管材環(huán)剛度和環(huán)柔度的區(qū)別

什么是環(huán)剛度？

埋地鋪設(shè)塑料管有兩類，一類是內(nèi)部有壓力的，習(xí)慣稱為‘壓力管道’，如輸送水管道或燃?xì)獾墓艿�；一類是�?nèi)部是沒有壓力（或很低壓力）的，如：污水管道或雨水管；稱為‘無壓管道Non-pressure Pipe ’。 

壓力管道的承受的負(fù)載有內(nèi)部壓力和外部的壓力。通常內(nèi)部壓力產(chǎn)生的應(yīng)力是造成管材破壞的主要因素，破壞的形式是管壁內(nèi)的拉應(yīng)力造成的變形過大和破裂（塑料管通常是由蠕變造成）。設(shè)計時一般先按承受內(nèi)壓負(fù)載進行設(shè)計計算，選擇材料和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（如壁厚），然后再考慮外壓負(fù)載進行設(shè)計驗算，必要時修改結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

無壓管道承受外壓負(fù)載（通常內(nèi)壓負(fù)載忽略不計）。破壞的形式是外壓負(fù)載造成管材變形過大或壓屈失穩(wěn)（Buckling）。設(shè)計時按照外壓負(fù)載進行設(shè)計計算，選擇材料和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。本文討論的塑料埋地排水管是指無壓管道。

外壓負(fù)載比較復(fù)雜，主要包括土壤重量和地面產(chǎn)生的靜負(fù)載，以及運輸車輛經(jīng)過時產(chǎn)生的動負(fù)載。塑料埋地排水管承受負(fù)載的機理也比較復(fù)雜，因為塑料管屬于柔性管（Flexible Pipe），在外壓負(fù)載下管材和周圍的土壤（回填材料）產(chǎn)生‘管土共同作用’。換句話說，是管材和周圍土壤（回填材料）共同來承受外壓負(fù)載。

世界各國在埋地管道的設(shè)計計算方面還沒有完全一致的方法，但是絕大多數(shù)國家都以美國SpanglerR公式（或稱Spangler的 lowa 公式）作為計算埋地柔性管外壓負(fù)載下變形量的基礎(chǔ)公式（根據(jù)變形量再計算出管材內(nèi)的應(yīng)力）。

我國的國家標(biāo)準(zhǔn)和國家級的設(shè)計規(guī)程也是以此公式為基礎(chǔ)的。以下是我國CECS 164標(biāo)準(zhǔn)‘埋地聚乙烯排水管道工程技術(shù)規(guī)程’中計算塑料埋地排水管在外壓負(fù)載下，豎向管道變形量的公式；

決定埋地柔性管外壓負(fù)載下變形量的一方面是負(fù)載的大�。ü�式中分子部分），另一方面是管材結(jié)構(gòu)性能和周圍土壤結(jié)構(gòu)性能兩者之和（公式中分母部分的兩項）。

所以，決定塑料埋地排水管鋪設(shè)后能否正常工作的，‘負(fù)載’、‘管材’和‘土壤（回填）’三個參數(shù)都很重要，而且相互影響。

根據(jù)承受負(fù)載的管土共同作用，從以上公式中我們可以看到管材的結(jié)構(gòu)性能是決定能否承受負(fù)載的重要參數(shù)。這個管材參數(shù)（抗外壓負(fù)載）由三個由管材材料、結(jié)構(gòu)和尺寸決定的因素（Ep Ip ro）：

Ep---管材短期的彈性模量（kN/m）

Ip----管道縱截面每延米管壁的慣性矩（m4/m）

ro----管道計算半徑（管壁中性軸半徑）（m）

所以，從理論上講，每當(dāng)我們進行塑料埋地排水管設(shè)計時必須首先知道這三個數(shù)值，然后才能放在公式中去設(shè)計計算。從道理上講，如果設(shè)計時根據(jù)了這三個數(shù)值，生產(chǎn)企業(yè)提供的管材就要保證這三個數(shù)值。

但是，在實踐中這三個數(shù)值不容易獲得。首先，管材的彈性模量不容易測量，采用不同牌號和不同配方的原材料彈性模量都會有很大變化。此外，管道縱截面每延米管壁的慣性矩很難計算（埋地塑料排水管一般采用結(jié)構(gòu)壁管，結(jié)構(gòu)截面常常是比較復(fù)雜的幾何形狀），結(jié)構(gòu)尺寸（如壁厚）的變動會造成慣性矩明顯變化。

而且，在設(shè)計確定以后，如果要求制造廠保證這三個數(shù)值都不變也是很不現(xiàn)實的。

能不能找到一個在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中容易獲得、容易檢查和容易保證的管材參數(shù)（抗外壓負(fù)載）的方法呢？有一個國際公認(rèn)的方法，就是引入名稱為‘環(huán)剛度’的數(shù)值指標(biāo)。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO對于環(huán)剛度S的定義是（見ISO9967 Annex A）：

