DN3100玻璃钢夹砂压力管道设计书.docx

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DN3100玻璃钢夹砂压力管道设计书

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第1章设计条件与设计参数分析

§1.1设计条件

根据新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局和新疆水利水电勘测设计研究院提供的设计条件，该工程使用两根玻璃钢夹砂管采用单管单沟沟埋式，单管全长5.345km,径为φ3100mm，最大静水压力为0.46MPa,采用玻璃钢夹砂管道。

双管设计流量为30.5m3/s，加大流量为35m3/s。

1.1.1地质主要参数

小洼槽位于顶山隧洞南侧，呈NWW向分布，总长约50km，宽3-8km，倒虹吸穿越宽5.2km。

总地势由南东向北西倾斜，倒虹吸通过处，洼地两岸高程579m，沟底高程549m，相对高差30m，洼地发育几条宽5-7m,深1-5m的冲沟，沟有洪水流过的痕迹。

洼槽沟底地形平坦开阔，南岸斜坡段地形坡度5-15度，沟底发育有冲沟，冲沟与倒虹吸管近于正交，施工期有洪水的影响。

该沟底普遍分布第四系冲洪积砂壤土，结构疏松，厚度在1.0-1.5m；下伏基岩为第三系中新统砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩互层，半胶结，砂岩遇水软化，泥岩遇水膨胀，失水干缩。

该段强分化层厚3-5m,弱分化层厚5-7m.其干密度：

1.66g/cm3；抗压强度为：

（干）0.93MPa；（天然）0.14MPa；抗剪强度（天然）：

C＝85Kpa，φ=29°30′;砂质泥岩的膨胀量为16%，膨胀力为17.6KPa，属于中强膨胀岩；洼漕沟底分布有潜水，地下水位埋深：

17.85米；地下水中含有硫酸根离子，含量417mg／L，对普通混凝土具有硫酸盐中等腐蚀性。

1.1.2本工程玻璃钢管道定义：

缠绕增强热固性树脂加砂压力管

公称直径DN3100（径）

工作压力0.46MPa

刚度SN7500

管道单根长度12m

1.1.3玻璃钢夹砂管道设计条件

1管道尺寸要求

管道公称直径：

DN3100

管道长度：

12000mm（有效长度）

2管道工作要求

连接方式：

承插双“0”形密封圈连接

工作压力Pw：

PN0.46MPa

波动压力PS：

0.4PW=0.184MPa

管道真空压力PV：

0.1MPa

管道工作温度及围：

输水期为4－10月共7个月，气温围为5℃－40℃，平均使用气温25℃。

（当地全年气温情况参见气象资料）

输送介质：

淡水原水

埋设深度：

最大覆土深度4m，最小覆度深度2m（按不利组合考虑）。

地下水位：

埋深17m以下。

地表荷载PL：

按汽20级汽车及挂100车辆考虑。

临时堆土荷载：

考虑施工临时堆土荷载，取10000Pa，对临时堆土荷载和地表动荷载，收两者中之大者进行设计。

最大允许长期垂直桡曲变形量：

3%

地震烈度：

6度

管沟槽填筑及回填：

参见技术条款第4章，填筑及同填材料颗粒组成及物理力学指标根据地质资料确定，参见附件地质C28、C30号料场资料。

管道刚度等级：

7500N/m2

接头刚度：

≥25000N/m2，承口和插口刚度应一致

强度安全系数：

6

管沟槽回填：

管基铺设300mm的砂砾石垫层，砂砾石垫层填筑容重1.9t／m3

管腔填筑（指管底到管顶以上300mm）：

采用当地的风化砂岩，其填筑容重为

1.67t／m3

管顶以上回填：

采用当地的材料回填，其填筑容重为1.6～1.75t／m3

回填颗粒组成及物理力学指标详见提供的地质资料

§1.2设计参数

1.2.1基本设计参数

依据新疆额尔齐斯河流域开发管理局、新疆水利水电勘测设计研究院提供的小洼槽倒虹吸工程玻璃钢夹砂压力管设计条件和设计技术要求，首先可确定如下基本设计参数：

管道直径D：

3100mm；

覆土深度H：

最大覆土厚度4米；最小覆土深度2米；

地下水位标高Hw：

不计；

最大允许长期垂直挠曲变形量：

=3%；

强度安全系数K：

6

稳定安全系数Kb:

