玻璃钢管道结构分析

玻璃钢管道结构分析
概述
20世纪40年代后期，首先在需要控制腐蚀的部门中，开始使用玻璃钢管道系统．事实证明，玻璃钢管道不仅能够满足生产需要，而且比传统材料制造的管道更具有耐久性，且寿命周期成本较低，因此这种管道开始被肯定而且逐步发展起来．
玻璃钢管道在工业应用中有众多的优点，这些优点一方面为用户提供了选择最佳管道系统的依据，同时也为玻璃钢管道制造业展示了广阔的市场．
这些优点包括：
（1）耐腐蚀性．
优良的耐腐蚀性能是玻璃钢管道的一个突出优点．通过选择合适牌号的合成树脂，并在管道的内壁层大幅度增加树脂的含量，就可以形成输送大部分腐蚀性介质的防腐蚀层(见表1．7．1)，又称为玻璃钢“内衬”．这种所谓“内衬。

不是附加的，而是玻璃钢管材料中不可分割的一部分．这与其它管道附加的内衬是不同的．同样，玻璃钢管的外表面也具有良好的耐腐蚀性能．
（2）耐久性．
由于玻璃钢管道具有优良的耐腐蚀性能和高强度的力学性能，因此其在许多应用中提供了比传统材料更长的经济寿命．
（3）维护简单．
金属管道必须设置阴极防腐系统，并要进行周期性的维护，此外，还必须经常地修理管道的内衬和涂层．而对于玻璃钢管道来说，这些维护措施根本不需要，从而使玻璃钢管的维护大为简化．
（4）重量轻
玻璃钢具有比钢材高得多的比强度，从而使玻璃钢管道的重量得到减轻，大约是传统材料重量的1／4—1／16．因此玻璃钢搬运方便，而且显著地降低了运输费用．（5）安装简便．
由于玻璃钢重量轻，因此玻璃钢管道的每段长度较长，对于玻璃钢缠绕管而言，管子长度不受技术上的限制，但出于运输上的考虑，管长一般在12至15m之间，这样，所需的接头大为减少，而且还可以采用手工或轻型安装设备，从而管道安装方便而迅速．（6）产品适用性强．
玻璃钢管道现有标准尺寸从直径2．5cm至400cm，长期耐医能力一般在16kgf／cm’以内，更高的压力可以达到64kgf／cm：以上．此外，还可根据用户的特殊需要，进行定做，甚至可以现场制造．
（7）较高的流通能力
玻璃钢管具有非常光滑的内表面，H·W系数高达150，因此比相同直径的传统材料有更高的流通能力，由于玻璃钢管在大多数情况下保持了原始的表面光洁度，因此其在保持高的流恿能力的同时，还节省了泵的能量，延长了工程寿命。

（8）透人—渗出率低．
由于良好的密封连接和较长的管长度，玻璃钢管具有比许多传统材料管更低的透人—渗出率．这样就大大减轻了地下水对管道的透人，也减轻了废料渗出对土壤和地下水的污染。

（9）具有严格的检验标准．
产品必须通过严格的检验才能交付使用，以确保产品质量．现在已有关于玻璃钢管道的严格检验标准，例如ASTM，AWW A，APl及ASME．
（10）寿命周期成本低．
由于玻璃钢管道省略了传统管道所需的内衬和涂层，因此其具有使用寿命较长，基本不用维护，安装及运输费用低等特点，因此，从总的经济效益来看，玻璃钢的寿命周期成本较低，
以上这些独特的优点已使得玻璃钢管在管道系统中占有了显著的地位．其在美国的管道系统应用中已超过了15万公里(截至1984年统计)．
目前玻璃钢管道正在被化学工业、电力工业等部门应用，如用于输送管网、探井管道、套管、油层注水、盐水处理、气体或液体管路的内衬、公用服务设施管道、循环水系统等．本章主要介绍地下玻璃钢管道和地上玻璃钢管道的结构分析．
地下玻璃钢管道是在土壤中铺设的，如附图l所示，它在受到管内液体内压的同时，还受到管外填土的外压等其它载荷。

