1  引言

玻璃鋼夾砂管道是近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)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(jī)地融合在一起，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)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(jí)替代產(chǎn)品，在國(guó)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(guó)內(nèi)玻璃鋼鋼夾砂管道產(chǎn)品產(chǎn)量和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，急需出臺(tái)適應(yīng)我國(guó)工程特點(diǎn)的工程建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)工作。為此中國(guó)工程標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于2006年3月1日正式發(fā)布實(shí)施了《給水排水工程埋地玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》CECS190:2005，對(duì)玻璃鋼夾砂管道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、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(jì)規(guī)程。

2  設(shè)計(jì)重點(diǎn)及問題

玻璃鋼夾砂管道的設(shè)計(jì)包括材料設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等過程，是一個(gè)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(jì)其公稱直徑、壓力等級(jí)、剛度等級(jí)等，而壓力等級(jí)和剛度等級(jí)的設(shè)計(jì)，則直接關(guān)系到管道工程的成敗，是必須重點(diǎn)分析設(shè)計(jì)的兩個(gè)指標(biāo)。

       在CECS190: 2005設(shè)計(jì)規(guī)程實(shí)施以前，國(guó)內(nèi)玻璃鋼夾砂管道生產(chǎn)制造企業(yè)在設(shè)計(jì)校核管道壓力等級(jí)和剛度等級(jí)時(shí)，主要依從產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂夾砂壓力管》JC/T838-1998附錄D提供的設(shè)計(jì)方法，或參照國(guó)外同類標(biāo)準(zhǔn)AWWAC950 M45手冊(cè)提供的計(jì)算方法執(zhí)行。

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

       在日常設(shè)計(jì)中，一般簡(jiǎn)單地取 作為玻璃鋼夾砂管道的壓力等級(jí)設(shè)計(jì)指標(biāo)，然后再用其他設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)校核其是否滿足工程實(shí)際需要。

       在 CECS190:2005設(shè)計(jì)規(guī)程中，壓力等級(jí)的確定過程則非常復(fù)雜，它采用了與我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50332-2002規(guī)定的概率設(shè)計(jì)方法一致的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行玻璃鋼夾砂管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(jí)，是我們?cè)谌粘ＴO(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)。
 

3 分析過程

        在CECS190:2005設(shè)計(jì)規(guī)程中，根據(jù)6.1.1強(qiáng)度組合計(jì)算公式：

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

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

(說(shuō)明：公式中各代號(hào)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(shuō)明：管材壓力等級(jí)表征管材最大允許工作壓力的級(jí)別，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法檢測(cè)所得的管材長(zhǎng)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(jí)。

      從上面的計(jì)算過程可以看出，并不能簡(jiǎn)單地將一些數(shù)據(jù)代入就可直接求取管材的壓力等級(jí)值，必須通過采用預(yù)設(shè)的壓力等級(jí)初值，設(shè)計(jì)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(yàn)證，…… 如此循環(huán)迭代直至滿足要求為止，計(jì)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(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管》GB/T21238-2007推出了結(jié)合CECS190設(shè)計(jì)規(guī)程的新版《纏繞管道FRPCAD for GB21238-2007》設(shè)計(jì)軟件，將上述復(fù)雜的計(jì)算過程利用先進(jìn)的軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)，解決了手工計(jì)算數(shù)據(jù)量龐大，難于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)管材壓力等級(jí)的問題。

4 軟件計(jì)算實(shí)例

     下面以國(guó)內(nèi)東北某實(shí)際項(xiàng)目為例說(shuō)明軟件的設(shè)計(jì)分析過程，工程基本設(shè)計(jì)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(jí)：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(zhǎng)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(diǎn)擊“根據(jù)工作壓力確定壓力等級(jí)”按鈕，彈出以下對(duì)話框。

       按要求輸入相應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，如“短期強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)”，“安裝設(shè)計(jì)參數(shù)”，“工作參數(shù)”等，確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤后，點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)”按鈕，軟件系統(tǒng)就可以開始進(jìn)行壓力等級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)算結(jié)束系統(tǒng)給出相應(yīng)的管道推薦壓力等級(jí)值為≥PN0.88MPa。

 當(dāng)長(zhǎng)期撓曲控制變形率按5%設(shè)計(jì)時(shí)，輸入相應(yīng)撓曲變形設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下圖示，并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，軟件系統(tǒng)推薦管材的壓力等級(jí)為≥PN1.37Mpa。

 針對(duì)本工程項(xiàng)目，我們綜合各方面因素考慮，最終選擇了第一個(gè)設(shè)計(jì)方案，即控制管材的安裝長(zhǎng)期撓曲變形率≤3.6%，管材的壓力等級(jí)按PN0.9MPa設(shè)計(jì)。然后依據(jù)此壓力等級(jí)值進(jìn)行管道的結(jié)構(gòu)分析和工藝鋪層設(shè)計(jì)。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(jià)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(jí)高（≥PN1.37MPa），則相應(yīng)地管道機(jī)械性能好，則可適當(dāng)降低安裝控制要求（長(zhǎng)期撓曲5%）；反之管道壓力等級(jí)合理取低（PN0.6Mpa），提高其后期安裝控制要求（長(zhǎng)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(jià)。

    （2）同時(shí)我們通過設(shè)計(jì)方案對(duì)比，如果管材制造企業(yè)有相應(yīng)管材的長(zhǎng)期性能數(shù)據(jù)，則相應(yīng)地其初始設(shè)計(jì)壓力等級(jí)可以適當(dāng)降低。比如上述工程項(xiàng)目，如果企業(yè)有管材的長(zhǎng)期性能數(shù)據(jù)，則其壓力等級(jí)可以降低到PN0.6Mpa，這樣管材材料成本費(fèi)用還可大幅降低10%以上。所以建議國(guó)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(shí)開展管材的長(zhǎng)期性能數(shù)據(jù)測(cè)試，對(duì)以后類似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和競(jìng)標(biāo)大有裨益。

    （3）新版《纏繞管道FRPCAD for GB21238-2007》設(shè)計(jì)軟件目前已廣泛應(yīng)用于國(guó)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(shí)踐和嚴(yán)格檢驗(yàn)，得到了廣大用戶和業(yè)主單位的一致好評(píng)。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(jià)，節(jié)約了大量的社會(huì)建設(shè)資金。

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