基于100 年设计使用年限的玻璃纤维增强塑料管管道结构设计研究

阮超 陈建中 张延军 李胡爽 张冲博

1.中建三局绿色产业投资有限公司 武汉430035

2.武汉理工大学理学院新材料力学理论与应用湖北省重点实验室 430070

引言

玻璃纤维增强塑料管作为一种复合材料管道结构，具有优良的水力特性及耐腐蚀性能，在国内外的给排水工程中均得到较广泛应用，尤其是在排水工程中，与其他传统管材相比具有显著优势［1，2］。城市深隧排水系统是建设在地下深层空间的排水系统，一般超过地面以下20m深，被认为是一种能够解决当前城市内涝问题的有效措施，同时还具有征地和拆迁量较少的优点，成为改善城市排水能力的重要手段之一，在国外得到较广泛的应用，近年来也引起了国内的广泛关注，在部分城市也开始论证与启动建设［3，4］。

城市深隧排水系统的隧道结构一般采用双层结构，外层衬砌为混凝土管片衬砌，内层再安装混凝土管、玻璃纤维增强塑料管或现浇混凝土等类型的衬砌，但由于二衬混凝土结构在耐污水腐蚀及施工效率等方面存在一定的问题，玻璃纤维增强塑料管成为比较理想的二衬深隧结构［5］。城市深隧结构系统工程投资大，影响深远，目前大部分都是按100 年的设计使用年限进行设计的，但现行玻璃纤维增强塑料管管道结构设计规范《给水排水工程埋地玻璃纤维增强塑料夹砂管管道结构设计规程》（CECS 190—2005）［6］是按50年的设计使用年限进行设计的，因此采用玻璃纤维增强塑料管道作为深隧的二衬结构，其中一个比较关键的问题就是如何基于100 年的设计使用年限来设计玻璃纤维增强塑料管道结构。本文将针对基于100 年设计使用年限的玻璃纤维增强塑料管结构设计方法展开研究。

1 设计使用年限的概念

设计使用年限是设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按预定目的使用的年限。根据定义可见，设计使用年限是设计规定的一个时段，在这一规定时段内，结构只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，并完成预定的功能，即工程结构在正常使用和维护下所应达到的使用年限。设计年限并不是一个固定值，与结构的用途和重要性有关。结构的设计、施工和维护应使结构在规定的设计使用年限内以适当的可靠度且经济的方式满足规定的各项功能要求。

现行的管道结构设计规范《给水排水工程管道结构设计规范》（GB 50332—2002）［7］没有对管道结构的设计使用年限进行明确规定，而CECS 190—2005 是以GB 50332—2002 为基础进行编制的，也没有直接给出玻璃纤维增强塑料管的设计使用年限，但是在“长期静水压应力基准值”的定义中提到“连续施加静水压力至管材设计使用年限时，出现管材失效的临界管壁平均拉伸应力值。当管材设计使用年限无说明时，取50 年。”《城镇给水排水技术规范》（GB 50788—2012）［8］给出了管道设计使用年限的规定：“城镇给水排水设施中主要构筑物的主体结构和地下干管，其结构设计使用年限不应低于50 年。”因此目前管道结构的设计使用年限一般取50 年，但对于一些重大工程通常可取50 年以上，如核电循环水管道的设计使用年限一般取60 年［9］，墨尔本北部深隧工程所采用的玻璃纤维增强塑料管道的设计使用年限明确为100 年［10］。

2 不同设计使用年限对玻璃纤维增强塑料管管道结构设计的影响

结构设计一般包括三部分内容：作用、抗力和结构设计方法，下面分别对这三部分内容在不同设计使用年限时对玻璃纤维增强塑料管管道结构设计的影响进行分析。

作用是施加在结构上的集中力或分布力和引起结构外加变形或约束变形的原因。玻璃纤维增强塑料管道上施加的作用主要包括永久作用和可变作用两类。永久作用包括土压力和管自重。可变作用包括：管道内的静水压力、地面堆积荷载、地面车辆荷载、管道运行时出现的真空压力、地下水作用。永久作用与设计使用年限基本没有关系，但可变作用与设计使用年限相关，设计使用年限越长，可变作用出现“大值”的概率就越大。

抗力是结构或结构构件承受作用效应和环境影响的能力，如强度、刚度等。玻璃纤维增强塑料管道作为一种树脂基复合材料结构，其强度、刚度等性能均具有一定的时间相关性，随着使用时间的增加其抗力会按一定的规律降低。因此抗力是与设计使用年限直接相关的，设计使用年限越长，玻璃纤维增强塑料管的抗力会越小。

玻璃纤维增强塑料管管道结构设计一般采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以可靠指标度量管道结构的可靠度，除管道的稳定验算外，均采用分项系数的设计表达式进行设计。可靠度是结构在规定的时间，在规定的条件下，完成预定功能的概率。这里“规定的时间”就是指设计使用年限。因此结构的可靠度与结构的设计使用年限有关，而可靠度在结构设计中的具体体现形式就是分项系数，因此结构设计表达式中的分项系数也与设计使用年限有关。

