基于100 年設計使用年限的玻璃纖維增強塑料管管道結構設計研究

阮超 陳建中 張延軍 李胡爽 張沖博

1.中建三局綠色產業投資有限公司 武漢430035

2.武漢理工大學理學院新材料力學理論與應用湖北省重點實驗室 430070

引言

玻璃纖維增強塑料管作為一種復合材料管道結構，具有優良的水力特性及耐腐蝕性能，在國內外的給排水工程中均得到較廣泛應用，尤其是在排水工程中，與其他傳統管材相比具有顯著優勢［1，2］。城市深隧排水系統是建設在地下深層空間的排水系統，一般超過地面以下20m深，被認為是一種能夠解決當前城市內澇問題的有效措施，同時還具有征地和拆遷量較少的優點，成為改善城市排水能力的重要手段之一，在國外得到較廣泛的應用，近年來也引起了國內的廣泛關注，在部分城市也開始論證與啟動建設［3，4］。

城市深隧排水系統的隧道結構一般采用雙層結構，外層襯砌為混凝土管片襯砌，內層再安裝混凝土管、玻璃纖維增強塑料管或現澆混凝土等類型的襯砌，但由于二襯混凝土結構在耐污水腐蝕及施工效率等方面存在一定的問題，玻璃纖維增強塑料管成為比較理想的二襯深隧結構［5］。城市深隧結構系統工程投資大，影響深遠，目前大部分都是按100 年的設計使用年限進行設計的，但現行玻璃纖維增強塑料管管道結構設計規范《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》（CECS 190—2005）［6］是按50年的設計使用年限進行設計的，因此采用玻璃纖維增強塑料管道作為深隧的二襯結構，其中一個比較關鍵的問題就是如何基于100 年的設計使用年限來設計玻璃纖維增強塑料管道結構。本文將針對基于100 年設計使用年限的玻璃纖維增強塑料管結構設計方法展開研究。

1 設計使用年限的概念

設計使用年限是設計規定的結構或結構構件不需進行大修即可按預定目的使用的年限。根據定義可見，設計使用年限是設計規定的一個時段，在這一規定時段內，結構只需進行正常的維護而不需進行大修就能按預期目的使用，并完成預定的功能，即工程結構在正常使用和維護下所應達到的使用年限。設計年限并不是一個固定值，與結構的用途和重要性有關。結構的設計、施工和維護應使結構在規定的設計使用年限內以適當的可靠度且經濟的方式滿足規定的各項功能要求。

現行的管道結構設計規范《給水排水工程管道結構設計規范》（GB 50332—2002）［7］沒有對管道結構的設計使用年限進行明確規定，而CECS 190—2005 是以GB 50332—2002 為基礎進行編制的，也沒有直接給出玻璃纖維增強塑料管的設計使用年限，但是在“長期靜水壓應力基準值”的定義中提到“連續施加靜水壓力至管材設計使用年限時，出現管材失效的臨界管壁平均拉伸應力值。當管材設計使用年限無說明時，取50 年。”《城鎮給水排水技術規范》（GB 50788—2012）［8］給出了管道設計使用年限的規定：“城鎮給水排水設施中主要構筑物的主體結構和地下干管，其結構設計使用年限不應低于50 年。”因此目前管道結構的設計使用年限一般取50 年，但對于一些重大工程通常可取50 年以上，如核電循環水管道的設計使用年限一般取60 年［9］，墨爾本北部深隧工程所采用的玻璃纖維增強塑料管道的設計使用年限明確為100 年［10］。

2 不同設計使用年限對玻璃纖維增強塑料管管道結構設計的影響

結構設計一般包括三部分內容：作用、抗力和結構設計方法，下面分別對這三部分內容在不同設計使用年限時對玻璃纖維增強塑料管管道結構設計的影響進行分析。

作用是施加在結構上的集中力或分布力和引起結構外加變形或約束變形的原因。玻璃纖維增強塑料管道上施加的作用主要包括永久作用和可變作用兩類。永久作用包括土壓力和管自重。可變作用包括：管道內的靜水壓力、地面堆積荷載、地面車輛荷載、管道運行時出現的真空壓力、地下水作用。永久作用與設計使用年限基本沒有關系，但可變作用與設計使用年限相關，設計使用年限越長，可變作用出現“大值”的概率就越大。

抗力是結構或結構構件承受作用效應和環境影響的能力，如強度、剛度等。玻璃纖維增強塑料管道作為一種樹脂基復合材料結構，其強度、剛度等性能均具有一定的時間相關性，隨著使用時間的增加其抗力會按一定的規律降低。因此抗力是與設計使用年限直接相關的，設計使用年限越長，玻璃纖維增強塑料管的抗力會越小。

