1  引言

玻璃鋼夾砂管道是近十幾年來國內(nèi)重點發(fā)展的新型管材產(chǎn)品之一，它充分地將各組成材料的性能有機地融合在一起，發(fā)揮各自的優(yōu)點，揚長避短，是傳統(tǒng)管材如混凝土管、鋼管、鑄鐵管等最有效的升級替代產(chǎn)品，在國內(nèi)城市給排水工程中得到了廣泛推廣和大量應(yīng)用。而隨著國內(nèi)玻璃鋼鋼夾砂管道產(chǎn)品產(chǎn)量和應(yīng)用范圍的擴大，急需出臺適應(yīng)我國工程特點的工程建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)工程設(shè)計工作。為此中國工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會于2006年3月1日正式發(fā)布實施了《給水排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》CECS190:2005，對玻璃鋼夾砂管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計、分析進(jìn)行了全面的規(guī)范指引，是各玻璃鋼夾砂管道生產(chǎn)制造企業(yè)必須遵循的設(shè)計規(guī)程。

2  設(shè)計重點及問題

玻璃鋼夾砂管道的設(shè)計包括材料設(shè)計、工藝設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計等過程，是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。但從工程角度出發(fā)則主要設(shè)計其公稱直徑、壓力等級、剛度等級等，而壓力等級和剛度等級的設(shè)計，則直接關(guān)系到管道工程的成敗，是必須重點分析設(shè)計的兩個指標(biāo)。

       在CECS190: 2005設(shè)計規(guī)程實施以前，國內(nèi)玻璃鋼夾砂管道生產(chǎn)制造企業(yè)在設(shè)計校核管道壓力等級和剛度等級時，主要依從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維纏繞增強熱固性樹脂夾砂壓力管》JC/T838-1998附錄D提供的設(shè)計方法，或參照國外同類標(biāo)準(zhǔn)AWWAC950 M45手冊提供的計算方法執(zhí)行。

       在JC/T838-1998標(biāo)準(zhǔn)中，壓力等級的確定過程如下：

       在日常設(shè)計中，一般簡單地取 作為玻璃鋼夾砂管道的壓力等級設(shè)計指標(biāo)，然后再用其他設(shè)計參數(shù)來校核其是否滿足工程實際需要。

       在 CECS190:2005設(shè)計規(guī)程中，壓力等級的確定過程則非常復(fù)雜，它采用了與我國國家標(biāo)準(zhǔn)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50332-2002規(guī)定的概率設(shè)計方法一致的極限狀態(tài)設(shè)計理論進(jìn)行玻璃鋼夾砂管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計。并綜合考慮了管道的自身性能及其安裝埋設(shè)狀態(tài)，充分優(yōu)化確定一合理的管道壓力等級，是我們在日常設(shè)計工作中的重點。
 

3 分析過程

        在CECS190:2005設(shè)計規(guī)程中，根據(jù)6.1.1強度組合計算公式：

    當(dāng)制造企業(yè)無相應(yīng)管材的長期性能數(shù)據(jù)時，上述公式可轉(zhuǎn)化為:

    當(dāng)制造企業(yè)有相應(yīng)管材的長期性能數(shù)據(jù)時，上述公式可轉(zhuǎn)化為:

(說明：公式中各代號的含義和取值詳見CECS190: 2005規(guī)程，此處不再贅述)

      結(jié)合規(guī)程2.1.6條文說明：管材壓力等級表征管材最大允許工作壓力的級別，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗方法檢測所得的管材長期靜水壓力或初始失效壓力，即上述公式中的 或 進(jìn)行確定。據(jù)此我們可以根據(jù)上述組合公式求解出管材的壓力等級。

      從上面的計算過程可以看出，并不能簡單地將一些數(shù)據(jù)代入就可直接求取管材的壓力等級值，必須通過采用預(yù)設(shè)的壓力等級初值，設(shè)計出相應(yīng)管材的性能參數(shù)，然后再代入上述組合公式進(jìn)行驗證，…… 如此循環(huán)迭代直至滿足要求為止，計算過程相當(dāng)繁瑣。為此石家莊開發(fā)區(qū)技源科技有限公司根據(jù)新頒布實施的國家標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維增強塑料夾砂管》GB/T21238-2007推出了結(jié)合CECS190設(shè)計規(guī)程的新版《纏繞管道FRPCAD for GB21238-2007》設(shè)計軟件，將上述復(fù)雜的計算過程利用先進(jìn)的軟件技術(shù)實現(xiàn)，解決了手工計算數(shù)據(jù)量龐大，難于準(zhǔn)確設(shè)計管材壓力等級的問題。