在针对不同设计使用年限的玻璃纤维增强塑料管道结构进行设计时，需要同时考虑上述三方面的影响。不同设计使用年限下玻璃纤维增强塑料管道结构的作用及设计方法与其他结构从概念上而言没有本质的区别，可参考其他管道结构的做法，下面重点对与材料相关的抗力和设计使用年限的关系进行进一步的分析。

3 不同设计使用年限下玻璃纤维增强塑料管的抗力分析

玻璃纤维增强塑料管的抗力主要体现在一个刚度指标和两个强度指标上。一个刚度指标是指管材的刚度等级。由于复合材料的强度比较复杂，为了便于工程应用，在CECS 190—2005 中采用了等效折算的强度，根据一般埋地管道的受力特征确定了环向拉伸和环向弯曲两个等效折算强度，因此两个强度指标为环向等效折算抗拉强度和环向等效折算抗弯强度。

3.1 刚度等级

刚度等级是玻璃纤维增强塑料管环向初始特定环刚度的级别，其表征管环在外荷载下抵抗变形能力，按下式计算：

式中：S为环刚度；EI为沿管道轴向单位长度内管壁环向弯曲刚度；D为管道计算直径。

初始环刚度应不小于刚度等级。管道的环刚度本身是与设计使用年限相关的，因为管材的弹性模量与使用时间相关，但根据刚度等级的定义，其为管道的初始性能值，由管材的初始弹性弯曲模量及管道的直径、惯性矩确定，与设计使用年限无关。

在管道结构长期使用过程的设计中采用初始环刚度，在概念上存在一定问题，但是目前国内外都是这样做的，主要是因为环刚度主要用于稳定性和变形的计算，而这两项除了与环刚度相关外还与土的性能相关，并且在一定程度上土的影响比环刚度的影响要大的多。土也是采用初始性能参与计算的，而土的变形模量会随着时间的增加而提高，该性能的提高对管道的稳定性和变形计算都是有利的。因此采用初始环刚度进行长期性能分析是偏安全的，没有必要考虑管道的粘弹性采用长期环刚度进行设计［11］。

3.2 环向等效折算抗拉强度

根据CECS 190—2005 的确定原则，当有相应管材的长期性能试验数据时，管材的环向等效折算抗拉强度标准值应按下式确定：

式中：fth，k为管材的环向等效折算抗拉强度标准值（MPa）；HDB为管材的长期静水压应力基准值（MPa），是指连续施加静水压力至管材设计使用年限时，出现管材失效的临界管壁平均拉伸应力值，当管材设计使用年限无说明时取50 年，因此HDB是与设计使用年限有关的。

玻璃纤维增强塑料管的环向等效折算抗拉强度设计值应按下式计算：

式中：γh为管材的环向抗拉强度分项系数，取γh＝1.40；fth为等效折算抗拉强度设计值。

定义一个由于设计使用年限与HDB 基准时间50 年不同而对管材的环向等效折算抗拉强度进行调整的系数γLh，即有：

式中：γLh为环向等效折算抗拉强度调整系数；fth，50为设计使用年限为50 年的等效折算抗拉强度设计值；fth，y为设计使用年限为y 年的等效折算抗拉强度设计值。

根据HDB 的实验及数据分析处理方法［12］可得：

式中：y为设计使用年限；Gh为管材的长期静水压应力基准值试验所得回归曲线的斜率。

一般给排水玻璃纤维增强塑料管道的设计使用温度小于50℃，偏安全按50℃考虑，参照《石油及天然气工业玻璃钢（GRP）管道第二部分：质量鉴定及生产》（ISO 14692-2：2017）［13］，可取Gh＝-0.07，则由式（5）当设计使用年限y取100年时，γLh＝1.0497，实际设计计算时可取γLh＝1.05。

3.3 环向等效折算抗弯强度

当有相应管材的长期性能试验数据时，管材的环向等效折算抗弯强度标准值应按下式确定：

式中：ftm，k为管材的环向等效折算抗弯强度标准值（MPa）；Sb为管材的长期环向弯曲应变基准值（mm／mm）；Ep为管材的环向弯曲弹性模量（MPa）。

Sb是管材设计使用年限内，管壁在环向弯曲作用下失效（出现结构分层或纤维断裂）时的环向最大应变值，显然该值是和设计使用年限相关的，一般无特殊说明也取50 年。

玻璃纤维增强塑料管的环向等效折算弯曲强度设计值按下式计算：

式中：γm为管材的环向抗弯强度分项系数，取γm＝1.20；ftm为等效折算抗弯强度设计值。

定义一个由于设计使用年限与Sb基准时间50 年不同而对管材的环向等效折算抗弯强度进行调整的系数γLm，即有：

与HDB类似，根据玻璃纤维增强塑料管长期性能的实验及数据分析处理方法同样可得：

式中：Gm为管材的长期环向弯曲应变基准值试验所得回归曲线斜率。

目前国内外还没有规范给出Gm的推荐值，参考CECS 190—2005 及实际实验结果，Sb的保留率一般不小于HDB 的保留率，因此Sb的回归曲线斜率的绝对值不小于HDB 回归曲线的斜率，则当设计使用年限y 取100 年时，偏安全Gm可以与Gh取相同的值，则γLm也可取γLh相同的值，即有γLm＝1.05。

