《埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》相关问题及等效设计概念

埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程相关问题及等效设计概念第26卷第5期2009年L0月特种结构V0126NO50CT20O9埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程相关问题及等效设计概念宋奇叵李琛或北京市市政工程设计研究总院1OOO45BEIJINGGENEMMUNICIPALENGINEERINGDESIGNANDRESEARCHINSTITUTE,100045摘要玻璃纤维增强塑料夹砂管是多材料,管壁结构复杂的多层复合管道各向异性的力学特点和蠕变变形的存在,使得该种管道的内力和变形分析非常繁琐给水排水埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程CECS1952005借鉴美国水工业协会相关标准的经验,依据国内产品标准的检测规定,引入了“等效“设计的概念,简化了设计过程本文对此进行简要的介绍关键词玻璃纤维增强塑料夹砂管力学性能各向异性蠕变等效ABACITHEBURIEDGLASSFIBERREINFORCEDPLASTICMORTARPIPELINE,ISMADEUPOFMANYKINDSOFMATERIALSANDZ懈STRUCTUREISCOMPLEXISAMULTILAYERCOMPOUNDPIPELINEBECAUSEOFTHEMATERIALSMECHANCHARACTERISTICAEOLOTROPISMANDCREEPDEFORMATION,ITSINTERNALFORCEANDDEFORMATIONANALYSISISVERYCOMPLICATEDSPECIFICATIONFORSTRUCTURALDESIGNOFBURIEDGLASSFIBERREINFORCEDPLASTICMORTARPIPELINEOFWATERSUPPLYANDSEWERAGEENGINEERINGCECS1952005OFOLZRCOUNTRYHADLEARTFROMTHEEXPERIENCEOFRELEVANTSTANDARDSOFTHEUSWATERINDUSTRYASSOCIATIONBASEDONNATIONALPRODUCTTESTINGSTANDARDS,THE“EQUIVALENT“DESICONCEPTWASINTRODUCEDSOTHATTHEDESIGNPROCESSWASSIMPLIFIEDTHECONTENTSABOVEWEREINTRODUCEDINTHISPAPERKEYWORDSGLASSFIBREREINFORCEDPLASTICMORTARPMECHANICSCHARACTERISTICAEOLOTROPISMCREEPDEFORMATIONEQUIVALENCE前言玻璃纤维增强塑料夹砂管管道是以玻璃纤维,不饱和树脂,石英砂为原料,经过复杂的材料复合生产工艺,制作为层合结构特点的复合材料管材与传统管材的力学特征和破坏形态存在差异为了在管道工程设计中沿用传统管道结构设计理念,达到管道工程设计安全可靠,经济合理的目的,在给水排水埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程CECS1952005以下简称为规程中,对于玻璃纤维增强塑料夹砂管管道的力学设计参数提出了“等效“的概念,即等效折算强度标准值,等效折算应力值从名称上不难看出,“等效“即表明非实际管壁强度检测值,而是在特定参照体系条件下的表征值正确