環剛度，是壓力管道的承受的負載有內部壓力和外部壓力。無壓管道承受外壓負載。
基本介紹
- 中文名：環剛度
- 外文名：The ring stiffness
- 概念：塑膠埋地排水管的關鍵性能
- 分類：壓力管道、無壓管道
無壓管道,測定,選擇,
無壓管道
埋地鋪設塑膠管有兩類，一類是內部有壓力的，習慣稱為‘壓力管道’，如輸送水管道或燃氣的管道；一類是內部是沒有壓力（或很低壓力）的，如：污水管道或雨水管；稱為‘無壓管道Non-pressure Pipe ’。
壓力管道的承受的負載有內部壓力和外部的壓力。通常內部壓力產生的應力是造成管材破壞的主要因素，破壞的形式是管壁內的拉應力造成的變形過大和破裂（塑膠管通常是由蠕變造成）。設計時一般先按承受內壓負載進行設計計算，選擇材料和結構數據（如壁厚），然後再考慮外壓負載進行設計驗算，必要時修改結構數據。
無壓管道承受外壓負載（通常內壓負載忽略不計）。破壞的形式是外壓負載造成管材變形過大或壓屈失穩（Buckling）。設計時按照外壓負載進行設計計算，選擇材料和結構數據。本文討論的塑膠埋地排水管是指無壓管道。
外壓負載比較複雜，主要包括土壤重量和地面產生的靜負載，以及運輸車輛經過時產生的動負載。塑膠埋地排水管承受負載的機理也比較複雜，因為塑膠管屬於柔性管（Flexible Pipe），在外壓負載下管材和周圍的土壤（回填材料）產生‘管土共同作用’。換句話說，是管材和周圍土壤（回填材料）共同來承受外壓負載。
世界各國在埋地管道的設計計算方面還沒有完全一致的方法，但是絕大多數國家都以美國SpanglerR公式（或稱Spangler的 lowa 公式）作為計算埋地柔性管外壓負載下變形量的基礎公式（根據變形量再計算出管材內的應力）。
我國的國家標準和國家級的設計規程也是以此公式為基礎的。以下是我國CECS 164標準‘埋地聚乙烯排水管道工程技術規程’中計算塑膠埋地排水管在外壓負載下，豎向管道變形量的公式；
決定埋地柔性管外壓負載下變形量的一方面是負載的大小（公式中分子部分），另一方面是管材結構性能和周圍土壤結構性能兩者之和（公式中分母部分的兩項）。
所以，決定塑膠埋地排水管鋪設後能否正常工作的，‘負載’、‘管材’和‘土壤（回填）’三個參數都很重要，而且相互影響。
測定
根據承受負載的管土共同作用，從以上公式中我們可以看到管材的結構性能是決定能否承受負載的重要參數。這個管材參數（抗外壓負載）由三個由管材材料、結構和尺寸決定的因素（Ep Ip ro）：
Ep---管材短期的彈性模量（kN/m）
Ip----管道縱截面每延米管壁的慣性矩（m4/m）
ro----管道計算半徑（管壁中性軸半徑）（m）
所以，從理論上講，每當我們進行塑膠埋地排水管設計時必須首先知道這三個數值，然後才能放在公式中去設計計算。從道理上講，如果設計時根據了這三個數值，生產企業提供的管材就要保證這三個數值。
但是，在實踐中這三個數值不容易獲得。首先，管材的彈性模量不容易測量，採用不同牌號和不同配方的原材料彈性模量都會有很大變化。此外，管道縱截面每延米管壁的慣性矩很難計算（埋地塑膠排水管一般採用結構壁管，結構截面常常是比較複雜的幾何形狀），結構尺寸（如壁厚）的變動會造成慣性矩明顯變化。
而且，在設計確定以後，如果要求製造廠保證這三個數值都不變也是很不現實的。
能不能找到一個在實際生產和套用中容易獲得、容易檢查和容易保證的管材參數（抗外壓負載）的方法呢？有一個國際公認的方法，就是引入名稱為‘環剛度’的數值指標。
國際標準ISO對於環剛度S的定義是（見ISO9967 Annex A）：
所以，計算豎向管道變形量的公式可以直接用環剛度數值表示為
其中Sp就是國際標準規定的環剛度。
（D=2 ro， = =8Sp）
這樣，只要知道環剛度Sp的數值，不需要知道彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計算半徑ro的確切數值就可以進行設計計算。而環剛度Sp的數值可以通過對管材的實際測量來獲得。通過對管材的實際測量來獲得環剛度Sp的方法已經標準化，就是國際標準ISO 9969:1994。我國國家標準GB/T 9647-2003 （不是已經被代替的GB/T 9647-1988）‘熱塑性塑膠管材環剛度的測定’等同採用了ISO 9969:1994。