地上玻璃钢管道是在地面以上架设的，如附图2所示．它在受到管内液体内压的同时，还受到两支承点间由于管道自重所引起的弯曲应力，以及由于温度差异引起的热应力等．
无论地下还是地上的玻璃钢管道，其管壁大致可以分为三层：
(1)防腐防渗内衬层．
此层又可分为内表面层和次内层．内表面层的树脂含量高达90g6以上，亦称为富树
脂层，可根据介质的不同来选择合适的树脂(参见表1．7．1)．内表面层的作用主要是防腐蚀防渗漏．次内层含有一定的短切纤维，但树脂含量仍高达70—80g6．其作用是作为防腐防渗的第二道防线，并当结构层产生裂纹时，次内层还起到保护内表面层的作用．内衬层的总厚度一般为1．5—2．5mm．
(2)结构层．
此层主要承受载荷，厚度由结构分析计算确定．其材料结构形式主要是增强纤维缠绕结构，树脂含量一般为25—50gS；．此外还有预浸胶织物布卷织结构、树脂砂浆夹层结构，以及加筋结构等形式．其中树脂砂浆夹层结构是用8—20目的石英砂(重量含量25g6左右)、连续玻璃纤维(重量含量9gS；左右)、短切玻璃纤维(重量含量约loy6)及聚酯树脂(重量含量约56gS)通过专门的设备加工而成．
(3)表面层．
其作用主要是保护结构层并防止大气老化，图5．1．1示出了管壁三层结构的示意图．
本章主要讨论管壁中的结构层．对于纤维缠绕，根据网格理
论，可以将结构层近似地视为均质正交各向异性．这一简化将贯
穿于本章的整个结构分析之中．
在进行结构分析时，并不限于考虑内衬层与表面层的承载能
力，换句话说，既可以考虑结构层的承载能力，也可以考虑管壁
三层结构的综合承载能力．
地下管载荷与土压分析
本节主要介绍地下管所承受的各种载荷及其组合，并对管周土压进行分析．
地下管载荷种类及其组合
地下埋设管所受的载荷一般有如下几种：管子的自重、管内流体的重量、管内流动的有压流体的静压力、由于管道内流速变化而产生的瞬时压力急剧升高或降低所引起的水锤压力、回填土重量引起的外压力、车辆的轮压力或地面堆置载荷、管道闭合约束的温度与运行介质的温差在管壁中引起的载荷、沿管线遇到土壤不均匀沉陷，以及由于施工开挖使地基产生不均匀沉陷而出现的力、管子在起吊及运输和安装过程中受到的力、管线转弯处由管内流体压力而产生的纵向力、管内出现真空时的负压力及地震作用力．
以上载荷在一定的管线铺设条件下，将产生某几种载荷的联合作用，这就是载荷组合作用．载荷组合一般分为如下两类：
（1）基本载荷组合，它由经常作用的载荷组成，包括：
1）正常运行情况：管道自重+管内流体重量+管内压力流的正常工作压力+填土的垂直和水平压力+车辆的轮压力或地面堆放载荷(取两者之大值)+温差载荷．这些载荷一般用于管截面强度计算，
2）施工复土结束后，管道未投入运行情况：管子自重+填土的垂直和水平压力十车辆的轮压力或地面堆放载荷(取两者之大值)+温差载荷．
这些载荷一般用于管子的刚度计算．
(2)附加载荷组合．
它由经常性作用的载荷与暂时性的载荷组成，包括：
1）运行中管内出现真空情况的载荷：管子自重+填土的垂直压力和侧向压力+车辆的轮压力或地面堆放载荷(取两者之大值)+管内真空负压力+温差载荷，这些载荷一般用于管子的弹性稳定性计算．
2）未复土的试验压力：管子自重+管内水重+管内试验水压力+温差载荷，这些载荷一般用于复土前所进行的管道系统的严密性水压试验．在以上所涉及的载荷组合中，有些载荷是起主要作用的，例如管刑填上外压、水内压等；而有些载荷是次要的，甚至可以忽略不计，例如玻璃钢管的自重．
管顶垂直静土压
管周静上压丸匙一种很复杂的载荷，包括管顶垂直静土压、管侧水平静土压与管基底部基础反力．它与埋设地基，回填土质、施工方案以及管的刚性等因素有关．而且，静上压不仅是作为管的一种外载荷，同时也是管道发生变形中的一种介质．。