3.4 长期性能对材料标准值的影响分析

在前面两小节中提到的两个材料标准值主要取决于两个长期性能参数：HDB 和Sb，而这两个长期性能参数的确定本文均是采用基于标准的50年长期性能参数直接进行外推得到的。现行国内外关于长期性能的规范及理论基本上都是基于双对数线性规律的，因此该外推方法是合适的。

回归曲线斜率与所采用的原材料性能、管壁的工艺铺层等直接相关，非常复杂。本文在参考国内外相关规范及有关试验结果的基础上，给出了一种相对偏保守的简化取值方法，这种方法对材料标准值的取值是有影响的。实际设计中可以参考CECS 190—2005 的处理方法，当有具体的长期性能试验数据时，取实际试验结果的回归曲线斜率；若没有长期性能试验数据时，则可按本文的方法取默认的相对偏保守的回归曲线斜率及相应的强度调整系数。

4 基于100 年设计使用年限的管道结构设计

设计基准期是为确定可变作用的取值而规定的标准时段，在常见的工程结构设计中一般取50年，管道结构的设计基准期也为50 年。由于结构上的各种可变作用均是根据设计基准期确定其标准值的，即管道结构上的各种可变作用的标准值取其50 年一遇的最大值分布上的“某一分位值”，对于设计使用年限为100 年的管道结构，要保证结构在100 年时具有设计要求的可靠度水平，理论上要求结构上的各种可变作用应采用100 年一遇的最大值分布上的相同分位值作为可变作用的“标准值”。这样会导致针对同一种可变作用会随设计使用年限的不同而有多种“标准值”，不便于荷载规范表达和设计人员使用。因此在GB 50153—2008 中首次提出了考虑结构设计使用年限的荷载调整系数γL。γL为可变作用在其他设计使用年限如100 年一遇的最大值分布上，与该可变作用50 年一遇的最大值分布上标准值的相同分布值的比值。参照GB 50153—2008的取值，对玻璃纤维增强塑料管管道结构，当设计使用年限为100 年而设计基准期为50 年时，可取γL＝1.1。

根据前面的分析，参考CECS 190—2005，可采用以下三式进行强度计算：

式中：γ0为结构重要性系数，当设计使用年限为100 年时取1.1；γL为结构设计使用年限的荷载调整系数，当设计使用年限为100 年时取1.1；γLh为环向等效折算抗拉强度调整系数，当设计使用年限为100 年时取1.05；γLm环向等效折算抗弯强度调整系数，当设计使用年限为100 年时取1.05；αf为管材的环向等效折算抗拉强度设计值与等效折算抗弯强度设计值的比值，即αf＝fthγLm／（ftmγLh）；其余参数均与CECS 190—2005相同，可具体参考该规范。

玻璃纤维增强塑料管的结构设计主要是确定管材的刚度等级和压力等级。刚度等级仍然采用CECS 190—2005 中的相关公式计算确定。压力等级是管材最大允许工作压力的级别，取决于管材强度，因此可由本文中的式（10）、式（11）和式（12）计算所需管材强度后再根据CECS 190—2005 中的相关原则确定压力等级。采用以上方法按默认的回归曲线斜率对某玻璃纤维增强塑料管道工程分别按50 年和100 年的设计使用年限进行设计，所需管材的刚度等级不变，但压力等级将增加30%左右。

5 结语

本文通过对设计使用年限的基本概念进行深入分析，结合结构设计的作用、抗力和结构设计方法三部分内容，指出了不同设计使用年限对玻璃纤维增强塑料管管道结构设计的影响；然后根据玻璃纤维增强塑料管的性能特点，重点对其在100 年设计使用年限下的抗力进行了分析，确定了环向等效折算抗拉强度调整系数和环向等效折算抗弯强度调整系数，在此基础上建立了基于100年设计使用年限的玻璃纤维增强塑料管管道结构设计的基本方法。通过与基于50 年设计使用年限的设计结果进行比较，按基于100 年设计使用年限进行设计时，玻璃纤维增强塑料管的刚度等级不变但压力等级将提高30%左右。本文提出的设计方法可供100 年设计使用年限的玻璃纤维增强塑料管道结构工程设计参考。