國家標準GB/T 9647-2003測定環剛度的方法比較簡單：按要求的方法在兩個平行的平板間壓縮一段管材，測量在管直徑方向變形達到3%時的作用力F，就可以按照以下公式計算出管材的環剛度：
其中，F –相對於管材3%變形時的力值（kN）
L –試樣長度（m）
Y –變形量（m） d—內徑（m）
為什麼用此標準方法實際測量出來的環剛度可以確認為就是我們需要的EI/D數值呢？
因為在兩個平行平板間壓縮管段產生變形是一個典型的材料力學問題。利用材料力學的分析方法可以證明變形量，作用力和管材的參數EI/D—環剛度有以上公式所表示的明確關係。
國際上都廣泛套用環剛度這個數值指標來表示塑膠埋地排水管的抗外壓負載能力。因為：1）不需要知道彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計算半徑ro的確切數值，只要知道環剛度Sp的數值就可以進行設計計算；
2）環剛度Sp的數值可以通過對管材的實際測量來獲得；
3）生產廠只要保證環剛度達到要求，不必保證彈性模量Ep、慣性矩Ip和管道計算半徑ro都達到要求。而且環剛度在生產廠可以通過經常檢測進行控制。
需要注意的是環剛度是有明確定義的，是塑膠埋地排水管設計計算的基礎，其測定的方法是由國家標準（國際標準）嚴格規定的。我們塑膠埋地排水管發展很快，因為不了解環剛度的定義和標準，有時出現混淆和誤用的情況。
有的企業不按國家標準GB/T 9647-2003（等同ISO 9969:1994）測定（例如，不用平行平板而用兩V型板壓縮，或者在管側加限制。），但是把測出的數值稱為環剛度。用戶據此設計計算必然失誤。
有的地方把國家標準GB/T 9647-2003（等同ISO 9969:1994）定義和測定的環剛度和德國標準DIN16961定義和測定的‘環剛度（英文同樣用ring stiffness） ’、或者和美國標準ASTMD2412的定義和測定的‘管剛度Pipe Stiffness’混淆。結果出現了雙壁波紋管環剛度達到幾十千帕的檢測報告。本文對於國家標準GB/T 9647-2003（ISO標準ISO 9969:1994）的環剛度（英文ring stiffness）和DIN標準的‘環剛度（英文同樣用ring stiffness）’，ASTM標準的‘管剛度Pipe Stiffness’之間的差別不再詳細說明，這裡只是提醒務必注意不同國家的不同標準中對於管材抗外壓負載定義的剛度數值指標有不同的定義和相應不同的測定方法，在國內必須統一按國家標準採用GB/T 9647-2003規定的環剛度，在對外交流中則必須問清楚是按那個標準的剛度數值。國際市場趨向統一，越來越多國家接受按ISO標準，ISO 9969:1994已經被歐洲標準組織接受為歐洲標準EN ISO 9969:1995。
選擇
環剛度是塑膠埋地排水管抗外壓負載能力的綜合參數，顯然，為了保證塑膠埋地排水管在外壓負載下安全工作，環剛度的選擇是設計中的關鍵之一。如果管材的環剛度太小，管材可能發生過大變形或出現壓屈失穩破壞。反之，如果環剛度選擇得太高，必然採用過大的截面慣性矩，將造成用材料太多，成本過高。
常常有用戶詢問能不能根據埋深等外壓負載情況用一個簡單方法選擇環剛度，回答是不能。原因就是因為塑膠埋地排水管承受外壓負載的機理是‘管土共同作用’，是管材承受負載的能力（環剛度）和管道周圍土壤（回填材料）承受負載的能力兩方面結合決定工程的成敗。所以環剛度的選擇不僅取決於外壓負載的情況還取決於鋪設後管道周圍土壤（回填材料）的情況（變形量公式中的數值Ed—管側土綜合彈性模量（kN/m），Ed又取決於回填材料的種類、壓實程度、槽側原狀土情況等）。
按我國的技術規程，環剛度的選擇是先初步選擇，然後進行‘管道結構設計’，進行管道變形驗算、強度計算、壓屈失穩計算等。如果計算結果不滿足要求就增大環剛度重新計算，（或者減少後重新計算）。
在國外的有關標準和規程中有以下方法可供參考：
歐洲標準草案prEN13476-3
無壓埋地排水排污用熱塑性塑膠管系統--硬聚氯乙烯(PVC-U),聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)的結構壁管系統。
