层膜污染模型研究J环境科学20062711234423495曹斌黄霞北中敦等A2/O膜生物反应器强化生物脱氮除磷中试研究J中国给水排水200723322266MAHALLENHEYINYCHARACTERIZATIONOFISOLATEDFRACTIONSOFDISSOLVEDORGANICMATTERFROMNATURALW