玻璃纤维增强塑料夹砂管的环刚度分析

念， 并 且 有时 还 将 管 刚度 与环 刚度 等 同来 使 用 。但
实 际上 管刚度 与 环刚度 是 不 同的 ， 管 刚 度 的定 义 为 ： 线 载荷 除 以相应 的管 径变 化量 所得 的值 ， 即有 ：
Ｐ Ｓ＝ Ｆ （ ３ ）
其中 ， 为管 刚度 ， Ｎ ／ ｍ 。
Ｓ Ｎ ． ｓ （ ５ ）
具 体检 测 时 ， 在 实 际 玻 璃 纤 维 增 强 塑 料 夹砂 管 上 截取 一定 宽度 的管 环 ， 具 体宽 度 与管 道直 径 有关 ，
ｓ＝ Ｅ １ （ １ ）
其 中， Ａ ｙ为 管径 变 化 量 ， ｍ； Ｆ为 与 管 径 变 化 量 相 对应 的线 载 荷 ， Ｎ ／ ｍ。
式（ ２ ） 就是环 刚度与外载荷 、 径 向 变 形 之 间 的
具体 关 系式 。 由该 式可 见 ， 管道 的环 刚度 越 大 ， 在 同 等外 荷 载条件 下 管 道 的径 向变 形 就越 小 ， 这 就 是 环
１ 环 刚度 相 关 概 念
１ ． １ 环 刚度
Ａ ｙ＝０ ． ０ １ ８ ６ Ｆ
（ ２ ）
环 刚度 （ Ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ） 是 衡量 管 环 在 外 载 荷 作 用 下抗径 向变形 能 力 的一 个 重 要 性 能参 数 ， 环 刚 度
的基本 定义 式 为¨ Ｊ ：
管刚度是从试验的角度定 义的 ， 是管道产生单
图 １ 径 向受 压 管 环 模 型
位 径 向变形 时所 需 要 的外 载 荷 大 小 ， 也 反 应 了管 环 抗 径 向变 形 的能力 。由式 （ ２ ） 和式 （ ３ ） 可见 ， 管 刚度 和环 刚度 之 间相差 一个 系数 ， 具有 以下关 系 ：
摘要 ：通过对玻璃 纤维增 强塑料 夹砂 管的环刚度、 管刚度 、 刚度等级概念进行 分析 ， 明确 了环 刚度 的内涵是管道在 外载作 用下抵抗 变形的一种能 力 ， 管刚度与环 刚度并 不是 同一个概念 ， 而刚度等 级是管材 初始特 定环刚度 的级 别。由环刚度 的相 关 概念分析 了环 刚度设计 与测试的基本方法 ， 并根 据设 计规范的要求对 实际工程 中所需要 的刚度 等级从 变形和稳定性 两个 方面 进行 了分析 ， 得 到 了确定刚度等级 的基本原 则和 方法及其与埋设条件之 间的 关 系。对正确理解玻璃纤维增强塑料 夹砂 管的环
刚度 以及环 刚度 的设计、 测试及选择都 具有一定的参考意 义。
关键词 ：玻璃纤维增强塑料 夹砂 管；环 刚度 ；管刚度 ；刚度等级 ；综合 变形模量 中图分类号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文献标 识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ３— ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６— ０ ０ ３ ６— ０ ４
１ ． ３ 刚度等 级
刚度 等 级 （ Ｎ ｏ ｍｉ ｎ ａ ｌ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ） 是 管 材 初始 特 定 环 刚度 的级 别 ， 一 般 分 为 四个 等 级 ： １ ２ ５ ０ 、 ２ ５ ０ ０ 、 ５ ０ ０ ０ 、 １ ０ ０ ０ ０ ， 单位 与 环 刚度 、 管 刚度一 样 都 是 Ｎ ／ ｍ 。 刚度 等级 是确 定 管 道规 格 的 一个 基 本 参 数 ， 代 表 的 是 一 种特 定类 别 管道 。对 于 某一 特定 刚度 等 级 的玻 璃 纤 维增 强 塑料 夹砂 管 而 言 ， 其 环 刚 度值 应 不 小 于 其 刚 度 等级值 ， 即有 ：
Ｓ ＝０ ． ０ １ ８ ６ Ｐ Ｓ （ ４ ）
式（ １ ） 是 从 材 料 和结 构 上 来 定 义 环 刚 度 的 ， 综
合考虑 了管道直径 、 管壁厚度以及管壁材料组成等
因素 ， 但该定义式无法直观得到环刚度与外载荷 、 径
向变形之间的具体关 系。为此 ， 考虑一段径 向受压
的管环 ， 力学 模 型如 图 １ 所示 ， 在小 变 形下 通 过 理论
３ ６
玻 璃 纤 维 增 强 塑 料 夹砂 管 的环 刚度 分析
２ ０ １ ３年 ９月
玻 璃 纤 维增 强 塑 料 夹砂 管 的环 刚 度分 析
杨 建 明 ， 陈建 中
（ １ ． 塔 城地区白杨河 引水工程 建设管 理局 ，新疆 ８ ３ ４ ７ ０ ０ ； ２ ． 武汉理工大学 ，武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ０ ）
蜩
２ ０ １ ３年 第 ６期
玻 璃 钢 ／复 合 材 料
３ ７
一
般 采用 的Baidu Nhomakorabea环 刚度 的概念 ’ 。 Ｊ ， 要 注 意加 以 区分 。
实 际测 试 一 般 是 在 ３ ％ 的 径 向 变 形 率 下 进 行
的， 由式 （ ６ ） 可得 此 时环 刚度 的计 算 式为 ： ５ ＝０ ． 。 ｌ ９ ３ ５ Ｆ （ ７ ）
刚度 的真正 内涵 。管 道 的环 刚度 决 定 了管 道在 外 荷 载作用 下抗 变形 的能力 。 １ ． ２ 管 刚度 行业 内有 时也 用 到管 刚度 （ Ｐ ｉ ｐ ｅ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ） 的概
其中， ｓ为 环 刚 度 ， Ｎ ／ ｍ ； Ｅ为 管 道 表 观 环 向 弯 曲弹性模 量 ， Ｎ ／ ｍ ； ， 为轴 向单 位 长度 管 壁 的环 弯 曲 惯 性矩 ， ｍ ４ ／ ｍ， ， ：ｔ ３ ／ １ ２； ｔ 为 管壁 总厚 度 ， ｍ； Ｄ为 管 道 计算 直径 ， ｎ ｑ 。
分 析可 以得 到 以下公 式 ：
因此 ， 虽然管 刚度和环刚度都可 以用来衡量管 道在外载荷作用下抗 变形 的能力 ， 但是两者在数值
上是 完全 不一 样 的 ， 不 能等 同使 用 。 在 美 国相 关 标 准 中一般 采 用管 刚度 概念 ］ ， 而在 Ｉ Ｓ Ｏ相关 标准 中
收稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ ４ － ０ ９ 作者简介 ：杨建明 （ １ ９ ６ ４ ． ） ，男 ，高级工程师 ，主要从 事水利水电工程规划设 计及 建设管 理。