管材環(huán)剛度和環(huán)柔度的區(qū)別
作者:科標(biāo)公司-張弛 來(lái)源:www.dsfp188.com 時(shí)間:2019-10-22 17:03:33 瀏覽次數(shù):
什么是環(huán)剛度?
埋地鋪設(shè)塑料管有兩類(lèi),一類(lèi)是內(nèi)部有壓力的,習(xí)慣稱(chēng)為‘壓力管道’,如輸送水管道或燃?xì)獾墓艿;一?lèi)是內(nèi)部是沒(méi)有壓力(或很低壓力)的,如:污水管道或雨水管;稱(chēng)為‘無(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(wú)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(chē)輛經(jīng)過(guò)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?/span>Flexible Pipe),在外壓負(fù)載下管材和周?chē)耐寥溃ɑ靥畈牧希┊a(chǎn)生‘管土共同作用’。換句話說(shuō),是管材和周?chē)寥溃ɑ靥畈牧希┕餐瑏?lái)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(méi)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(chēng)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?chē)寥澜Y(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(chēng)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(jiàn)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(guò)對(duì)管材的實(shí)際測(cè)量來(lái)獲得。通過(guò)對(duì)管材的實(shí)際測(cè)量來(lái)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 –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(lái)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(wèn)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(lái)表示塑料埋地排水管的抗外壓負(fù)載能力。因?yàn)椋?/span>1)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(guò)對(duì)管材的實(shí)際測(cè)量來(lái)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(guò)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(chēng)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 9647-2015(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 9647-2015(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(shuō)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 9647-2015規(guī)定的環(huán)剛度,在對(duì)外交流中則必須問(wèn)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(lái)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。
什么是環(huán)柔度
環(huán)柔度是基于GB/T 9647-2015中,8試驗(yàn)步驟內(nèi)注釋含義,規(guī)定下壓速度情況下,下壓管材平均外壁的30%,觀察管材有無(wú)損壞無(wú)反相彎曲。
環(huán)剛度和環(huán)柔度試驗(yàn)區(qū)別是什么
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),環(huán)剛度是在規(guī)定下壓速率情況下,下壓管材平均內(nèi)壁的3%變化值,套入公式計(jì)算出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而環(huán)柔度是規(guī)定下壓速度情況下,下壓管材平均外壁的30%。由此可見(jiàn),這兩個(gè)試驗(yàn)雖然試驗(yàn)步驟相似,但對(duì)于下壓行程的取值是不一樣的,環(huán)剛度是通過(guò)環(huán)剛度試驗(yàn)機(jī)中內(nèi)經(jīng)測(cè)量裝置,在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量?jī)?nèi)壁變化的3%,而環(huán)柔度是在試驗(yàn)前準(zhǔn)備中,就在環(huán)剛度試驗(yàn)機(jī)軟件中規(guī)定好了下壓的行程,也就是外壁的30%。