环刚度负载

埋地铺设塑料管有两类，一类是内部有压力的，习惯称为'压力管道'，如输送水或燃气的管道;一类是内部是没有压力(或很低压力)的，称为'无压管道Non-pressure Pipe '。

压力管道的承受的负载有内部压力和外部的压力。通常内部压力产生的应力是造成管材破坏的主要因素，破坏的形式是管壁内的拉应力造成的变形过大和破裂(塑料管通常是由蠕变造成)。设计时一般先按承受内压负载进行设计计算，选择材料和结构数据(如壁厚)，然后再考虑外压负载进行设计验算，必要时修改结构数据。

无压管道承受外压负载(通常内压负载忽略不计)。破坏的形式是外压负载造成管材变形过大或压屈失稳(Buckling)。设计时按照外压负载进行设计计算，选择材料和结构数据。本文讨论的塑料埋地排水管是指无压管道。

外压负载比较复杂，主要包括土壤重量和地面产生的静负载，以及运输车辆经过时产生的动负载。塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂，因为塑料管属于柔性管(Flexible Pipe)，在外压负载下管材和周围的土壤(回填材料)产生'管土共同作用'。换句话说，是管材和周围土壤(回填材料)共同来承受外压负载。

世界各国在埋地管道的设计计算方面还没有完全一致的方法，但是绝大多数国家都以美国SpanglerR公式(或称Spangler的 lowa 公式)作为计算埋地柔性管外压负载下变形量的基础公式(根据变形量再计算出管材内的应力)。Spangler公式如下:

我国的国家标准和国家级的设计规程也是以此公式为基础的。以下是我国CECS 164标准'埋地聚乙烯排水管道工程技术规程'中计算塑料埋地排水管在外压负载下，竖向管道变形量的公式;

其物理含义是

物理含义可简化为

从此公式中可以清楚地看出决定埋地柔性管外压负载下变形量的一方面是负载的大小(公式中分子部分)，另一方面是管材结构性能和周围土壤结构性能两者之和(公式中分母部分的两项)。

所以，决定塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的，'负载'、'管材'和'土壤(回填)'三个参数都很重要，而且相互影响。

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环刚度选择

环刚度是塑料埋地排水管抗外压负载能力的综合参数，显然，为了保证塑料埋地排水管在外压负载下安全工作，环刚度的选择是设计中的关键之一。如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之，如果环刚度选择得太高，必然采用过大的截面惯性矩，将造成用材料太多，成本过高。

常常有用户询问能不能根据埋深等外压负载情况用一个简单方法选择环刚度，回答是不能。原因就是因为塑料埋地排水管承受外压负载的机理是'管土共同作用'，是管材承受负载的能力(环刚度)和管道周围土壤(回填材料)承受负载的能力两方面结合决定工程的成败。所以环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取决于铺设后管道周围土壤(回填材料)的情况(变形量公式中的数值Ed-管侧土综合弹性模量(kN/m)，Ed又取决于回填材料的种类、压实程度、槽侧原状土情况等)。

按我国的技术规程，环刚度的选择是先初步选择，然后进行'管道结构设计'，进行管道变形验算、强度计算、压屈失稳计算等。如果计算结果不满足要求就增大环刚度重新计算，(或者减少后重新计算)。

在国外的有关标准和规程中有以下方法可供参考:

欧洲标准草案prEN13476-3

无压埋地排水排污用热塑性塑料管系统--硬聚氯乙烯(PVC-U),聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的结构壁管系统。

环刚度简介

塑料埋地排水管的关键性能--环刚度(2007-03-29 22:33:17)

环刚度常见问题

环刚度的测定

根据承受负载的管土共同作用，从以上公式中我们可以看到管材的结构性能是决定能否承受负载的重要参数。这个管材参数（抗外压负载）由三个由管材材料、结构和尺寸决定的因素（Ep Ip ro）：Ep---管材短期...

请问PE管材环刚度是多少？

环刚度实际上就是指抗外部压力指标。压力管道的承受的负载有内部压力和外部的压力。通常内部压力产生的应力是造成管材破坏的主要因素，破坏的形式是管壁内的拉应力造成的变形过大和破裂（塑料管通常是由蠕变造成）。...

pe管材环刚度是多少

pe管的环刚度实际上不是一直不变的，比如说de110*0.8mpa的管子和de315*0.8mpa的管子，同样是八公斤压力的管道，但是并不是说都会是8sn，也就是8牵牛的环刚度，管材口径越大，环刚度会...