理解和使用规程“等效“的理念,就必须首先了解玻璃纤维增强塑料夹砂管的基本力学特点,以及与传统管材所存在的差异,希望本文能为工程设计人员提供有益的帮助1玻璃纤维增强塑料力学性能的基本特点玻璃纤维增强塑料是以玻璃纤维为增强材一S6一料,以合成树脂为基体复合而成的工程材料,俗称为玻璃钢玻璃纤维是一种具有高抗拉强度的柔性材料,其纤维理论拉伸强度可达2000MPA以上,拉伸弹性模量约为70000MPA,但不具备抗压性能玻璃纤维增强塑料正是利用了玻璃纤维的高抗拉性达到增强力学性能的目的在玻璃纤维增强塑料体中,玻璃纤维主要呈现为纤维束或纤维织物,根据加工工艺和设计要求进行有序排列或铺设受加工工艺的影响,纤维集束后的强度会远低于单丝纤维的强度,抗拉强度可降低至单丝理论强度的1/10,但这并不能改变其作为增强材料的重要作用玻璃纤维增强塑料中的合成树脂均采用热固性树脂,这类树脂的固化物在受热后不能软化,而在温度过高时则产生分解破坏固化后的树脂在力学性能上呈现为各向同性的弹性体特征,其抗拉强度可达到50MPA,抗压强度高于抗拉强度可达到130MPA,拉伸与压缩弹性模量相接近,约为3500MPA左右同型号树脂的强度随固化程度而NO52009宋奇叵等埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程相关问题及等效设计概念变化,固化程度越高,其强度越高,脆性越大玻璃纤维通过界面处理剂或叫藕联剂与合成树脂粘结在一起,形成单层纤维复合材料,合成树脂固化体再将多个单层增强体联系成为整体,使其共同工作,最终形成复杂的复合工程材料,即玻璃纤维增强塑料由于玻璃纤维增强塑料可以形成材料型号不同组成,材料组合不同比例,纤维铺设不同状态等任意组合的复合状态,因此,其基本性能也必将呈现得十分复杂经过相关研究人员多年不断的科学实验研究,人类已经掌握了玻璃纤维增强塑料的基本性能规律,使其成为可控的【程材料玻璃纤维增强塑料主要力学性能主要表现为以下几点11强度和弹性性能的可设计性由于玻璃纤维增强塑料是由玻璃纤维与合成树脂组成的,根据其材料的不同作用,可以通过改变材料的组分配比,或者改变玻璃纤维的分布方向及其形态,在一定范围内获得不同强度和弹性性能的玻璃纤维增强塑料12各向异性性能单层玻璃纤维增强塑料具有纤维方向和垂直纤维方向两个力学性能主方向,而对于由不同纤维方向的多层层合板组成的玻璃纤维增强塑料,其力学性能就变得异常复杂,但各方向的力学性能主要取决于其纤维含量和铺设方式与各向同性材料不同的是,主应力和主应变的结构分析概念不再适用,其材料破坏很可能会出现在荷载效应较低的作用方向上13非匀质性对于单层玻璃纤维增强塑料的力学性能,通常采取平均表观性质进行表述,但对于多层的层合板结构来说,相对每层的纤维含量,铺设角等均会存在差异,而因此产生的宏观力学效应不容忽视,如拉伸作用可能引起弯曲变形等耦合效应14高强度,低弹性模量玻璃纤维增强塑料的容重较小,一般在15001900KG/M3,仅为钢材的1/4其抗拉强度并不比普通钢材低,可以达到200MPA以上,所以按照比强度计算,玻璃纤维增强塑料要比普通钢材高得多但是,玻璃纤维增强塑料的剪切强度和层间强度均较低,一般抗剪强度仅为抗拉强度的10由于层间没有玻璃纤维增强,层间剪切强度和层间抗拉强度一般都低于树脂浇注体的剪切SPE咀ALSRRUCTURESIN02OO9强度和拉伸强度玻璃纤维增强塑料的弹性模量比较低,一般抗拉弹性模量为1500030000MPA,与普通钢材相比相差了一个数量级其抗剪弹性模量更低,仅为抗拉弹性模量的1020,这就使得其要作为主要承受剪切结构的材料将是很不利的15脆性热固性合成树脂的延伸率一般在5左右,玻璃纤维的延伸率一般在3左右,所以,玻璃纤维增强塑料的延伸率一般