環(huán)剛度無壓管道

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’，如輸送水管道或燃?xì)獾墓艿溃灰活愂莾?nèi)部是沒有壓力（或很低壓力）的，如：污水管道或雨水管；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‵lexible 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。

世界各國(guó)在埋地管道的設(shè)計(jì)計(jì)算方面還沒有完全一致的方法，但是絕大多數(shù)國(guó)家都以美國(guó)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(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家級(jí)的設(shè)計(jì)規(guī)程也是以此公式為基礎(chǔ)的。以下是我國(guó)CECS 164標(biāo)準(zhǔn)‘埋地聚乙烯排水管道工程技術(shù)規(guī)程’中計(jì)算塑料埋地排水管在外壓負(fù)載下，豎向管道變形量的公式；

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。

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)必須首先知道這三個(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，生產(chǎn)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。首先，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，如果要求制造廠保證這三個(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)際生產(chǎn)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)國(guó)際公認(rèn)的方法，就是引入名稱為‘環(huán)剛度’的數(shù)值指標(biāo)。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO對(duì)于環(huán)剛度S的定義是（見ISO9967 Annex A）：

E材料的彈性模量I慣性矩D管環(huán)的平均直徑單位是KN/m2

所以，計(jì)算豎向管道變形量的公式可以直接用環(huán)剛度數(shù)值表示為

其中Sp就是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)剛度。

（D=2 ro， = =8Sp）

這樣，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，就是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9969:1994。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003 （不是已經(jīng)被代替的GB/T 9647-1988）‘熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測(cè)定’等同采用了ISO 9969:1994。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003測(cè)定環(huán)剛度的方法比較簡(jiǎn)單：按要求的方法在兩個(gè)平行的平板間壓縮一段管材，測(cè)量在管直徑方向變形達(dá)到3%時(shí)的作用力F，就可以按照以下公式計(jì)算出管材的環(huán)剛度：

其中，F(xiàn) –相對(duì)于管材3%變形時(shí)的力值（kN）

L –試樣長(zhǎng)度（m）

Y –變形量（m） d—內(nèi)徑（m）

為什么用此標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)際測(cè)量出來的環(huán)剛度可以確認(rèn)為就是我們需要的EI/D數(shù)值呢？

因?yàn)樵趦蓚€(gè)平行平板間壓縮管段產(chǎn)生變形是一個(gè)典型的材料力學(xué)問題。利用材料力學(xué)的分析方法可以證明變形量，作用力和管材的參數(shù)EI/D—環(huán)剛度有以上公式所表示的明確關(guān)系。

國(guó)際上都廣泛應(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。因?yàn)椋?）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，只要知道環(huán)剛度Sp的數(shù)值就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；

2）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；

3）生產(chǎn)廠只要保證環(huán)剛度達(dá)到要求，不必保證彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計(jì)算半徑ro都達(dá)到要求。而且環(huán)剛度在生產(chǎn)廠可以通過經(jīng)常檢測(cè)進(jìn)行控制。

需要注意的是環(huán)剛度是有明確定義的，是塑料埋地排水管設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，其測(cè)定的方法是由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）嚴(yán)格規(guī)定的。我們塑料埋地排水管發(fā)展很快，因?yàn)椴涣私猸h(huán)剛度的定義和標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)出現(xiàn)混淆和誤用的情況。

有的企業(yè)不按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003（等同ISO 9969:1994）測(cè)定（例如，不用平行平板而用兩V型板壓縮，或者在管側(cè)加限制。），但是把測(cè)出的數(shù)值稱為環(huán)剛度。用戶據(jù)此設(shè)計(jì)計(jì)算必然失誤。