>2.5

1.2.2土壤参数分析

玻璃钢夹砂管道埋入地下后，将与土壤相互作用。

特别是玻璃钢夹砂管道的变形、弯曲应力、稳定性，均受到土壤地质状况、埋设施工质量的重要影响。

地下埋设玻璃钢夹砂管道刚度与稳定性的分析是建立以管-土相互作用体系为计算理论模型的。

因此，依据所提供的地质状况、以及施工质量的合理估计，正确选取合理的土壤参数，是本设计的关键问题之一。

1、原土土组确定

依据提供的《顶山-吉拉沟明渠段填方料场物理力学指标汇总表》及《顶山-

吉拉沟明渠段填方料场平均颗粒组成表》分析，小洼槽段（C28料场）土组颗粒组成为：

粒径≥0.075mm的土颗粒（即粗粒土）含量约占79％，＜0.075mm的细粒上含量约为21％（根据C10、C12、C14、C15料场的0.05－0.5mm的颗粒组成，按其中0.075－0.5mm与0.05－0.075mm的最小比例及分析C28料场中有＜0.05mm的颗粒，可以计算推出），根据国标GBJ145－90土壤分类标准进行分类，该类土为粗粒土，属SM，SC或SM－SC之间的粉粒砂或粘粒砂，细粒土含量大于15％。

根据提供的土壤物理力学指标分析，可以确定出其原土反作用模量E′a值为20.7MPa。

分析如下：

上述土组在天然状态下的干密度为（1.68－1.77/1.72）g/cm3，而在击实状态下的最大干密度为（1.73-1.92/1.82）g／cm3，由此可以计算出其标准葡氏密度平均值为94.5％，最低值为87.5％，根据中华人民国建材行业标准《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》（JC／T838－1998）中表D－8施工现场原土土壤进行分类，该土组属状态描述为轻微压实或压实类，为安全计取轻微压实状态，故取原土反作用模量E′a值为20.7MPa。

2、回填土土组确定

按设计要求管沟胸腔回填时施工夯填土壤干容重达到1.67/m3，而在击实状态下的最大干密度为（1.73-1.92/1.82）g/cm3,由此可以计算出其标准葡氏密度平均值为91.7％，最低值为87％，根据JC/T838-1998标准中表D-7管区回填土的土壤反作用模量Eb值为6.9MPa。

由于土壤中细粒土含量无法准确确定，故为安全计取标准值的70％，Eb取4.83Mpa。

3、其它土壤参数确定

1）土壤反作用组合模量

土壤反作用组合模量值的确定与管道起拱线处沟槽宽度、原土回填土及作用模量有关，计算过程如下：

管道起拱线处沟槽宽度Bd：

依据建设管理局提供的设计技术要求附图可计算得：

Bd＝5.2＋（1.85+0.3）×2×0.5＝7.35m

则有

而

依据JC／T838－1998标准中表D－5土壤支撑组合系数，选取Sc=1.40，通过下式可计算得土壤反作用组合模量

E’＝S

cE’b＝1.4×4.83＝6.762MPa

2）管顶覆土容重

根据建设管理局提供的设计技术要求，管顶填筑干容重为1.6－1.75t/m3，含水率为3.68-4.77％，按最不利计算考虑，则有管顶覆土容重γ＝1.80t/m3。

3）基床系数

基床系数Kx反映管底部土壤提供的支撑情况，其上分布着管床的反作用。

考虑一种不利情形，选用标准的直接埋设玻璃钢夹砂管道条件，依据《JC/T838-1998》标准，取Kx=0.1。

4）形状系数

形状系数与玻璃钢夹砂管道挠曲产生的弯曲应力或应变有关，是管体刚度、管区回

填材料、压实程度、管下三角支撑条件、原土壤条件和挠曲程度的函数。

依据《JC／T838－1998》标准表D-1管区回填材料和压实程度，现分析如下：

由于标准葡氏密度平均值为91.7％，最低值为87％，依据插值方法:

（Df-4.5）（7500-5000）=（Df-5.5）（7500-10000）

可以推算得得形状系数Df=5.0。

5）挠曲滞后系数

挠曲滞后系数的作用是考虑管道变形的蠕变效应。

即一定的载荷作用时，变形随时间的增加变化。

长期（50年）挠曲值相对于初始挠曲值要大，因此在推算管道长期挠曲预测计算时，依据《JC/T838-1998》标准，取DL=1.5。

1.2.3设计载荷

设计载荷的组成因素为：

压、负压、管垂直静土压载荷、地面车辆活载荷、堆土载荷、。

同时还必须将这些载荷因素进行组合，以确定最不利载荷作为设计外载荷。

1、压

取最大工作水压力为设计压力，即Pw=0.46MPa;

压力等级取：

Pc=0.46MPa；

波动压力Ps=0.184MPa；

2、负压

真空负压Pυ：

0.1MPa；

3、垂直静土压

垂直静土压主要指管道垂直正上方土体的重量载荷，即：

qc＝γgH

表1静土压力

H（m）

2

3

4

qc

35280

52920

70560

4、管顶车辆活载荷

1）汽-20级车载荷

根据中华人民国行业标准《公路工程技术标准JTJ001-97》，汽-20级分为200kN和300kN两种，取汽-20-300kN。

其后轴压力为：

2×120KN，表示有两个后轴、4个后车轮，共计240kN的压力。

后轮着地宽度为0.6m*0.2m，两后轴净中心间距1.4m，后轮中心间距1.8m。

此外考虑两辆车之间的中心间距1.3m。

依据中华人民国国家标准《给水排水工程结构设计规》,由于此管径较大，考虑两辆汽-20车共同作用下的情形，其计算公式为：

车辆荷载的动力系数μd=1.0

两根后轴同时作用的轮压数n=4个

一辆车的后轴数n1=2根

并排汽车数n2=1或2

单轮载P=60000N

自地面至计算深度的距离Z=Hcm

车轮与地面的接触宽度b=0.60m

相邻两个轮压间的中心间距d1=1.80m

两车之间相邻两个轮压间的中心间距d2=1.2m

车轮与地面的接触长度a=0.20m

相邻两后轴轮压间的中心间距d1=1.4m

表2：

仅考虑一辆车

H（m）

2

3

4

qL（N）

10490

6270

4167

表3：

考虑两辆车作用

H（m）

2

3

4

qL（N）

11782

7722

5486

2）挂-100车载荷

根据中华人民国行业标准《公路工程技术标准JTJ001-97》，挂-100平板挂车后轴（双轴）压力为500KN，表示有两个后轴、8个后车轮，共计500kN的压力。

后轮着地宽度为0.5m*0.2m，两后轴中心间距1.2m，后轮中心间距0.9米。

将下列参数代入上述计算公式：

车辆荷载的动力系数μd=1.0

两根后轴同时作用的轮压数n=8个

一辆车的后轴数n1=2根

轮载P=62500N

自地面至计算深度的距离Z=Hcm

车轮与地面的接触宽度b=0.50m

相邻两个轮压间的中心间距d1=0.90m

车轮与地面的接触长度a=0.20m

相邻两后轴轮压间的中心间距d1=1.2m

计算结果见表4.

表4挂-100车载荷

H（m）

2

3

4

qL（N）

19841

12065

8117

5、临时堆土载荷

根据建设管理局提供的设计技术要求，qu=10000Pa

6、组合不利载荷确定

1）考虑由外载荷静土压、汽车载荷或临时堆土载荷进行组合的外载荷：

表5组合的外载荷

H（m）

2

3

4

静土压qc（N）

35280

52920

70560

汽车载荷qL（N）

19841

12065

8117

临时堆土qu（N）

10000

10000

10000

qc+qL（N）

55121

64985

78677

qc+qu（N）

45280

62920

80560

表5中的组合载荷中最不利载荷是80560Pa;

