玻璃鋼管道結(jié)構(gòu)分析

1、玻璃鋼管道結(jié)構(gòu)分析概述20世紀(jì)40年代后期，首先在需要控制腐蝕的部門中，開始使用玻璃鋼管道系統(tǒng)事實(shí)證明，玻璃鋼管道不僅能夠滿足生產(chǎn)需要，而且比傳統(tǒng)材料制造的管道更具有耐久性，且壽命周期成本較低，因此這種管道開始被肯定而且逐步發(fā)展起來玻璃鋼管道在工業(yè)應(yīng)用中有眾多的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)一方面為用戶提供了選擇最佳管道系統(tǒng)的依據(jù)，同時(shí)也為玻璃鋼管道制造業(yè)展示了廣闊的市場這些優(yōu)點(diǎn)包括：（1） 耐腐蝕性 優(yōu)良的耐腐蝕性能是玻璃鋼管道的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)通過選擇合適牌號(hào)的合成樹脂，并在管道的內(nèi)壁層大幅度增加樹脂的含量，就可以形成輸送大部分腐蝕性介質(zhì)的防腐蝕層(見表171)，又稱為玻璃鋼“內(nèi)襯”這種所謂“內(nèi)襯。不是附加的

2、，而是玻璃鋼管材料中不可分割的一部分這與其它管道附加的內(nèi)襯是不同的同樣，玻璃鋼管的外表面也具有良好的耐腐蝕性能（2）耐久性 由于玻璃鋼管道具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和高強(qiáng)度的力學(xué)性能，因此其在許多應(yīng)用中提供了比傳統(tǒng)材料更長的經(jīng)濟(jì)壽命（3） 維護(hù)簡單 金屬管道必須設(shè)置陰極防腐系統(tǒng)，并要進(jìn)行周期性的維護(hù)，此外，還必須經(jīng)常地修理管道的內(nèi)襯和涂層而對于玻璃鋼管道來說，這些維護(hù)措施根本不需要，從而使玻璃鋼管的維護(hù)大為簡化（4）重量輕 玻璃鋼具有比鋼材高得多的比強(qiáng)度，從而使玻璃鋼管道的重量得到減輕，大約是傳統(tǒng)材料重量的14116因此玻璃鋼搬運(yùn)方便，而且顯著地降低了運(yùn)輸費(fèi)用（5） 安裝簡便 由于玻璃鋼重量輕，因此

3、玻璃鋼管道的每段長度較長，對于玻璃鋼纏繞管而言，管子長度不受技術(shù)上的限制，但出于運(yùn)輸上的考慮，管長一般在12至15m之間，這樣，所需的接頭大為減少，而且還可以采用手工或輕型安裝設(shè)備，從而管道安裝方便而迅速 （6）產(chǎn)品適用性強(qiáng) 玻璃鋼管道現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)尺寸從直徑25cm至400cm，長期耐醫(yī)能力一般在16kgfcm以內(nèi)，更高的壓力可以達(dá)到64kgfcm：以上此外，還可根據(jù)用戶的特殊需要，進(jìn)行定做，甚至可以現(xiàn)場制造（7） 較高的流通能力 玻璃鋼管具有非常光滑的內(nèi)表面，H·W系數(shù)高達(dá)150，因此比相同直徑的傳統(tǒng)材料有更高的流通能力，由于玻璃鋼管在大多數(shù)情況下保持了原始的表面光潔度，因此其在保持高

4、的流恿能力的同時(shí)，還節(jié)省了泵的能量，延長了工程壽命。（8）透人滲出率低 由于良好的密封連接和較長的管長度，玻璃鋼管具有比許多傳統(tǒng)材料管更低的透人滲出率這樣就大大減輕了地下水對管道的透人，也減輕了廢料滲出對土壤和地下水的污染。（9） 具有嚴(yán)格的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 產(chǎn)品必須通過嚴(yán)格的檢驗(yàn)才能交付使用，以確保產(chǎn)品質(zhì)量現(xiàn)在已有關(guān)于玻璃鋼管道的嚴(yán)格檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，例如ASTM，AWWA，APl及ASME （10）壽命周期成本低 由于玻璃鋼管道省略了傳統(tǒng)管道所需的內(nèi)襯和涂層，因此其具有使用壽命較長，基本不用維護(hù)，安裝及運(yùn)輸費(fèi)用低等特點(diǎn)，因此，從總的經(jīng)濟(jì)效益來看，玻璃鋼的壽命周期成本較低， 以上這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已使得玻璃鋼管

5、在管道系統(tǒng)中占有了顯著的地位其在美國的管道系統(tǒng)應(yīng)用中已超過了15萬公里(截至1984年統(tǒng)計(jì)) 目前玻璃鋼管道正在被化學(xué)工業(yè)、電力工業(yè)等部門應(yīng)用，如用于輸送管網(wǎng)、探井管道、套管、油層注水、鹽水處理、氣體或液體管路的內(nèi)襯、公用服務(wù)設(shè)施管道、循環(huán)水系統(tǒng)等 本章主要介紹地下玻璃鋼管道和地上玻璃鋼管道的結(jié)構(gòu)分析 地下玻璃鋼管道是在土壤中鋪設(shè)的，如附圖l所示，它在受到管內(nèi)液體內(nèi)壓的同時(shí)，還受到管外填土的外壓等其它載荷。地上玻璃鋼管道是在地面以上架設(shè)的，如附圖2所示它在受到管內(nèi)液體內(nèi)壓的同時(shí)，還受到兩支承點(diǎn)間由于管道自重所引起的彎曲應(yīng)力，以及由于溫度差異引起的熱應(yīng)力等 無論地下還是地上的玻璃鋼管道，其管壁大