不会大于5,属于脆性材料对于钢材等塑性材料,当材料某些高应力区进入塑性状态时,可以引起应力重分布而使应力得到缓和但对于玻璃纤维增强塑料没有塑性阶段,高应力区的部分纤维会先行断裂,它们所承担的荷载将卸载给未断裂纤维,于是可能会发生纤维的连续断裂现象而导致破坏16蠕变性材料在恒定荷载作用下,其变形随时间而增长的变形现象被称为蠕变现象与之对应的是应力松弛,即保持一定的变形形态时,材料内部应力随时间而减少,材料抗力降低由于合成树脂具有较强的粘弹性特征,使得玻璃纤维增强塑料的蠕变特性比较明显根据大量实验资料,影响玻璃纤维增强塑料蠕变性能的因素很多,其中主要包括层合板的铺设角,环境温度,增强材料的纵横比与含量,外荷载的大小等2玻璃纤维增强塑料夹砂管的管壁结构及加工工艺玻璃纤维增强塑料夹砂管的管壁结构主要由内衬层,结构层和外表面层组成其中内衬层和外表面层为富树脂层,使管材具有抗渗,耐腐蚀和耐老化的性能,以保证管材在正常使用条件下能长期安全地正常稳定工作,属管壁构造措施层,一般不参与结构受力分析结构层为管壁结构的抗力体,主要由玻璃纤维增强塑料作为承力主体对于小管径的高压管道,管道环向抗拉强度要求较高,而管道环向刚度要求较低,结构层采用玻璃纤维增强塑料可以合理匹配强度和环向刚度,这种没有结构夹层的管道被称之为玻璃纤维增强塑料管由于玻璃纤维增强塑料的弹性模量较低,对于低压,埋地,大管径管道,要做到强度与环向刚度合理匹配非常困难,这势必会产生不必要的材料浪费为了降低成本,产品采用了中部设置一57特种结构2009年第5期夹砂层的措施,以改变管壁结构形状,提高管道管壁玻璃纤维增强塑料层的惯性矩,从而增加管道环向刚度,这种设有结构夹砂层的管道被称之为玻璃纤维增强塑料夹砂管其结构层分为内,外层布置的玻璃纤维增强塑料层和中部的树脂砂浆层即夹砂层目前国内玻璃纤维增强塑料夹砂管的加工分为三种工艺,即往复缠绕定长制管工艺,离心浇铸制管工艺和连续缠绕不定长制管工艺往复缠绕定长制管工艺是以芯模为模具,根据铺层设计要求,分层缠绕经充分浸润树脂的连续玻璃纤维纱束,形成管壁结构层环向缠绕纤维形成环向抗力体,交叉缠绕纤维根据缠绕角度不同,形成纵向和环向双向分力的抗力体树脂夹砂层采用纤维兜砂布分层缠绕经充分浸润树脂的石英砂形成,夹砂工艺又可分为管顶自然下落式的上加砂工艺和管底平铺缠绕式的下加砂工艺连续缠绕制管工艺则是按铺层设计,将制管过程分段分区连续完成的工艺,受生产工艺的限制,其管道结构与往复缠绕管也存在着差异,即环向为连续玻璃纤维纱束,而纵向则采用铺设短切纤维形成抗力体离心浇铸管工艺是以外模管为模具,采用高速旋转模管,配以模心送料方式,将短切纤维丝,石英砂以及树脂根据铺层设计要求进行配比铺设,在材料高速旋转离心力作用下进行混合浸润,经加热固化形成致密的管体,通过控制短切纤维的排列方向的改变,形成环向和纵向抗力体3玻璃纤维增强塑料夹砂管的基本强度指标根据玻璃纤维增强塑料夹砂管管壁结构的基本特点不难看出,管壁内外层的玻璃纤维增强塑料结构层是抵抗管道荷载作用的承力体,因此,玻璃纤维增强塑料的物理力学特性必然在管道荷载效应中得以充分体现,特别是其各向异性性能,蠕变性性能等有别于传统管材的特性,在工程设计中必须加以重视31五个基本强度指标玻璃纤维增强塑料的破坏存在两种形态,即随着材料应力增加达到一定数量时,材料突然断裂失效破坏或者材料应变变形突然增大,产生屈服失效破坏在工程设计中突然断裂的脆性破坏是必须避免的由于玻璃纤维增强塑料中增强纤维均是层内沿特定方向布置,其力学性能随该方向上的纤维含量而变化另外,复合而成的层合一58一板问缺少纤维补强,且增强纤维对抗剪强度于事无补因此,玻璃纤维增强塑料具有各向异性性能,形成玻璃纤维增强塑料具有五个不同的基本强度指标,即沿纤维布置方向的纵向抗拉强度