在进行刚度分析时的最不利的载荷是：

80.560kPa;

2）稳定性计算的不利载荷

在进行稳定性计算时，应考虑静土压力和真空负压或汽车载荷的组合

（qc+qL）max=78677Pa

（qc+qv）max=170560Pa

第2章玻璃钢夹砂管的材料设计及材料性能参数

2.1玻璃钢夹砂管道材料的强度与刚度设计参数

根据发包方所提供的技术条款，对于玻璃钢夹砂管道，有两个最关键的有关材料设计的参数，即：

管道强度与管道刚度参数。

2.1.1最低强度设计参数

根据设计条件，管道的压力等级为0.46MPa，依据《JC/T838-1998》标准，则其管壁最低环向抗拉强度为：

Fhb=

/m

采用插值法,其最低轴向抗拉强度约为：

FLb=515kN/m

因此，按照上述分析，DN3100玻璃钢夹砂管道管壁的材料强度性能应该至少满足上述要求。

2.1.2刚度设计参数

管道刚度等级：

7500N/m2

接头刚度：

≥25000N/m2，

承口和插口刚度应一致

2.2玻璃钢夹砂管道材料设计方法简介

我公司的玻璃钢夹砂管道材料设计的主要方法是：

通过引进国外先进的计算机数值模拟设计系统，依据本公司的生产技术装备、工艺、以及所采用的原材料，在计算机上进行铺层设计并进行模拟生产（建模），并对模拟的玻璃钢夹砂管道产品在计算机上，按照国家有关玻璃钢夹砂管道强度和刚度实验规，在计算机上进行模拟实验；根据模拟实验结构结果，对计算机铺层设计、工艺参数等进行修正；循环以上过程，以获得优化的理论设计结果；然后进行样管生产并进行实验，依据实验结果对设计和工艺进行局部调整。