E材料的彈性模量I慣性矩D管環(huán)的平均直徑單位是KN/m2

所以，計算豎向管道變形量的公式可以直接用環(huán)剛度數(shù)值表示為

其中Sp就是國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)剛度。

（D=2 ro， = =8Sp）

這樣，只要知道環(huán)剛度Sp的數(shù)值，不需要知道彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計算半徑ro的確切數(shù)值就可以進行設(shè)計計算。而環(huán)剛度Sp的數(shù)值可以通過對管材的實際測量來獲得。通過對管材的實際測量來獲得環(huán)剛度Sp的方法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，就是國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9969:1994。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003 （不是已經(jīng)被代替的GB/T 9647-1988）‘熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測定’等同采用了ISO 9969:1994。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003測定環(huán)剛度的方法比較簡單：按要求的方法在兩個平行的平板間壓縮一段管材，測量在管直徑方向變形達到3%時的作用力F，就可以按照以下公式計算出管材的環(huán)剛度：

其中，F –相對于管材3%變形時的力值（kN）

L –試樣長度（m）

Y –變形量（m） d—內(nèi)徑（m）

為什么用此標(biāo)準(zhǔn)方法實際測量出來的環(huán)剛度可以確認(rèn)為就是我們需要的EI/D數(shù)值呢？

因為在兩個平行平板間壓縮管段產(chǎn)生變形是一個典型的材料力學(xué)問題。利用材料力學(xué)的分析方法可以證明變形量，作用力和管材的參數(shù)EI/D—環(huán)剛度有以上公式所表示的明確關(guān)系。

國際上都廣泛應(yīng)用環(huán)剛度這個數(shù)值指標(biāo)來表示塑料埋地排水管的抗外壓負(fù)載能力。因為：1）不需要知道彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計算半徑ro的確切數(shù)值，只要知道環(huán)剛度Sp的數(shù)值就可以進行設(shè)計計算；

2）環(huán)剛度Sp的數(shù)值可以通過對管材的實際測量來獲得；

3）生產(chǎn)廠只要保證環(huán)剛度達到要求，不必保證彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計算半徑ro都達到要求。而且環(huán)剛度在生產(chǎn)廠可以通過經(jīng)常檢測進行控制。

需要注意的是環(huán)剛度是有明確定義的，是塑料埋地排水管設(shè)計計算的基礎(chǔ)，其測定的方法是由國家標(biāo)準(zhǔn)（國際標(biāo)準(zhǔn)）嚴(yán)格規(guī)定的。我們塑料埋地排水管發(fā)展很快，因為不了解環(huán)剛度的定義和標(biāo)準(zhǔn)，有時出現(xiàn)混淆和誤用的情況。

有的企業(yè)不按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2003（等同ISO 9969:1994）測定（例如，不用平行平板而用兩V型板壓縮，或者在管側(cè)加限制。），但是把測出的數(shù)值稱為環(huán)剛度。用戶據(jù)此設(shè)計計算必然失誤。

有的地方把國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2015（等同ISO 9969:1994）定義和測定的環(huán)剛度和德國標(biāo)準(zhǔn)DIN16961定義和測定的‘環(huán)剛度（英文同樣用ring stiffness） ’、或者和美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMD2412的定義和測定的‘管剛度Pipe Stiffness’混淆。結(jié)果出現(xiàn)了雙壁波紋管環(huán)剛度達到幾十千帕的檢測報告。本文對于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9647-2015（ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO 9969:1994）的環(huán)剛度（英文ring stiffness）和DIN標(biāo)準(zhǔn)的‘環(huán)剛度（英文同樣用ring stiffness）’，ASTM標(biāo)準(zhǔn)的‘管剛度Pipe Stiffness’之間的差別不再詳細(xì)說明，這里只是提醒務(wù)必注意不同國家的不同標(biāo)準(zhǔn)中對于管材抗外壓負(fù)載定義的剛度數(shù)值指標(biāo)有不同的定義和相應(yīng)不同的測定方法，在國內(nèi)必須統(tǒng)一按國家標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 9647-2015規(guī)定的環(huán)剛度，在對外交流中則必須問清楚是按那個標(biāo)準(zhǔn)的剛度數(shù)值。國際市場趨向統(tǒng)一，越來越多國家接受按ISO標(biāo)準(zhǔn)，ISO 9969:1994已經(jīng)被歐洲標(biāo)準(zhǔn)組織接受為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 9969:1995。

什么是環(huán)柔度

環(huán)柔度是基于GB/T 9647-2015中，8試驗步驟內(nèi)注釋含義，規(guī)定下壓速度情況下，下壓管材平均外壁的30%，觀察管材有無損壞無反相彎曲。

環(huán)剛度和環(huán)柔度試驗區(qū)別是什么

簡單來說，環(huán)剛度是在規(guī)定下壓速率情況下，下壓管材平均內(nèi)壁的3%變化值，套入公式計算出的實驗結(jié)果。而環(huán)柔度是規(guī)定下壓速度情況下，下壓管材平均外壁的30%。由此可見，這兩個試驗雖然試驗步驟相似，但對于下壓行程的取值是不一樣的，環(huán)剛度是通過環(huán)剛度試驗機中內(nèi)經(jīng)測量裝置，在試驗過程中測量內(nèi)壁變化的3%，而環(huán)柔度是在試驗前準(zhǔn)備中，就在環(huán)剛度試驗機軟件中規(guī)定好了下壓的行程，也就是外壁的30%。