1  引言

玻璃鋼夾砂管道是近十幾年來國內重點發展的新型管材產品之一，它充分地將各組成材料的性能有機地融合在一起，發揮各自的優點，揚長避短，是傳統管材如混凝土管、鋼管、鑄鐵管等最有效的升級替代產品，在國內城市給排水工程中得到了廣泛推廣和大量應用。而隨著國內玻璃鋼鋼夾砂管道產品產量和應用范圍的擴大，急需出臺適應我國工程特點的工程建設技術標準，以指導工程設計工作。為此中國工程標準化協會于2006年3月1日正式發布實施了《給水排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管管道結構設計規程》CECS190:2005，對玻璃鋼夾砂管道結構的設計、分析進行了全面的規范指引，是各玻璃鋼夾砂管道生產制造企業必須遵循的設計規程。

2  設計重點及問題

玻璃鋼夾砂管道的設計包括材料設計、工藝設計、結構設計和產品設計等過程，是一個非常復雜的系統工程。但從工程角度出發則主要設計其公稱直徑、壓力等級、剛度等級等，而壓力等級和剛度等級的設計，則直接關系到管道工程的成敗，是必須重點分析設計的兩個指標。

       在CECS190: 2005設計規程實施以前，國內玻璃鋼夾砂管道生產制造企業在設計校核管道壓力等級和剛度等級時，主要依從產品標準《玻璃纖維纏繞增強熱固性樹脂夾砂壓力管》JC/T838-1998附錄D提供的設計方法，或參照國外同類標準AWWAC950 M45手冊提供的計算方法執行。

       在JC/T838-1998標準中，壓力等級的確定過程如下：

       在日常設計中，一般簡單地取 作為玻璃鋼夾砂管道的壓力等級設計指標，然后再用其他設計參數來校核其是否滿足工程實際需要。

       在 CECS190:2005設計規程中，壓力等級的確定過程則非常復雜，它采用了與我國國家標準《給水排水工程管道結構設計規范》GB50332-2002規定的概率設計方法一致的極限狀態設計理論進行玻璃鋼夾砂管道的結構設計。并綜合考慮了管道的自身性能及其安裝埋設狀態，充分優化確定一合理的管道壓力等級，是我們在日常設計工作中的重點。
 

3 分析過程

        在CECS190:2005設計規程中，根據6.1.1強度組合計算公式：

    當制造企業無相應管材的長期性能數據時，上述公式可轉化為:

    當制造企業有相應管材的長期性能數據時，上述公式可轉化為:

(說明：公式中各代號的含義和取值詳見CECS190: 2005規程，此處不再贅述)

      結合規程2.1.6條文說明：管材壓力等級表征管材最大允許工作壓力的級別，應根據標準試驗方法檢測所得的管材長期靜水壓力或初始失效壓力，即上述公式中的 或 進行確定。據此我們可以根據上述組合公式求解出管材的壓力等級。

      從上面的計算過程可以看出，并不能簡單地將一些數據代入就可直接求取管材的壓力等級值，必須通過采用預設的壓力等級初值，設計出相應管材的性能參數，然后再代入上述組合公式進行驗證，…… 如此循環迭代直至滿足要求為止，計算過程相當繁瑣。為此石家莊開發區技源科技有限公司根據新頒布實施的國家標準《玻璃纖維增強塑料夾砂管》GB/T21238-2007推出了結合CECS190設計規程的新版《纏繞管道FRPCAD for GB21238-2007》設計軟件，將上述復雜的計算過程利用先進的軟件技術實現，解決了手工計算數據量龐大，難于準確設計管材壓力等級的問題。

4 軟件計算實例

     下面以國內東北某實際項目為例說明軟件的設計分析過程，工程基本設計數據如下：
     管道公稱直徑：DN1400mm；
     最大工作壓力：0.5Mpa；
     剛度等級：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；
     長期撓曲控制變形率：≤3.6%或5%；

     進入“纏繞管道FRPCAD for GB21238-2007”軟件系統，輸入相應的數據。

    點擊“根據工作壓力確定壓力等級”按鈕，彈出以下對話框。

       按要求輸入相應設計數據，如“短期強度設計參數”，“安裝設計參數”，“工作參數”等，確認數據無誤后，點擊“設計”按鈕，軟件系統就可以開始進行壓力等級優化設計。運算結束系統給出相應的管道推薦壓力等級值為≥PN0.88MPa。

 當長期撓曲控制變形率按5%設計時，輸入相應撓曲變形設計數據如下圖示，并進行設計計算，軟件系統推薦管材的壓力等級為≥PN1.37Mpa。

 針對本工程項目，我們綜合各方面因素考慮，最終選擇了第一個設計方案，即控制管材的安裝長期撓曲變形率≤3.6%，管材的壓力等級按PN0.9MPa設計。然后依據此壓力等級值進行管道的結構分析和工藝鋪層設計。如下圖示:

5 結論

       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不僅與管材性能有關，還與后期的安裝回填控制要求密切相關。管道壓力等級高（≥PN1.37MPa），則相應地管道機械性能好，則可適當降低安裝控制要求（長期撓曲5%）；反之管道壓力等級合理取低（PN0.6Mpa），提高其后期安裝控制要求（長期撓曲3.6%），同樣可以達到滿足工程需要的目的，并可有效地降低工程的綜合造價。

    （2）同時我們通過設計方案對比，如果管材制造企業有相應管材的長期性能數據，則相應地其初始設計壓力等級可以適當降低。比如上述工程項目，如果企業有管材的長期性能數據，則其壓力等級可以降低到PN0.6Mpa，這樣管材材料成本費用還可大幅降低10%以上。所以建議國內各專業的玻璃鋼夾砂管道生產企業，應在條件許可時開展管材的長期性能數據測試，對以后類似工程項目的設計和競標大有裨益。

    （3）新版《纏繞管道FRPCAD for GB21238-2007》設計軟件目前已廣泛應用于國內眾多玻璃鋼夾砂管道制造企業，并經過了大量的工程實踐和嚴格檢驗，得到了廣大用戶和業主單位的一致好評。該軟件既有效地提高了制造企業工程技術人員的效率，又合理有效地幫助業主和建設單位降低了工程造價，節約了大量的社會建設資金。

參考文獻：
1 中國工程建設標準化協會標準《給水排水工程埋地玻璃纖維增強塑料夾砂管管道結構設計規程》CECS190:2005；
2 中華人民共和國國家標準《玻璃纖維增強塑料夾砂管》GB/T21238-2007；
3 中國工程建設標準化協會標準《埋地給水排水玻璃纖維增強熱固性樹脂夾砂管管道工程施工及驗收規程》CECS129:2001；