HPDE管SN1环刚度是多少

双壁波纹管按其环刚度正常有两种，一种是S1,也叫SN4代表可承外压为4KN/m2，另一种也就是S2，也就是上面问的SN8。表示每平米可以承外压8KN。SN8=S2

hdpe管 环刚度 8KN/M

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环刚度测定

根据承受负载的管土共同作用，从以上公式中我们可以看到管材的结构性能是决定能否承受负载的重要参数。这个管材参数(抗外压负载)由三个由管材材料、结构和尺寸决定的因素(Ep Ip ro):

Ep---管材短期的弹性模量(kN/m)

Ip----管道纵截面每延米管壁的惯性矩(m4/m)

ro----管道计算半径(管壁中性轴半径)(m)

所以，从理论上讲，每当我们进行塑料埋地排水管设计时必须首先知道这三个数值，然后才能放在公式中去设计计算。从道理上讲，如果设计时根据了这三个数值，生产企业提供的管材就要保证这三个数值。

但是，在实践中这三个数值不容易获得。首先，管材的弹性模量不容易测量，采用不同牌号和不同配方的原材料弹性模量都会有很大变化。此外，管道纵截面每延米管壁的惯性矩很难计算(埋地塑料排水管一般采用结构壁管，结构截面常常是比较复杂的几何形状)，结构尺寸(如壁厚)的变动会造成惯性矩明显变化。

而且，在设计确定以后，如果要求制造厂保证这三个数值都不变也是很不现实的。

能不能找到一个在实际生产和应用中容易获得、容易检查和容易保证的管材参数(抗外压负载)的方法呢?有一个国际公认的方法，就是引入名称为'环刚度'的数值指标。

国际标准ISO对于环刚度S的定义是(见ISO9967 Annex A):

E材料的弹性模量I惯性矩D管环的平均直径单位是KN/m2

所以，计算竖向管道变形量的公式可以直接用环刚度数值表示为

其中Sp就是国际标准规定的环刚度。

(D=2 ro， = =8Sp)

这样，只要知道环刚度Sp的数值，不需要知道弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值就可以进行设计计算。而环刚度Sp的数值可以通过对管材的实际测量来获得。通过对管材的实际测量来获得环刚度Sp的方法已经标准化，就是国际标准ISO 9969:1994。我国国家标准GB/T 9647-2003 (不是已经被代替的GB/T 9647-1988)'热塑性塑料管材环刚度的测定'等同采用了ISO 9969:1994。

国家标准GB/T 9647-2003测定环刚度的方法比较简单:按要求的方法在两个平行的平板间压缩一段管材，测量在管直径方向变形达到3%时的作用力F，就可以按照以下公式计算出管材的环刚度:

其中，F –相对于管材3%变形时的力值(kN)

L –试样长度(m)

Y –变形量(m) d-内径(m)

为什么用此标准方法实际测量出来的环刚度可以确认为就是我们需要的EI/D数值呢?

因为在两个平行平板间压缩管段产生变形是一个典型的材料力学问题。利用材料力学的分析方法可以证明变形量，作用力和管材的参数EI/D-环刚度有以上公式所表示的明确关系。

国际上都广泛应用环刚度这个数值指标来表示塑料埋地排水管的抗外压负载能力。因为:1)不需要知道弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro的确切数值，只要知道环刚度Sp的数值就可以进行设计计算;

2)环刚度Sp的数值可以通过对管材的实际测量来获得;

3)生产厂只要保证环刚度达到要求，不必保证弹性模量Ep、惯性矩Ip和管道计算半径ro都达到要求。而且环刚度在生产厂可以通过经常检测进行控制。

需要注意的是环刚度是有明确定义的，是塑料埋地排水管设计计算的基础，其测定的方法是由国家标准(国际标准)严格规定的。我们塑料埋地排水管发展很快，因为不了解环刚度的定义和标准，有时出现混淆和误用的情况。

有的企业不按国家标准GB/T 9647-2003(等同ISO 9969:1994)测定(例如，不用平行平板而用两V型板压缩，或者在管侧加限制。)，但是把测出的数值称为环刚度。用户据此设计计算必然失误。

有的地方把国家标准GB/T 9647-2003(等同ISO 9969:1994)定义和测定的环刚度和德国标准DIN16961定义和测定的'环刚度(英文同样用ring stiffness) '、或者和美国标准ASTMD2412的定义和测定的'管刚度Pipe Stiffness'混淆。结果出现了双壁波纹管环刚度达到几十千帕的检测报告。本文对于国家标准GB/T 9647-2003(ISO标准ISO 9969:1994)的环刚度(英文ring stiffness)和DIN标准的'环刚度(英文同样用ring stiffness)'，ASTM标准的'管刚度Pipe Stiffness'之间的差别不再详细说明，这里只是提醒务必注意不同国家的不同标准中对于管材抗外压负载定义的刚度数值指标有不同的定义和相应不同的测定方法，在国内必须统一按国家标准采用GB/T 9647-2003规定的环刚度，在对外交流中则必须问清楚是按那个标准的刚度数值。国际市场趋向统一，越来越多国家接受按ISO标准，ISO 9969:1994已经被欧洲标准组织接受为欧洲标准EN ISO 9969:1995。