FLL和纵向抗压强度FI垂直纤维布置方向的横向抗拉强度FTF和横向抗压强度,以及纵横向抗剪强度FLT使得玻璃纤维增强塑料夹砂管的强度理论与传统匀质金属管材的主应力强度理论不同,必须依据五个基本强度逐项对管道荷载效应进行强度分析32蠕变性能影响在玻璃纤维增强塑料夹砂管管道拉伸试验和压坏试验中,都可以看到这样的现象,即力学试验机机头停止运动,而此时的力学传感器的读数却不能停止,其数值变化从先前的逐渐增加转变为逐渐减小,这就是玻璃纤维增强塑料夹砂管蠕变性的呈现而玻璃纤维增强塑料夹砂管的变形破坏是其蠕变特性在管道工程中的反应,一般表现为在荷载效应不变的条件下,随着时间增加管道受力截面的应变不断增大,管道变形表现出非椭圆形态,在某特定时刻出现管道断裂失效破坏所以,对于玻璃纤维增强塑料夹砂管管道强度指标,不可回避蠕变变形的影响玻璃纤维和合成树脂具有不同的蠕变性能,由于玻璃纤维属弹脆性材料,蠕变变形量很小,而合成树脂属粘弹性材料,呈现出较大的蠕变变形性能,所以,合成树脂承担的应力越大,其蠕变变形越明显玻璃纤维铺设方向与主应力方向的夹角关系,直接影响着两种材料间分担应力的分配,是决定玻璃纤维增强塑料蠕变性能的重要因素当纤维与主应力方向平行时,内力主要由玻璃纤维承担,树脂应力很小,玻璃纤维的蠕变性能决定着玻璃纤维增强塑料的蠕变性能,因此相应的玻璃纤维增强塑料的蠕变应变也很小,卸载后绝大部分变形可立即消失当纤维与主应力方向不平行时,蠕变变形的大小和变化速率均将受两者夹角的影响,夹角越大,合成树脂体所承受的应力也随之增加,相应的蠕变变形量和变化速率越大另外,玻璃纤维增强塑料构件所受荷载作用效应越大,初始应变越大,合成树脂所承担的应力也会较大,相应的蠕变变形速率越高环境温度是影响合成树脂粘弹性变形的重要因素之一,在较高温度影响下,蠕变变形随温度升高而明显增加,当SPECIAL基LRUCRI嬲ND52LD09NO52009宋奇叵等埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程相关问题及等效设计概念升至临界温度时,其蠕变速率迅速增加,使材料失去使用价值33强度设计控制指标对于管道工程,管道的蠕变应变的速率变化随管壁荷载效应而变化,管壁应力越大,则应变变化速率越大见图1在管壁应力小于某一特定值时,该截面管壁应变将呈现为产生一定应变后不再增加的现象,该特定应力值一般被称为该材料的蠕变极限应力值对于在特定环境和限定时间条件下,管壁产生破坏时的应力被称为在相应环境下和持续时间下的蠕变破坏应力值该应力值目前被定义为玻璃纤维增强塑料夹砂管结构强度设计的控制指标值玻璃纤维增强塑料夹砂管的五个基本强度指标均存在蠕变控制值图1应力应变与时间的关系4规程编制中“等效“设计的基本概念41设计参照的方法给水排水埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道的受力状态与传统管材基本相同,其区别主要在于玻璃纤维增强塑料夹砂管的长期荷载效应,特别是蠕变变形的影响考虑目前玻璃纤维增强塑料夹砂管管道工程在我国应用时问还较短,所积累的工程数据较少,已实施工程一般均依据美国水工业协会标准玻璃纤维增强塑料压力管ANSI/AWWAC950附录A进行管道结构设计,且现行玻璃纤维增强塑料夹砂管的产品标准和检测标准均参照美国水工业协会标准因此,规程编制的基本原则确定为依据国家管道结构设计基本标准给水排水工程管道结构设计规范GB50332规定的原则,采取美国ANSI/AWWAC950的设计概念和方法,并在可靠度基本一致的条件下,通过工程类比法确定相关设计参数美国水工业协会标准玻璃纤维增强塑料压力管ANSI/AWWAC950简称C950附录A所推SRS_UCRRJP,ESN020