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| 钢带增强聚乙烯螺旋波纹管的工程设计与连接技术 | |
| 吴精华 陈绍江 蒯一希 | |
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近年来，钢带增强聚乙烯螺旋波纹管呈显高速发展的势态，广泛应用于排污水和排雨水的工程。本文详细介绍了这种管材的工程设计，以及其连接技术和质量控制要点。
埋地排水用钢带增强聚乙烯螺旋波纹管(以下简称“MRP管”)，是一种把钢和聚乙烯的优势整合为一体的钢塑复合管。近年来，在中国政府大力治理水环境、建设节约型可持续发展社会的大政方针指引下，中国塑料埋地排水管得到非常迅猛的发展，MRP管呈显出高速发展的势态，在很多地区已广泛应用于排污水和排雨水的工程。MRP管工程技术规程(CECS 223-2007)对这种产品的广泛应用起到了指导作用，生产MRP管的设备也得到了发展和提高。四川金石东方新材料设备有限公司（以下简称“金石东方”）已为国内提供了200余套生产MRP管的设备，并已出口到意大利、土耳其、以色列、苏丹和俄罗斯等较发达国家近20套设备；而MRP管材产品也已出口到非洲等地区。
为了即时总结经验，如今《埋地排水用钢带增强聚乙烯螺旋波纹管CJ/T 225-2006产品标准》的不足之处已得到了修正, 建设部颁布了MRP管CJ/T 225-2011版，调整了产品的部份结构，增加了平面端口形式的管材及其连接方式；进一步提高了对原料聚乙烯和专用粘接树脂的指标要求；为进一步确保管材在恶劣腐蚀环境下的安全运行，增加了耐强腐蚀的镀锌钢带等。在此探讨一下MRP管的工程设计和连接技术。
MPR管的工程设计
在工程设计方面，过去在国内，MRP管的环截面强度计算没有现成的计算方法，因此在编制MRP管CECS 223-2007规程时，编制组参照美国的相关资料，导出了这种管道的环截面强度计算公式。 聚乙烯排水管的允许直径变形率，在美国及欧洲的有关资料中都规定不大于7.5%，而编制组按中国GB50332-2002《给水排水工程管道结构设计规范》中不大于5%的规定来确定这一数值。在中国，由于排水管外径不统一，而管道内径相对统一和便于测量，故MRP管材的允许直径变形率选用管道内径。
另一方面，相对外径而言，采用内径对MRP管的允许直径变形率的控制也更加严格了。
MRP管在工程设计上，采用以概率理论为基础的极限状态设计法，按两种极限状态进行计算：一是承载能力极限状态(包括环截面强度计算、压屈失稳计算和抗浮计算)；二是正常使用极限状态(环截面变形验算) 。
另外，将MRP管按柔性管道计算，由于钢带和聚乙烯这两种材料在弹性模量上存在200多倍的巨大差异，即在同样的变形条件下，管道的受力钢带起着决定性的作用。因此，在环截面强度计算中仅考虑钢带而忽略聚乙烯的作用，这样使计算既简单又安全。
1. 管道环截面强度计算
（1）管道环截面强度计算应按荷载基本组合进行计算，取设计值；
（2）钢带最大环截面压应力设计值不大于钢带抗压强度设计值，即：
Υ0σ≤ƒy
式中σ——钢带最大环截面压应力设计值（MPa）；
Υ0——管道重要性系数，污水管取1.0，雨水管取0.9，雨污合流管取1.0；
ƒy——钢带抗压强度的设计值（MPa）。
（3）钢带最大环截面压应力设计值按下式计算：
σ=0.72（K0ΥG， sνqsν,k+ΥQqνk）D1/As
式中K0——荷载系数，当管顶覆土深度 H1 ＜D1 时，K0 =1.0；当 H1 ≥D1时，可取K0= 0.86；
ΥG， sν——管顶覆土荷载分项系数，应取1.27；
ΥQ——管顶地面荷载分项系数，应取1.40；
qsν,k——管顶单位面积上的竖向土压力标准值（kN/m2）；
