复合材料检查井盖的设计及在城市路面上的应用

闫来顺

摘 要：随着我国经济的快速发展，我国交通、通讯等基础设施的建设又迎来了一个新周期。检查井盖在城市规划和道路建设中得到大量使用。文章主要研究复合材料井盖优化集这两种优化方法为一体，先运用一种方法尝试了不同的井盖结构，分析他们的受力特点，得出一种比较经济合理的结构，然后运用第二种优化方法，优化该种结构的一些几何尺寸，如优化井盖的板厚，加强筋高度、宽度等尺寸，从而得出一种最为合理的结构。

关键词：复合材料；井盖；设计

随着我国城市基础设施建设事业的持续高速发展，城市中给水、排水、燃气、热力、电力、通讯等各类市政公用地下管线设施日益增加，城市路面上各类地下管线设施的人孔井盖也相应地不断增多。近年来，由于城市路面井盖管理不善，造成全国范围内各类伤人、损车事件频发，严重影响了市民的出行安全，造成不良的社会影响，如何改善和加强城市井盖管理已成为困扰全国各地市政设施管理部门的一个难点、热点问题，引起了各地政府及市政设施管理部门的高度重视。以河南省为例，河南省于2007年颁布了《城市城市道路窖井设施管理办法》，按照市、区两级管理体制，对各井盖产权单位所属窖井设施管理责任做了明确规定，为窖井设施的规范化、制度化管理提供了基础性的法律依据。但政府部门制定出台有关的法律、法规仅仅是加强城市路面井盖管理综合治理措施的一个方面，为切实改善城市路面井盖设施管理状况，还需要客观、全面地分析和研究各方面存在的现实问题和原因，通过政府有关部门的统一领导、组织和协调，各相关责任管理单位和部门、乃至全社会加强协作配合，从各方面采取有针对性的管理对策和措施。以下基于笔者多年从事井盖的质量检测工作经验，主要以城市为例，通过对城市路面井盖设施管理方面存在问题的分析、研究和探讨，提出了相关的管理改进建议和对策。

1 复合材料及其分类

复合材料（Composite materials），是以一种材料为基体（Matr ix），另一种材料为增强体（reinforcement）组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。关于检查井盖被盗造成重大人身交通事故的报道也时有所闻，在社会上造成恶劣影响。随着新材料的不断涌现，各类非金属井盖相继面世。树脂基复合材料井盖以其轻质高强、抗疲劳性能好、破损安全性好、成型工艺性优越、车碾噪音小、不腐蚀、耐酸碱、外表美观等优点并能很好解决铸铁井盖被盗的问题，成为铸铁井盖的理想替代产品。以路面井盖现状为例，通过对城市路面井盖方面存在问题的分析、研究和探讨，提出了相关的改进建议和对策。金属基体常用的有铝、镁、铜及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和己使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钦等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。

2 复合材料井盖的现状与发展

井盖是通往地下设施的出入口顶部的封闭物，凡是安装自来水、电信、电力、燃气、热力、消防、环卫等公用设施的地方都需要安装井盖。随着我国经济的飞速发展，我国基础设施的建设又迎来一个新的建设周期，井盖在城市规划和道路建设中的市场需求量巨大。井盖所用材料以前大部分是钢筋混凝土材质。由于钢筋混凝土具有脆性大、易老化、易断裂等缺陷，而被铸铁、球墨铸铁等材质所代替。目前铸铁（含球墨铸铁）井盖用量在90%以上。但铸铁井盖具有回收价值而经常被盗，由此造成车毁人亡的事件时有发生。为了解决井盖被盗问题，目前主要采用两种方法：一是在铸铁井盖上安装防盗装置，但采用防盗装置增加了成本，且不能从根本上解决问题，给使用带来诸多的不便；还有一种有效的途径就是采用复合材料作井盖，可以从根本上解决井盖被盗的问题。

目前，市场上流行的复合材料井盖有三大类，即钢纤维混凝土井盖、再生树脂复合材料井盖、纤维增强复合材料井盖。这三种井盖都不含或含有少量金属，没有回收价值，可以较好的解决传统的铸铁井盖被盗问题。

3 聚合物基复合材料检查井盖的优化设计

由于聚合物基复合材料井盖的强度与铸铁井盖相比较低，要达到铸铁井盖的承载能力和使用等级，必须将与铸铁相同承载等级的复合材料井盖各个部件做得很厚，这样复合材料井盖才能有较大的使用范围。这种依靠加厚井盖部件的方法无形中增加了井盖的用料和成本。因此，对井盖进行结构优化，选择合理的井盖结构型式，并使井盖的物理性能达到平衡，减少井盖结构的用料，具有较强的实际意义。