D9荐的设计方法,是将管材按照相应工程使用环境和时间条件进行力学试验,以检测数据为依据,所推算出的蠕变破坏应力值定义为应力设计基准值,即长期静载强度应力以管道破坏时管壁最大荷载作用效应值作为管道破坏特征值以管道破坏特征值大于应力设计基准值为设计控制安全准则其中管道破坏涵盖所有造成管道无法正常使用时所可能呈现出的行态,如管壁断裂,管壁结构层分离,管道承载能力下降等等C950标准上述采用的设计方法的关键就在于是“等效“设计的概念42C950设计中的相关基本概念C950标准规定了两组管材强度性能指标,即长期静水压设计基准HDB和长期环弯曲强度SB,数值的采集均采取多组试件的长期荷载试验方法,通过回归18个以上数据的参数计算确定在试验中对于管道产生的破坏定义为管壁突然断裂或管道在单位时间内的变形率超过限定值5D两组管材强度性能指标的表达式为HDBIHDBUOS28FY50式中PHDB一管材长期静水压力试验值D_管道计算直径T一管材壁厚E_管道弯曲弹性模量Y管材长期环弯曲强度试验外推50年的挠曲值根据C950标准规定的试验方法,长期静水压设计基准试验是对多组试件施加不同的内水压力,并在试验检测时段内保持压力不变,直到试件破坏长期环弯曲强度试验则可分为恒荷载或恒变形两种方法,顾名思义恒荷载就是对多组试件施加不同顶部荷载,在试验检测时段内保持压力不变,检测试件破坏时的挠曲变形值恒变形则是对多组试件施加不同挠曲变形,在试验检测时段内保持挠曲值不变,检测试件破坏时的抗力从上述试验方法不难看出,管材长期静水压力试验值和长期环弯曲强度试验值并不是管道破坏时的应力和应变值,而是反映管道经过长期荷载作用和内部协调后,在特定使用时间破坏的初始承载特种结构2009年第5期能力和抗变形能力的特征值由于玻璃纤维增强塑料夹砂管在初始荷载作用下呈现为弹性特征,所以可以按照传统管材的分析方法确定管道应力状态上述两组管材强度性能指标的表达式正是弹性材料力学的拉伸和弯曲应力公式因此,玻璃纤维增强塑料夹砂管的所谓长期强度指标是采用初始强度指标等效管材长期性能的力学指标值玻璃纤维增强塑料夹砂管管壁弯曲试验的破坏形态非常复杂,受增强纤维布置的影响,可能出现内侧或外侧纤维由于达到抗拉强度而断裂,也可能由于纤维层之间或增强层与夹砂层之间的层间抗拉强度和剪切强度达到允许值而分层断裂对于后者的破坏形态显然管壁荷载作用还未达到纤维增强层的允许强度在上述玻璃纤维增强塑料夹砂管的基本强度指标论述中已经指出,其存在五个相对独立的基本强度指标值,对其进行逐一分析确定设计指标和工程设计分析计算将是非常繁杂的工作,目前技术也是很难达到的C950标准则采取了以点代面的方法,以轴拉强度和环弯曲强度两项指标,代表其它管道可能出现的环向破坏形态,即无论管道出现何种破坏现象,均以相应状态下管壁轴拉应力和环弯曲应力两项指标体现,以此预示该管道将可能呈现出的状态因此,玻璃纤维增强塑料夹砂管的轴拉应力和环弯曲应力两项指标是等效管材不同形态的力学指标值43对多层复合结构的考虑玻璃纤维增强塑料夹砂管管壁为多层复合结构,每层的力学性能均与其该层的纤维布置有关从上述玻璃纤维增强塑料夹砂管的加工可以看出,管壁结构层的每层力学性能都存在差异,不可能形成匀质抗力而管材材料性能指标是将其假定为匀质弹性体,采用匀质弹性材料的力学分析模式,模拟其同样变形形态的非匀质力学材料轴向拉伸应力假定为均匀分布,并不反映某层增强纤维的实际应力状态,以及是否达到允许强度,避开由于变形协调所产生的内力传递和重分布现象因此,玻璃纤维增强塑料夹砂管的轴拉应力和环弯曲应力两项指标只是等效反映管材力学性能的特征指标值5规程所体现的基本设计思路参考美国水工业协会标准玻璃纤维增强塑一60一料压力管ANSI/AWWAC950附录A所推荐的设计方法,规程以我国玻璃纤