6、致可以分為三層： (1)防腐防滲內(nèi)襯層 此層又可分為內(nèi)表面層和次內(nèi)層內(nèi)表面層的樹脂含量高達(dá)90g6以上，亦稱為富樹脂層，可根據(jù)介質(zhì)的不同來選擇合適的樹脂(參見表171)內(nèi)表面層的作用主要是防腐蝕防滲漏次內(nèi)層含有一定的短切纖維，但樹脂含量仍高達(dá)7080g6其作用是作為防腐防滲的第二道防線，并當(dāng)結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生裂紋時(shí)，次內(nèi)層還起到保護(hù)內(nèi)表面層的作用內(nèi)襯層的總厚度一般為1525mm (2)結(jié)構(gòu)層 此層主要承受載荷，厚度由結(jié)構(gòu)分析計(jì)算確定其材料結(jié)構(gòu)形式主要是增強(qiáng)纖維纏繞結(jié)構(gòu)，樹脂含量一般為2550gS；此外還有預(yù)浸膠織物布卷織結(jié)構(gòu)、樹脂砂漿夾層結(jié)構(gòu)，以及加筋結(jié)構(gòu)等形式其中樹脂砂漿夾層結(jié)構(gòu)是用820目的石英砂

7、(重量含量25g6左右)、連續(xù)玻璃纖維(重量含量9gS；左右)、短切玻璃纖維(重量含量約loy6)及聚酯樹脂(重量含量約56gS)通過專門的設(shè)備加工而成 (3)表面層 其作用主要是保護(hù)結(jié)構(gòu)層并防止大氣老化，圖511示出了管壁三層結(jié)構(gòu)的示意圖本章主要討論管壁中的結(jié)構(gòu)層對于纖維纏繞，根據(jù)網(wǎng)格理論，可以將結(jié)構(gòu)層近似地視為均質(zhì)正交各向異性這一簡化將貫穿于本章的整個(gè)結(jié)構(gòu)分析之中在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，并不限于考慮內(nèi)襯層與表面層的承載能力，換句話說，既可以考慮結(jié)構(gòu)層的承載能力，也可以考慮管壁三層結(jié)構(gòu)的綜合承載能力地下管載荷與土壓分析本節(jié)主要介紹地下管所承受的各種載荷及其組合，并對管周土壓進(jìn)行分析地下管載荷種類及

8、其組合地下埋設(shè)管所受的載荷一般有如下幾種：管子的自重、管內(nèi)流體的重量、管內(nèi)流動(dòng)的有壓流體的靜壓力、由于管道內(nèi)流速變化而產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力急劇升高或降低所引起的水錘壓力、回填土重量引起的外壓力、車輛的輪壓力或地面堆置載荷、管道閉合約束的溫度與運(yùn)行介質(zhì)的溫差在管壁中引起的載荷、沿管線遇到土壤不均勻沉陷，以及由于施工開挖使地基產(chǎn)生不均勻沉陷而出現(xiàn)的力、管子在起吊及運(yùn)輸和安裝過程中受到的力、管線轉(zhuǎn)彎處由管內(nèi)流體壓力而產(chǎn)生的縱向力、管內(nèi)出現(xiàn)真空時(shí)的負(fù)壓力及地震作用力以上載荷在一定的管線鋪設(shè)條件下，將產(chǎn)生某幾種載荷的聯(lián)合作用，這就是載荷組合作用載荷組合一般分為如下兩類：（1） 基本載荷組合，它由經(jīng)常作用的載荷

9、組成，包括：1）正常運(yùn)行情況：管道自重+管內(nèi)流體重量+管內(nèi)壓力流的正常工作壓力+填土的垂直和水平壓力+車輛的輪壓力或地面堆放載荷(取兩者之大值)+溫差載荷這些載荷一般用于管截面強(qiáng)度計(jì)算，2）施工復(fù)土結(jié)束后，管道未投入運(yùn)行情況：管子自重+填土的垂直和水平壓力十車輛的輪壓力或地面堆放載荷(取兩者之大值)+溫差載荷這些載荷一般用于管子的剛度計(jì)算(2) 附加載荷組合它由經(jīng)常性作用的載荷與暫時(shí)性的載荷組成，包括：1） 運(yùn)行中管內(nèi)出現(xiàn)真空情況的載荷：管子自重+填土的垂直壓力和側(cè)向壓力+車輛的輪壓力或地面堆放載荷(取兩者之大值)+管內(nèi)真空負(fù)壓力+溫差載荷，這些載荷一般用于管子的彈性穩(wěn)定性計(jì)算2） 未復(fù)土的試驗(yàn)壓力：管子自重+管內(nèi)水重+管內(nèi)試驗(yàn)水壓力+溫差載荷，這些載荷一般用于復(fù)土前所進(jìn)行的管道系統(tǒng)的嚴(yán)密性水壓試驗(yàn)在以上所涉及的載荷組合中，有些載荷是起主要作用的，例如管刑填上外