基于APDL的ANSYS（有限元法）是APDL技术的延伸和扩展，ANSYS有限元优化技术必须借助APDL实现参数化有限元分析过程才能实现。目前，对复合材料井盖优化主要有两种方法：第一种是对井盖结构的优化，通过采用不同形式的井盖，如平底型、加肋型、鱼肚型等结构，对各种结构形式的井盖做出静力应力场分析，选用承载能力最大且物理性能达到最好井盖结构。该种形式的井盖就是最优方案的井盖。另一种方法是对井盖结构本身的优化，这种方法是对既定结构形式的井盖各个部件的尺寸如井盖盖板厚度、加强筋的高度、肋板厚度进行优化，在井盖工作容许的范围内，找力学性能最优、用料最省的井盖优化方案。

4 加强城市井盖维护管理方面的综合治理

4.1 目前城市井盖管理方面存在的问题

目前城市各类井盖的产权单位有近20个之多，除了市政、电力、路灯、网通、移动、自来水、燃气、热力等管线设施的井盖外，另有一部分属于沿线单位或物业公司的井盖。管线窖井的建设和管理目前仍处于“谁需要、谁建设、谁维护”的多头管理模式，这种各自为政的多头管理体制和模式给城市井盖的日常维护管理造成较大的困难，遇到问题时各方相互推辞扯皮的现象时有发生。

目前，城市井盖维护管理中有两方而的问题较为突出：首先是井盖被盗丢失问题，井盖大量被盗、丢失不但给行人和车辆造成了巨大的安全隐患，也给相关的维护管理部门造成了较大的经济损失，盗卖者仅以每套几十元的低价将盗窃来的井盖当做废铁卖掉.而更换一套新井盖的成木则需几百元甚至上千元。再者就是井盖被机动车压毁的现象，轻型井盖多用在禁止机动车通行的慢车道和人行道上，但在洛阳及其他一些城市因专用的停车场缺乏，机动车甚至重车占用人行道、慢车道停车的现象很普遍，井盖被机动车压坏的现象时有发生。

4.2 城市井盖日常管理的综合治理措施

目前，全国各地城市为了加强路而井盖的日常维护管理工作，出台了不少综合性的治理措施。以城市为例，市政府有关部门在城市井盖管理方面已经采取了一些行之有效的综合治理措施，例如：增加城市管理信息员的队伍，采取分路段包干的形式加大巡查力度；12319城建专线24小时接听市民反映的城市管理中存在的问题，一旦接到井盖缺损的电话立即转发权属单位补装更换井盖，提高了井盖补装效率；各产权单位建立接到电话2小时到达现场，8小时内修复的制度。

但是，对于在城市井盖管理中尚存在的一些薄弱环节，应当引起政府有关部门的高度重视，并研究采取切实有效的对策。例如，有些井盖产权单位的界定问题对强化井盖的日常管理至关重要。建议首先应尽快做好地下管线普查工作，建立地下管线信息计算机管理系统，对每座检查井颁发身份证，标明检查井详细位置、井盖规格编号、产权单位，对应现场检查井逐一标明井盖编号、产权单位、统一的举报电话。如果这些监管措施能得到有效落实，一旦哪个井盖丢失损坏了，不仅专业巡查人员能准确说出位置、类型，任何市民也可在第一时间拨打电话准确投诉井盖身份，使接听办件人能够尽快确定井盖的规格类型、权属单位等信息，在第一时间通知到特定的产权责任人，避免了各井盖产权单位之间相互推辞，井盖的补装效率可以大大提高。国内已有济南等城市已开始尝试将射频识别技术（UHF-RFID）等更先进的技术手段应用于城市市政管线资源。例如，只要对城市中的各类市政公用设施井盖加贴上电子标签，有关管理人员只需用电子识别器扫描标签，即可明确具体的井盖产权单位，解决了井盖丢失后补装处理时间过长等问题；同时，有关城市市政设施管理部门只要打开计算机管理系统，全部加贴电子标签的井盖是否完好、归谁管理等管理信息就可一目了然，极大地提高了管理效率。

对于井盖丢失问题，除加大对破坏、偷盗井盖等不法行为的处罚力度、提高对举报破坏偷盗井盖线索人的奖励标准外，建议建立统一的井盖回收制度：对碎、裂、废、旧井盖设施一律由城市管理机构统一组织回收，其他任何单位和个人不得擅自处理或收购井盖，从法规和制度上防控井盖丢失现象。对于机动车占用人行道、慢车道造成的井盖损毁现象，应由公安交警、城市规划等各部门的齐抓共管，以最大限度地减少井盖损毁。另外，建议道路红线范围内，无论快车道、人行道统一采用重型井盖设计荷载标准，以解决机动车占用人行道、慢车道易造成井盖损毁的问题。

5 结语

城市路面井盖管理问题关乎社会民生，井盖管理水平的好坏也反映了一个城市的市政设施综合管理水平，在某种程度上可以说是对承担社会公共管理职能的政府智慧和能力的考验，体现了一个城市或地区的社会整体发展水平。在目前的社会条件下，要有效改善城市路面井盖的维护管理水平，仅仅靠一两个部门的监管是远远不够的，需要建立健全的相关法律、法规体制，更需要科学的系统性管理机制和体制的有效保障以及全社会的关注和参与。