4 軟件計算實例

     下面以國內(nèi)東北某實際項目為例說明軟件的設(shè)計分析過程，工程基本設(shè)計數(shù)據(jù)如下：
     管道公稱直徑：DN1400mm；
     最大工作壓力：0.5Mpa；
     剛度等級：SN7500pa；
     覆土深度：2m，以砂類粘性土作為主要回填材料，回填土變形模量大于3Mpa；
     長期撓曲控制變形率：≤3.6%或5%；

     進(jìn)入“纏繞管道FRPCAD for GB21238-2007”軟件系統(tǒng)，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

    點擊“根據(jù)工作壓力確定壓力等級”按鈕，彈出以下對話框。

       按要求輸入相應(yīng)設(shè)計數(shù)據(jù)，如“短期強度設(shè)計參數(shù)”，“安裝設(shè)計參數(shù)”，“工作參數(shù)”等，確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤后，點擊“設(shè)計”按鈕，軟件系統(tǒng)就可以開始進(jìn)行壓力等級優(yōu)化設(shè)計。運算結(jié)束系統(tǒng)給出相應(yīng)的管道推薦壓力等級值為≥PN0.88MPa。

 當(dāng)長期撓曲控制變形率按5%設(shè)計時，輸入相應(yīng)撓曲變形設(shè)計數(shù)據(jù)如下圖示，并進(jìn)行設(shè)計計算，軟件系統(tǒng)推薦管材的壓力等級為≥PN1.37Mpa。

 針對本工程項目，我們綜合各方面因素考慮，最終選擇了第一個設(shè)計方案，即控制管材的安裝長期撓曲變形率≤3.6%，管材的壓力等級按PN0.9MPa設(shè)計。然后依據(jù)此壓力等級值進(jìn)行管道的結(jié)構(gòu)分析和工藝鋪層設(shè)計。如下圖示:

5 結(jié)論

       從上面的工程分析可以看出：

    （1）管道工程的成功與否以及綜合造價不僅與管材性能有關(guān)，還與后期的安裝回填控制要求密切相關(guān)。管道壓力等級高（≥PN1.37MPa），則相應(yīng)地管道機械性能好，則可適當(dāng)降低安裝控制要求（長期撓曲5%）；反之管道壓力等級合理取低（PN0.6Mpa），提高其后期安裝控制要求（長期撓曲3.6%），同樣可以達(dá)到滿足工程需要的目的，并可有效地降低工程的綜合造價。

    （2）同時我們通過設(shè)計方案對比，如果管材制造企業(yè)有相應(yīng)管材的長期性能數(shù)據(jù)，則相應(yīng)地其初始設(shè)計壓力等級可以適當(dāng)降低。比如上述工程項目，如果企業(yè)有管材的長期性能數(shù)據(jù)，則其壓力等級可以降低到PN0.6Mpa，這樣管材材料成本費用還可大幅降低10%以上。所以建議國內(nèi)各專業(yè)的玻璃鋼夾砂管道生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)在條件許可時開展管材的長期性能數(shù)據(jù)測試，對以后類似工程項目的設(shè)計和競標(biāo)大有裨益。

    （3）新版《纏繞管道FRPCAD for GB21238-2007》設(shè)計軟件目前已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)眾多玻璃鋼夾砂管道制造企業(yè)，并經(jīng)過了大量的工程實踐和嚴(yán)格檢驗，得到了廣大用戶和業(yè)主單位的一致好評。該軟件既有效地提高了制造企業(yè)工程技術(shù)人員的效率，又合理有效地幫助業(yè)主和建設(shè)單位降低了工程造價，節(jié)約了大量的社會建設(shè)資金。

參考文獻(xiàn)：
1 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《給水排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》CECS190:2005；
2 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維增強塑料夾砂管》GB/T21238-2007；
3 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《埋地給水排水玻璃纖維增強熱固性樹脂夾砂管管道工程施工及驗收規(guī)程》CECS129:2001；