玻璃纖維增強塑料管管道結構設計一般采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，以可靠指標度量管道結構的可靠度，除管道的穩定驗算外，均采用分項系數的設計表達式進行設計。可靠度是結構在規定的時間，在規定的條件下，完成預定功能的概率。這里“規定的時間”就是指設計使用年限。因此結構的可靠度與結構的設計使用年限有關，而可靠度在結構設計中的具體體現形式就是分項系數，因此結構設計表達式中的分項系數也與設計使用年限有關。

在針對不同設計使用年限的玻璃纖維增強塑料管道結構進行設計時，需要同時考慮上述三方面的影響。不同設計使用年限下玻璃纖維增強塑料管道結構的作用及設計方法與其他結構從概念上而言沒有本質的區別，可參考其他管道結構的做法，下面重點對與材料相關的抗力和設計使用年限的關系進行進一步的分析。

3 不同設計使用年限下玻璃纖維增強塑料管的抗力分析

玻璃纖維增強塑料管的抗力主要體現在一個剛度指標和兩個強度指標上。一個剛度指標是指管材的剛度等級。由于復合材料的強度比較復雜，為了便于工程應用，在CECS 190—2005 中采用了等效折算的強度，根據一般埋地管道的受力特征確定了環向拉伸和環向彎曲兩個等效折算強度，因此兩個強度指標為環向等效折算抗拉強度和環向等效折算抗彎強度。

3.1 剛度等級

剛度等級是玻璃纖維增強塑料管環向初始特定環剛度的級別，其表征管環在外荷載下抵抗變形能力，按下式計算：

式中：S為環剛度；EI為沿管道軸向單位長度內管壁環向彎曲剛度；D為管道計算直徑。

初始環剛度應不小于剛度等級。管道的環剛度本身是與設計使用年限相關的，因為管材的彈性模量與使用時間相關，但根據剛度等級的定義，其為管道的初始性能值，由管材的初始彈性彎曲模量及管道的直徑、慣性矩確定，與設計使用年限無關。

在管道結構長期使用過程的設計中采用初始環剛度，在概念上存在一定問題，但是目前國內外都是這樣做的，主要是因為環剛度主要用于穩定性和變形的計算，而這兩項除了與環剛度相關外還與土的性能相關，并且在一定程度上土的影響比環剛度的影響要大的多。土也是采用初始性能參與計算的，而土的變形模量會隨著時間的增加而提高，該性能的提高對管道的穩定性和變形計算都是有利的。因此采用初始環剛度進行長期性能分析是偏安全的，沒有必要考慮管道的粘彈性采用長期環剛度進行設計［11］。

3.2 環向等效折算抗拉強度

根據CECS 190—2005 的確定原則，當有相應管材的長期性能試驗數據時，管材的環向等效折算抗拉強度標準值應按下式確定：

式中：fth，k為管材的環向等效折算抗拉強度標準值（MPa）；HDB為管材的長期靜水壓應力基準值（MPa），是指連續施加靜水壓力至管材設計使用年限時，出現管材失效的臨界管壁平均拉伸應力值，當管材設計使用年限無說明時取50 年，因此HDB是與設計使用年限有關的。

玻璃纖維增強塑料管的環向等效折算抗拉強度設計值應按下式計算：

式中：γh為管材的環向抗拉強度分項系數，取γh＝1.40；fth為等效折算抗拉強度設計值。

定義一個由于設計使用年限與HDB 基準時間50 年不同而對管材的環向等效折算抗拉強度進行調整的系數γLh，即有：

式中：γLh為環向等效折算抗拉強度調整系數；fth，50為設計使用年限為50 年的等效折算抗拉強度設計值；fth，y為設計使用年限為y 年的等效折算抗拉強度設計值。

根據HDB 的實驗及數據分析處理方法［12］可得：

式中：y為設計使用年限；Gh為管材的長期靜水壓應力基準值試驗所得回歸曲線的斜率。

一般給排水玻璃纖維增強塑料管道的設計使用溫度小于50℃，偏安全按50℃考慮，參照《石油及天然氣工業玻璃鋼（GRP）管道第二部分：質量鑒定及生產》（ISO 14692-2：2017）［13］，可取Gh＝-0.07，則由式（5）當設計使用年限y取100年時，γLh＝1.0497，實際設計計算時可取γLh＝1.05。

3.3 環向等效折算抗彎強度

當有相應管材的長期性能試驗數據時，管材的環向等效折算抗彎強度標準值應按下式確定：

式中：ftm，k為管材的環向等效折算抗彎強度標準值（MPa）；Sb為管材的長期環向彎曲應變基準值（mm／mm）；Ep為管材的環向彎曲彈性模量（MPa）。

Sb是管材設計使用年限內，管壁在環向彎曲作用下失效（出現結構分層或纖維斷裂）時的環向最大應變值，顯然該值是和設計使用年限相關的，一般無特殊說明也取50 年。

玻璃纖維增強塑料管的環向等效折算彎曲強度設計值按下式計算：

式中：γm為管材的環向抗彎強度分項系數，取γm＝1.20；ftm為等效折算抗彎強度設計值。

定義一個由于設計使用年限與Sb基準時間50 年不同而對管材的環向等效折算抗彎強度進行調整的系數γLm，即有：

與HDB類似，根據玻璃纖維增強塑料管長期性能的實驗及數據分析處理方法同樣可得：

式中：Gm為管材的長期環向彎曲應變基準值試驗所得回歸曲線斜率。

目前國內外還沒有規范給出Gm的推薦值，參考CECS 190—2005 及實際實驗結果，Sb的保留率一般不小于HDB 的保留率，因此Sb的回歸曲線斜率的絕對值不小于HDB 回歸曲線的斜率，則當設計使用年限y 取100 年時，偏安全Gm可以與Gh取相同的值，則γLm也可取γLh相同的值，即有γLm＝1.05。