有的地方把國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003（等同ISO 9969:1994）定義和測(cè)定的環(huán)剛度和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN16961定義和測(cè)定的‘環(huán)剛度（英文同樣用ring stiffness） ’、或者和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTMD2412的定義和測(cè)定的‘管剛度Pipe Stiffness’混淆。結(jié)果出現(xiàn)了雙壁波紋管環(huán)剛度達(dá)到幾十千帕的檢測(cè)報(bào)告。本文對(duì)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003（ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO 9969:1994）的環(huán)剛度（英文ring stiffness）和DIN標(biāo)準(zhǔn)的‘環(huán)剛度（英文同樣用ring stiffness）’，ASTM標(biāo)準(zhǔn)的‘管剛度Pipe Stiffness’之間的差別不再詳細(xì)說明，這里只是提醒務(wù)必注意不同國(guó)家的不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于管材抗外壓負(fù)載定義的剛度數(shù)值指標(biāo)有不同的定義和相應(yīng)不同的測(cè)定方法，在國(guó)內(nèi)必須統(tǒng)一按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 9647-2003規(guī)定的環(huán)剛度，在對(duì)外交流中則必須問清楚是按那個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的剛度數(shù)值。國(guó)際市場(chǎng)趨向統(tǒng)一，越來越多國(guó)家接受按ISO標(biāo)準(zhǔn)，ISO 9969:1994已經(jīng)被歐洲標(biāo)準(zhǔn)組織接受為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 9969:1995。

環(huán)剛度是塑料埋地排水管抗外壓負(fù)載能力的綜合參數(shù)，顯然，為了保證塑料埋地排水管在外壓負(fù)載下安全工作，環(huán)剛度的選擇是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵之一。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。

常常有用戶詢問能不能根據(jù)埋深等外壓負(fù)載情況用一個(gè)簡(jiǎn)單方法選擇環(huán)剛度，回答是不能。原因就是因?yàn)樗芰下竦嘏潘艹惺芡鈮贺?fù)載的機(jī)理是‘管土共同作用’，是管材承受負(fù)載的能力（環(huán)剛度）和管道周圍土壤（回填材料）承受負(fù)載的能力兩方面結(jié)合決定工程的成敗。所以環(huán)剛度的選擇不僅取決于外壓負(fù)載的情況還取決于鋪設(shè)后管道周圍土壤（回填材料）的情況（變形量公式中的數(shù)值Ed—管側(cè)土綜合彈性模量（kN/m），Ed又取決于回填材料的種類、壓實(shí)程度、槽側(cè)原狀土情況等）。

按我國(guó)的技術(shù)規(guī)程，環(huán)剛度的選擇是先初步選擇，然后進(jìn)行‘管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)’，進(jìn)行管道變形驗(yàn)算、強(qiáng)度計(jì)算、壓屈失穩(wěn)計(jì)算等。如果計(jì)算結(jié)果不滿足要求就增大環(huán)剛度重新計(jì)算，（或者減少后重新計(jì)算）。

在國(guó)外的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程中有以下方法可供參考：

歐洲標(biāo)準(zhǔn)草案prEN13476-3

無壓埋地排水排污用熱塑性塑料管系統(tǒng)--硬聚氯乙烯(PVC-U),聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的結(jié)構(gòu)壁管系統(tǒng)。2100433B

環(huán)剛度試驗(yàn)機(jī)測(cè)試原理在于管材在恒速變形時(shí)所測(cè)的力值和變形值來確定環(huán)剛度。常見的滲水排水管、排污管、灌溉管、輸送管、泥漿管、通訊保護(hù)管等都需進(jìn)行環(huán)剛度的檢測(cè)。

環(huán)剛度試驗(yàn)機(jī)用于具有環(huán)形橫截面的熱塑性塑料管材和玻璃鋼管環(huán)剛度的測(cè)定,滿足PE雙臂波紋管、纏繞管和各種管材標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以完成管材環(huán)剛度 、環(huán)柔度、扁平、焊縫拉伸等試驗(yàn)。具有按鍵調(diào)速、試驗(yàn)力位移數(shù)字顯示，具有峰值保持、破壞自動(dòng)停機(jī)、過流、過載自動(dòng)保護(hù)功能。