管材环刚度试验机主要用途

管材环刚度试验机主要用于各种管材，按材质分:玻璃钢管环刚度试验机，玻璃钢夹砂管环刚度试验机，PE管环刚度试验机，PVC管环刚度试验机，ppr管环刚度试验机等等。

管材环刚度试验机

一、产品描述

适用于具有环形横截面的热塑性塑料管材环刚度的测定，也适用于扁平试验,环柔度试验。满足PE双壁波纹管、缠绕管和各种塑料管材测试标准的要求。另外支持扩展蠕变比率试验功能，用于测定大口径塑料埋地管材，模拟其长期深埋情况下，其环刚度随时间衰减情况。

该系列环刚度试验机已通过欧盟产品CE认证。

二、产品特点

1、龙门型超高刚度框架结构，较宽的速度控制范围,密封式垂直轴支架，超强刚性，无间隙滚珠轴承，使仪器精度高，稳定性好。

2、采用先进的闭环交流伺服免维护控制系统，高精度，高可靠性；进口的减速器及滚珠丝杠提高了控制精度及稳定性。采用高速高分辨率AD采样电路，保证试验数据峰值不丢失，采用分段线性校正的方法保证力值检测部分的高精度，高稳定性。

3、 采用多只力值传感器桥接结构，增强了对大管材的抗偏性，降低了传感器的损坏几率。

4、 独创的拉线式内径测量系统，无任何中间环节，试样安装更方便，测量更直接准确，能准确地测量管材的内径变化。

5、 PC机控制软件，操作直观简便，实现蠕变比率试验曲线绘制、试验过程控制、试验监控、试样数据分析、试验报告打印等功能;采用不等距切割回归算法自动实现标准要求的加载过程，加载成功率高，大大降低了试验难度;长期探索的静力恒载算法保证了加载的快速及恒载稳定。

6、具有超载、过流、过压和超温保护功能，具有机械、电器、软件等多种安全保护功能使试验操作安全可靠。

三、符合标准

标准号

标准名称

GB/T 9647-2003

热塑性塑料管材环刚度的测定

GB/T 18042-2000

热塑性塑料管材蠕变比率的试验方法

GB/T 5352-2005

纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法

ISO 9969-2007

ThermOPLastics pipes - Determination of ring stiffness

ISO 13968:1997

塑料管道及输送系统 热塑性塑料管材环柔性的测定

ISO 9853:1991

压力管道系统用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件 扁平试验

ASTM D 2412-02

用平行板负荷法测定塑料管外负荷性能的试验方法

四、技术参数

试验机等级:0.5级

最大负荷:30kN

适用管径范围:Ф110mm～Ф3000mm

负荷分辨率:1N

负荷精度:±0.5%

位移分辨率:0.001mm

位移精度:±0.5%

速度:0.5mm/min～500mm/min连续可调

速度精度:≥2mm/min 精度：±0.5% ＜2mm/min 精度：±0.5%

适用管材管径:Ф200mm～Ф3000mm

适用管材长度:≤700mm

测量精度:±1%

试验机跨距:1000mm

试验宽度:800mm

环刚度压板尺寸:800mm×500mm

电源:220（1-15%）VAC～220（1+10%）VAC，50Hz 2kVA（单相三线）

外形尺寸（厚x宽x高）:650×1360×4300mm

主机重量:700kg

蠕变比率模块（可选配）

数控静力加载精度<±1%

恒载力值波动度±1％

计时范围1～9999h59min59s

计时分辨率1s

计时偏差<10s

五、仪器配置

（1）主机一台，内部配备：进口减速机一个、滚珠丝杠二根、进口交流伺服电机、进口伺服系统一套

（2）30kN美国进口传感器一套

（3）内径测量系统（≥200mm）一套

（4）环刚度夹具一套

（5）无线遥控器一个

（6）有线控制键盘一个

（7）品牌台式电脑，含主机、液晶显示器、键盘、光电鼠标，一套

（8）品牌彩色喷墨打印机一台

（9）试验应用软件一套（终身免费升级）

（10）《产品用户手册》一套

（11）内六角扳手一组

可选配件：

蠕变比率模块

管材环刚度试验机主要简介

管材环刚度试验机是针对高等院校、科学院所、质检机构而设计的新一代双空间微机控制试验机，可以完成试样的拉伸、压缩、环刚度、弯曲等多种力学性能试验。

备注：数据仅供参考，不作为投资依据。