玻璃钢夹砂管道材料主要设计过程见图1。

玻璃钢夹砂管道材料主要设计过程程序框图

图1设计方法程序框图

2.3原材料选择及性能

2.3.1增强材料：

玻璃纤维表面毡：

无碱，面积质量30g/m2

玻璃纤维短切原丝毡：

无碱，面积质量300g/m2

针织毡：

无碱，面积质量450g/m2

缠绕纱：

无碱玻璃纤维直接无捻粗纱，4800TEX，2400TEX

石英砂：

化学成分

SiO2》95%；CaCO3<0.5%；Fe2O3<0.06%；含水量<0.2%；粒径20目—80目；

2.3.2结构层树脂

采用邻苯型不饱和聚酯树脂。

粘度（25℃）：

300—400Cps

树脂浇铸体力学性能

拉伸强度≥60MPa

拉伸弹性模量≥3.0GPa

断裂延伸率1.8%—2.2%

巴氏硬度≥40

2.3.3衬树脂

采用间苯型食品级不饱和聚酯树脂。

粘度（25℃）：

400—500Cps

树脂浇铸体力学性能

拉伸强度≥60MPa

拉伸弹性模量≥2.5GPa

断裂延伸率3.6%

巴氏硬度≥40

2.3.4外保护树脂

邻苯型不饱和聚酯树脂，其性能要求与结构树脂相同

以上原材料从具有很强的技术力量和加工设备、有良好的工程业绩和良好的社会信誉的大型厂家订购。

本公司选定原材料供应厂家如下：

（1）供应无碱玻璃纤维表面毡的厂家；

玻璃纤维制品厂。

（2）供应无碱针织毡的厂家

泰山复合材料厂（地址：

市西南工业区）；

巨石集团（地址：

桐乡市经济开发区）。

（3）供应无碱短切毡的厂家

泰山复合材料厂（地址：

市西南工业区）；

国际复合材料（地址：

大渡口区）。

（4）供应无碱缠绕纱的厂家

巨石集团（地址：

桐乡市经济开发区）；

国际复合材料（地址：

大渡口区）。

（5）供应不饱和聚脂树脂的厂家

金陵帝斯曼树脂（地址：

市中央门外太新路92号）。

耀华树脂厂

（6）供应橡胶密封圈的厂家

西北橡胶塑料研究

2.4玻璃钢夹砂管道管体刚度计算机设计

2.4.1计算机设计方法

我们采用有限元方法对玻璃钢加砂管道管体进行刚度计算机设计，使用美国ANSYS公司开发的ANSYS软件。

该软件结构分析能力强大，计算精度高，广泛地应用于计算工程领域。

2.4.2刚度计算过程

按照铺层设计，在计算机上完成玻璃钢夹砂管道产品的模型建立。

我们采用平行板加载法对管体刚度、B水平分别进行计算。

1．计算模型图如下所示：

图2模型图

图3铺层模型示意图（以一个单元为例）

图4铺层模型示意图（局部放大）

2、计算结果及分析

图5管体垂直方向位移图

从图中可以看出垂直方向的最大位移为157.9mm。

刚度计算分析如下：

按照平压刚度的JC838-1998规的实验规定，其管环长度为：

0.2D=620mm，

加载变形5%D时，其线载荷P为:

P=66527N

则刚度为：

SN=0.018625P/Δy=0.018625*66527/0.155=7994Pa

2）B水平应力计算

实验表明：

夹砂层的弯曲强度为12MPa-15MPa之间，取最低弯曲强度12MPa。

图6B水平时加砂层应力

此时夹砂层的最大应力为9.7MPa，大约是其最小强度值的81%。

而纤维弯曲应力仅为：

168MPa,远小于玻璃纤维环向应力强度。

由此可见管体的变形达到B水平时，满足强度要求。

2.5玻璃钢夹砂管道管体强度计算机设计

2.5.1强度计算方法

为了得到管道的环向抗拉强度值，我们通过提高管道压使得管体出现破坏，这时管道压所对应的强度值便是环向抗拉强度。

1．计算结果

通过计算发现当压达到2.967MPa时，管体发生破坏。

破坏发生在环向层，此时环向层最大应力为340MPa，达到环向层的破坏强度。

而交叉缠绕层的环向应力为181MPa，尚未到达其破坏应力（220MPa）。

因此管体环向抗拉强度为4560kN/m。

图7压爆破交叉层应力

图8压爆破时环向层应力

2.6玻璃钢夹砂管道承口计算机设计

管道承口计算机设计主要完成刚度设计。

依据承口铺层设计，我们采用平行板加载法计算刚度。

此时平压力为199.66kN/m管体垂直方向位移如图所示。

图9承口垂直方向位移图

则承口的刚度为：

STIF=0.018625*

=0.018625*

=26954Pa

2.7玻璃钢夹砂管道插口计算机设计

管道插口计算机设计主要完成刚度设计。

依据插口铺层设计，我们采用平行板加载法计算刚度。

此时平压力为372.88kN/m管体垂直方向位移如图所示。

图10插口垂直方向位移图

则插口的刚度为：

STIF=0.018625*

=0.018625*

=26839Pa

第3章玻璃钢夹砂管道结构校核计算

本章对地埋DN3100玻璃钢夹砂管道进行了结构校核计算。

计算依据是：

中华人民国建材行业标准《玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管》（JC/T838-1998）；新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局和新疆水利水电勘测设计研究院提供的设计条件和要求，以及对各种载荷进行分析后所得到的设计参数（第1章）；玻璃钢夹砂管材的设计参数及性能参数（第2章）；以及本公司设计计算软件。

3.1强度计算

根据第2章提供的管壁环向抗拉强度为4560kN/m，则压要求的管壁安全系数为：

满足JC/T838-1998标准关于压安全系数要求；

根据设计参数，压力等级Pc=0.46MPa；工作压力Pw=0.46MPa。

由于安全系数为6.40，因此玻璃钢管材的实际压力等级满足规要求：

Pc≥Pw

对于压和波动压力之组合压力为：

Pw+Ps=Pw+0.4Pw=1.4Pw

因此，满足规要求：

Pc≥

3.2刚度计算

依据计算机数值模拟实验结果，根据输入玻璃钢夹砂管道的铺层，其管环在5%挠曲变形下的平压力为66.527kN/m，依据JC/T838-1998附录F关于管刚度计算办法：

则有：

STIF=0.018625*

=0.018625×66527/0.155=7994Pa

>7500pa，满足设计刚度要求，

3.3挠曲变形计算

3.3.1径向长期挠曲变形按下式计算：

=0.0243=2.43%<

满足设计要求。

3.3.2当有最不利组合载荷时径向安装挠曲变形控制值按下式计算：

=0.0169=1.69%

结论：

当有临时载荷10000Pa+4m静土压的最不利组合载荷时，径向安装挠曲变形控制值<1.7%.