3.4 長期性能對材料標準值的影響分析

在前面兩小節中提到的兩個材料標準值主要取決于兩個長期性能參數：HDB 和Sb，而這兩個長期性能參數的確定本文均是采用基于標準的50年長期性能參數直接進行外推得到的。現行國內外關于長期性能的規范及理論基本上都是基于雙對數線性規律的，因此該外推方法是合適的。

回歸曲線斜率與所采用的原材料性能、管壁的工藝鋪層等直接相關，非常復雜。本文在參考國內外相關規范及有關試驗結果的基礎上，給出了一種相對偏保守的簡化取值方法，這種方法對材料標準值的取值是有影響的。實際設計中可以參考CECS 190—2005 的處理方法，當有具體的長期性能試驗數據時，取實際試驗結果的回歸曲線斜率；若沒有長期性能試驗數據時，則可按本文的方法取默認的相對偏保守的回歸曲線斜率及相應的強度調整系數。

4 基于100 年設計使用年限的管道結構設計

設計基準期是為確定可變作用的取值而規定的標準時段，在常見的工程結構設計中一般取50年，管道結構的設計基準期也為50 年。由于結構上的各種可變作用均是根據設計基準期確定其標準值的，即管道結構上的各種可變作用的標準值取其50 年一遇的最大值分布上的“某一分位值”，對于設計使用年限為100 年的管道結構，要保證結構在100 年時具有設計要求的可靠度水平，理論上要求結構上的各種可變作用應采用100 年一遇的最大值分布上的相同分位值作為可變作用的“標準值”。這樣會導致針對同一種可變作用會隨設計使用年限的不同而有多種“標準值”，不便于荷載規范表達和設計人員使用。因此在GB 50153—2008 中首次提出了考慮結構設計使用年限的荷載調整系數γL。γL為可變作用在其他設計使用年限如100 年一遇的最大值分布上，與該可變作用50 年一遇的最大值分布上標準值的相同分布值的比值。參照GB 50153—2008的取值，對玻璃纖維增強塑料管管道結構，當設計使用年限為100 年而設計基準期為50 年時，可取γL＝1.1。

根據前面的分析，參考CECS 190—2005，可采用以下三式進行強度計算：

式中：γ0為結構重要性系數，當設計使用年限為100 年時取1.1；γL為結構設計使用年限的荷載調整系數，當設計使用年限為100 年時取1.1；γLh為環向等效折算抗拉強度調整系數，當設計使用年限為100 年時取1.05；γLm環向等效折算抗彎強度調整系數，當設計使用年限為100 年時取1.05；αf為管材的環向等效折算抗拉強度設計值與等效折算抗彎強度設計值的比值，即αf＝fthγLm／（ftmγLh）；其余參數均與CECS 190—2005相同，可具體參考該規范。

玻璃纖維增強塑料管的結構設計主要是確定管材的剛度等級和壓力等級。剛度等級仍然采用CECS 190—2005 中的相關公式計算確定。壓力等級是管材最大允許工作壓力的級別，取決于管材強度，因此可由本文中的式（10）、式（11）和式（12）計算所需管材強度后再根據CECS 190—2005 中的相關原則確定壓力等級。采用以上方法按默認的回歸曲線斜率對某玻璃纖維增強塑料管道工程分別按50 年和100 年的設計使用年限進行設計，所需管材的剛度等級不變，但壓力等級將增加30%左右。

5 結語

本文通過對設計使用年限的基本概念進行深入分析，結合結構設計的作用、抗力和結構設計方法三部分內容，指出了不同設計使用年限對玻璃纖維增強塑料管管道結構設計的影響；然后根據玻璃纖維增強塑料管的性能特點，重點對其在100 年設計使用年限下的抗力進行了分析，確定了環向等效折算抗拉強度調整系數和環向等效折算抗彎強度調整系數，在此基礎上建立了基于100年設計使用年限的玻璃纖維增強塑料管管道結構設計的基本方法。通過與基于50 年設計使用年限的設計結果進行比較，按基于100 年設計使用年限進行設計時，玻璃纖維增強塑料管的剛度等級不變但壓力等級將提高30%左右。本文提出的設計方法可供100 年設計使用年限的玻璃纖維增強塑料管道結構工程設計參考。