qνk——地面车辆荷载或地面堆积荷载传至管顶单位面积上的竖向压力标准值（kN/m2）；
As——每米管道钢带的截面积（mm2/m）；
D1——管道外径（mm）。
根据上述钢带最大环截面压应力设计值的计算公式，按照管道竖向直径变形率为5%、覆土压实系数不小于85%的条件，可计算出不同直径、不同环刚度等级和不同钢材的每米管道所需的最小钢带面积。
2. 管道环截面变形验算
（1）管道环截面变形验算的荷载组合应按准永久组合计算，取标准值；
（2）竖向直径的变形率不大于管道直径允许变形率，管道直径允许变形率为5%；
（3）竖向直径的变形量按下式计算：
Wd,max=DLKd(qsν,k+ψq qνk)D1/(8Sp+0.061Ed)
式中Wd,max——管道在组合作用下的最大竖向变形量（mm）；
Kd——管道变形系数，与敷设中心角有关；
qsν,k ——管顶单位面积上的竖向土压力标准值（kN/m2）；
qνk——地面车辆荷载或地面堆积荷载传至管顶单位面积上的竖向压力标准值（kN/m2）；
DL——变形滞后效应系数，可根据管道胸腔回填土的压实度取1.20~1.50；
ψq——可变荷载的准永久值系数，可取0.5；
Sp——管环刚度（kN/m2）；
Ed ——管侧土的综合变形模量（kN/m2）；
D1——管道外径（mm）。
（4）管道直径允许变形率按下式计算：
ε= Wd,max/di×100%
式中ε——管道竖向直径变形率；
di ——管道内径（mm）。
根据管道竖向直径变形率为5%的要求，在MRP管工程技术规程(CECS 223-2007)条文说明中列出了不同环刚度等级、不同敷设条件的管道管顶的最大覆土深度，供设计使用中参考。
3. 管道环截面压屈失稳计算
（1）计算时各项作用均取标准值；
（2）环向稳定性抗力系数不小于2.0；
（3）管壁截面的环向稳定性计算应符合下式要求：
Fcγ,k/ Fνk≥Ks
式中Fcγ,k——管壁失稳的临界压力标准值（kN/m2）；
Fνk——管顶在各项作用下的竖向压力标准值（kN/m2）；
Ks——管道的环向稳定性抗力系数，Ks≥2.0。
（4）管顶竖向作用不利组合标准值可按下式计算 ：
Fνk= qsν,k+ qνk
式中Fνk——管顶在各项作用下的竖向压力标准值（kN/m2）；
qsν,k——管顶单位面积上的竖向土压力标准值kN/m2）；
qνk——地面车辆荷载或地面堆积荷载传至管顶单位面积上的竖向压力标准值（kN/m2）。
（5）管壁失稳的临界压力标准值可按下列公式计算 ：
Fcγ,k=4(2 Ed Sp)1/2
式中Fcγ,k——管壁失稳的临界压力标准值（kN/m2）；
Ed——管侧土的综合变形模量（kN/m2）；
Sp——管环刚度（kN/m2）。
4. 管道抗浮稳定计算
（1）各项作用取标准值 ；
（2）抗浮稳定性抗力系数不小于1.10 ；
（3）抗浮稳定性计算应符合下式要求：
∑FGk≥KƒFƒω,k
式中∑FGk——各项抗浮永久作用标准值之和（kN）；
Fƒω,k——浮托力标准值（kN）；
Kƒ——管道的抗浮稳定性抗力系数，应取1.10。
在进行MPR管的结构设计时，应提出埋设条件和对运行工况的要求，包括管体、管道基础、管道连接和沟槽回填土的类别与压实度等。
MPR管的连接方式和质量控制
新型管道能否成功推广应用的关键，是由其连接是否方便可靠所决定的。MRP管有多种可靠的连接方法，可适应于各种不同工程的需要，重要的地方可同时采用两种方法组合使用。其连接方式分别根据端口面的结构形式确定，而管材的端口结构形式分为螺旋形端口和平面形端口两种，如图1所示。 （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） | |
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