3.3.3当有最不利静土压力载荷时径向安装挠曲变形控制值按下式计算：

=0.0148=1.48%

结论：

当有最不利静土压（4m深）载荷时，径向安装挠曲变形控制值<1.5%

3.3.4在最不利载荷下的计算机数值模拟计算分析

土壤参数见下表：

表6土壤参数

土壤名称

砂砾石

风化砂岩

风化砂岩

普通回填土

原土

位置区域

管道基础垫层

管身1/3以下

管身2/3以下

管顶以上

原土区

容重（Kg/m3）

1900

1750

1750

1670

1840

土壤反作用

模量（Mpa）

20.7

4.8

3．8

2.8

20.7

泊松比

0.25

0.3

0.3

0.30

0.3

粘聚力

（kpa）

0

2

2

2

5

摩擦角

40

28

28

28

36

膨胀角

0

0

0

0

0

图11管体受最不利载荷时计算模型图

图12管体受最不利载荷时整体垂直位移图

图13管体在土中的垂直位移

从图中可以看出

=0.017=1.7%

3.4环弯曲计算

=0.002755=2.755‰

3.5压应变计算

根据计算机模拟设计结果，得知管壁总体环向拉伸弹性模量为：

10.363GPa.则有：

=0.00121=1.21‰

3.6外压稳定计算

在正常安装条件下的管道，通过下式计算屈曲外压

=0.3100Mpa

式中：

Rw—水的浮力系数

B’—弹性支撑系数

FS—外压稳定安全系数，2.5标准安装条件屈曲要求如下：

γwHw+Rwqc+qv≤qcγ

则有

0.01×0.0+1.00×0.0706+0.1=0.1706<0.321

其稳定安全系数为：

4.7倍。

考虑外部动载荷或临时堆土载荷条件屈曲要求如下：

γwHw+Rwqc+qv≤qcrγ

则有

0.01×0.0+1.00×0.071+0.1=0.081<0.3100

满足外压稳定要求。

另，通过有限元的稳定计算分析如下：

首先施加最不利外压载荷0.1706MPa，当该载荷乘子为4.03时，即外压为：

0.68752MPa时，管道产生屈曲。

其稳定安全系数为4.03，比公式计算的安全值（4.7）稍小。

图14玻璃钢夹砂管道失稳波形图

3.7抗震计算

3.7.1轴向应力分析

　　在地震纵波作用下对玻璃钢夹砂管产生轴向应力,其计算公式为：

其中：

σmax：

地震时管道的轴向应力；

K：

地震系数，这里考虑7级地震，按照规应取0.1；

g:

重力加速度，这里取9.8m/s2

T：

卓越周期，为安全计，查表取0.2s

Vp:

纵波传播速度，依据新疆水利水电勘测设计研究院提供的参数，为安全起见取500m/s；

EL:

弹性模量,这里取7.6GPa

计算的结果，轴向应力σL为0.4735Mpa；

本设计的轴向强度为16.6Mpa（962kN/m）

安全系数为35,远满足强度要求。

3.7.2剪切应力分析

在地震横波作用下对玻璃钢夹砂管产生剪切应力,这种应力对玻璃钢夹砂管道比轴向应力的影响要大得多。

其计算公式为：

其中：

τmax：

地震时管道的轴向应力；

K：

地震系数，这里考虑7级地震，按照规应取0.1；

g:

重力加速度，这里取9.8m/s2

T：

卓越周期，为安全计，查表取0.2s

Vp:

横波传播速