如何遵循CECS190规程设计玻璃钢夹砂管道

1  引言

玻璃钢夹砂管道是近十几年来国内重点发展的新型管材产品之一，它充分地将各组成材料的性能有机地融合在一起，发挥各自的优点，扬长避短，是传统管材如混凝土管、钢管、铸铁管等最有效的升级替代产品，在国内城市给排水工程中得到了广泛推广和大量应用。而随着国内玻璃钢钢夹砂管道产品产量和应用范围的扩大，急需出台适应我国工程特点的工程建设技术标准，以指导工程设计工作。为此中国工程标准化协会于2006年3月1日正式发布实施了《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》CECS190:2005，对玻璃钢夹砂管道结构的设计、分析进行了全面的规范指引，是各玻璃钢夹砂管道生产制造企业必须遵循的设计规程。

2  设计重点及问题

玻璃钢夹砂管道的设计包括材料设计、工艺设计、结构设计和产品设计等过程，是一个非常复杂的系统工程。但从工程角度出发则主要设计其公称直径、压力等级、刚度等级等，而压力等级和刚度等级的设计，则直接关系到管道工程的成败，是必须重点分析设计的两个指标。

       在CECS190: 2005设计规程实施以前，国内玻璃钢夹砂管道生产制造企业在设计校核管道压力等级和刚度等级时，主要依从产品标准《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》JC/T838-1998附录D提供的设计方法，或参照国外同类标准AWWAC950 M45手册提供的计算方法执行。

       在JC/T838-1998标准中，压力等级的确定过程如下：

       在日常设计中，一般简单地取 作为玻璃钢夹砂管道的压力等级设计指标，然后再用其他设计参数来校核其是否满足工程实际需要。

       在 CECS190:2005设计规程中，压力等级的确定过程则非常复杂，它采用了与我国国家标准《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332-2002规定的概率设计方法一致的极限状态设计理论进行玻璃钢夹砂管道的结构设计。并综合考虑了管道的自身性能及其安装埋设状态，充分优化确定一合理的管道压力等级，是我们在日常设计工作中的重点。
 

3 分析过程

        在CECS190:2005设计规程中，根据6.1.1强度组合计算公式：

    当制造企业无相应管材的长期性能数据时，上述公式可转化为:

    当制造企业有相应管材的长期性能数据时，上述公式可转化为:

(说明：公式中各代号的含义和取值详见CECS190: 2005规程，此处不再赘述)

      结合规程2.1.6条文说明：管材压力等级表征管材最大允许工作压力的级别，应根据标准试验方法检测所得的管材长期静水压力或初始失效压力，即上述公式中的 或 进行确定。据此我们可以根据上述组合公式求解出管材的压力等级。

      从上面的计算过程可以看出，并不能简单地将一些数据代入就可直接求取管材的压力等级值，必须通过采用预设的压力等级初值，设计出相应管材的性能参数，然后再代入上述组合公式进行验证，…… 如此循环迭代直至满足要求为止，计算过程相当繁琐。为此石家庄开发区技源科技有限公司根据新颁布实施的国家标准《玻璃纤维增强塑料夹砂管》GB/T21238-2007推出了结合CECS190设计规程的新版《缠绕管道FRPCAD for GB21238-2007》设计软件，将上述复杂的计算过程利用先进的软件技术实现，解决了手工计算数据量庞大，难于准确设计管材压力等级的问题。

4 软件计算实例

     下面以国内东北某实际项目为例说明软件的设计分析过程，工程基本设计数据如下：
     管道公称直径：DN1400mm；
     最大工作压力：0.5Mpa；
     刚度等级：SN7500pa；
     覆土深度：2m，以砂类粘性土作为主要回填材料，回填土变形模量大于3Mpa；
     长期挠曲控制变形率：≤3.6%或5%；

     进入“缠绕管道FRPCAD for GB21238-2007”软件系统，输入相应的数据。

    点击“根据工作压力确定压力等级”按钮，弹出以下对话框。

       按要求输入相应设计数据，如“短期强度设计参数”，“安装设计参数”，“工作参数”等，确认数据无误后，点击“设计”按钮，软件系统就可以开始进行压力等级优化设计。运算结束系统给出相应的管道推荐压力等级值为≥PN0.88MPa。

 当长期挠曲控制变形率按5%设计时，输入相应挠曲变形设计数据如下图示，并进行设计计算，软件系统推荐管材的压力等级为≥PN1.37Mpa。

 针对本工程项目，我们综合各方面因素考虑，最终选择了第一个设计方案，即控制管材的安装长期挠曲变形率≤3.6%，管材的压力等级按PN0.9MPa设计。然后依据此压力等级值进行管道的结构分析和工艺铺层设计。如下图示:

5 结论

       从上面的工程分析可以看出：

    （1）管道工程的成功与否以及综合造价不仅与管材性能有关，还与后期的安装回填控制要求密切相关。管道压力等级高（≥PN1.37MPa），则相应地管道机械性能好，则可适当降低安装控制要求（长期挠曲5%）；反之管道压力等级合理取低（PN0.6Mpa），提高其后期安装控制要求（长期挠曲3.6%），同样可以达到满足工程需要的目的，并可有效地降低工程的综合造价。

    （2）同时我们通过设计方案对比，如果管材制造企业有相应管材的长期性能数据，则相应地其初始设计压力等级可以适当降低。比如上述工程项目，如果企业有管材的长期性能数据，则其压力等级可以降低到PN0.6Mpa，这样管材材料成本费用还可大幅降低10%以上。所以建议国内各专业的玻璃钢夹砂管道生产企业，应在条件许可时开展管材的长期性能数据测试，对以后类似工程项目的设计和竞标大有裨益。

    （3）新版《缠绕管道FRPCAD for GB21238-2007》设计软件目前已广泛应用于国内众多玻璃钢夹砂管道制造企业，并经过了大量的工程实践和严格检验，得到了广大用户和业主单位的一致好评。该软件既有效地提高了制造企业工程技术人员的效率，又合理有效地帮助业主和建设单位降低了工程造价，节约了大量的社会建设资金。

参考文献：
1 中国工程建设标准化协会标准《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》CECS190:2005；
2 中华人民共和国国家标准《玻璃纤维增强塑料夹砂管》GB/T21238-2007；
3 中国工程建设标准化协会标准《埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程》CECS129:2001；