pvc管在管线设计中应注意的几点问题
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摘要：通过设计工作中实践经验,针对PVC管的性能及特性,重点介绍了PVC管在管线设计中应注意的几点问题。
关键词：抗拉强度 弹性系数 内外压强度 水头损失 流量 伸缩量 支撑间距
管(全称塑胶硬质管)的应用，始于第二次世界大战后的1940年，由欧洲、美国、日本等工业国家相继开发、推广。在我国近二、三十年来，因建筑业、工商业及农渔业的蓬勃发展，由于管具有优异的特性及符合经济实用的价值，促使其使用量与日俱增，在建筑工程、一般土木工程、自来水工程、下水道工程、电讯工程、农渔业工程等，皆普遍、广泛应用。笔者在几年的设计工作中大量接触到有关管的管线设计，特总结出以下几点应注意的问题，与大家共同探讨。
1. 管的抗拉强度
1.1 管的抗拉强度，是将试片以10mm/min的拉引速度，测定其断裂时最大荷重，除以试片的最小断面积而得。
1.2 管的抗拉强度与温度的高低变化有密切的关系，温度提高时, 抗拉强度、弹性系数会相对的降低温度降低时, 抗拉强度、弹性系数会提高，而温度低于0℃时会逐渐有脆性现象，故在管线设计上需留意温度的条件。
1.3 参照图1，是管的抗拉强度与温度的关系曲线图，温度在20℃时， 抗拉强度可达530kg/cm2，如在40℃时，则会降至400kg/ cm2。
1.4 图2为管长期间负荷后的抗拉强度变化曲线，该曲线与疲劳曲线很相似，但当其负荷时间延长时，其强度则随时间的增长而逐渐降低，伸长率则有增加的趋势，因此管在管线设计上仍需考虑到长期使用的强度变化问题。
1.5 参照图2，管的强度虽然随负荷时间而减低，但其减低率亦随时间的增加而越来越小，约到1000小时后几乎不再减低。其长期抗拉强度约为瞬间抗拉强度的1/2，此强度既是管的长时间强度，或持久性强度，是一般设计的依据。
1.6 管的设计使用年限，均依据图2的关系曲线设定为50年，但如果 管埋在地下而不露出配管，其寿命应可超过50年。
2. 管的弹性系数（杨氏系数）
2.1 材料的应力与所产生变化之比，称为“弹性系数”，公式: E=S/△。
2.2 弹性系数的测定方法，除可由荷重试验依上式计算外，也可用振动方式作间接测定，图1的弹性系数曲线是由振动方式测定所得的结果。该弹性系数与温度的关系曲线上，有两个转移点，第一次转移点显示管开始软化，第二次转移点因其极限伸长率渐小，强度增加，但是延性渐消失，冲击强度变弱，开始有脆性发生。
2.3 管在常温的弹性系数约2.8~3.4×104kg/cm2，在外压强度的计算上，一般采用3?104kg/cm2。
3. 管的内压强度
3.1 管瞬间的爆破水压，可由下列Naday式计算获得。
PB=2tf/Dm=2tf/（D-t）=4tf/（D+d）
式中： PB：瞬间的爆破水压（kg/cm2）
f：抗拉强度（一般采用500 kg/cm2）（kg/cm2）
t：管厚（cm）
Dm：管中线口径（cm）
D：管外径（cm）
d：管内径（cm）
3.2 管的最高常用水压，一般所采用的安全系数S=6。
3.3 管的使用温度，一般以常温最适合，如使用温度提高，其耐内压强度的比率应相对加以降低，其各种温度下的耐内压比率可参照表1采用。
表1管使用温度与耐压的关系
使用温度（℃）
20
25
30
40
50
60
使用压力比率（%）
100
95
85
65
35
10
pvc管在管线设计中应注意的几点问题 :
4. 管的外压强度
4.1 管所承受的外压， 土压和轮压，可由Janssen式计算。
垂直土压：PE=Bρ〔L-（2Ktanθ）/2Ktanθ〕
垂直轮压：PM=（L+i）W/（L+h）（b+2h）
式中：B：新挖掘的管沟宽度（计算采用50cm）（cm）
ρ：覆盖土壤的密度（0.0018kg/cm3）（kg/cm3）
h：覆土高度（cm）
i：车轮荷中的冲击率（一般采用0.3）
W：轮胎荷重（后轮一轮）（kg）
L：轮胎的接地长度（cm）
b：轮胎的接地宽度（cm）
K=（1-sinθ）/（1+sinθ）
表220吨卡车的车轮尺度与荷重
20吨卡车
WLb
8000kg
52cm
20cm
exp（n）=ene=2.71828自然对数的底
由Janssen式计算的土压、轮压与埋设深度的关系见表3
表320吨卡车的土压、轮压
埋设深度（cm）
30
60
90
120
150
180
210
土压（kg/cm2）
0.053
0.099
0.138
0.171
0.200
0.224
0.245
20吨卡车轮压（kg/cm2）
1.160
0.4431
0.225
0.137
0.092
0.066
0.051
20吨卡车冲击轮压（kg/cm2）
1.740
0.647
0.338
0.206
0.138
0.099
0.077
土压+冲击轮压（kg/cm2）
1.793
0.746
0.476
0.377
0.388
0.323
0.322
注: 冲击轮压=轮压×1.5
4.2 管的埋设深度，一般在公路上，配合土压、轮压的条件，应埋设1.2~1.5M的深度，人行道为0.9M，住宅巷道为0.6M。
4.3 管能承受的耐外压强度，由下式计算：
PS==0.559E()3
式中：PS：管能承受的耐外压强度（kg/cm2）
F：单位长度的耐压荷重（kg/cm）
△Y：受压后的口径压缩量（cm）
E：管的弹性系数（kg/cm2）
t：管的厚度（cm）
r：管的半径（cm）
注: 管的弹性系数，一般采用3×104kg/cm2
5.管的伸缩问题
5.1 管与其他材质相同，具有热胀冷缩的特性，其线膨胀系数，也随温度的高低而有变化，一般以0~100℃的平均值表示，参照图3当温度增高时其线膨胀系数亦随之增加，常温下线膨胀系数在6~8×10-5/℃，管线设计中一般采用7×10-5/℃。
5.2 管因材质的热胀冷缩，其管线受气温的变化，将会产生伸缩，其伸缩量可由下列公式计算。
△l=（Q1-Q2）L・a
式中：△l：管线伸缩量（cm）
Q1-Q2：温度差（℃）
L：直线配管长度（cm）
a：线膨胀系数（℃-1）
5.3 管的管线设计中，直线配管必须考虑伸缩问题，尤其露出配管更应留意，若采用活套管，因活套管的承口本身就是一种伸缩接头，所以不必考虑本项问题。但露出配管采用TS冷接法，配管直线长度超过50M，就应安装伸缩接头或Ω状伸缩接头（ExpansionJoint），而活套管施工时，应依规定预留间隙，才可发挥伸缩效果。
6.排水管的流量计算
6.1 管的排水流动，一般靠管线的坡度来达成流动效果(以泵输送,不在本文叙述范围中)。由于管的内壁很光滑，其粗糙程度系数为0.009(铸铁为0.015)，故在相同的内径之下，管的流量远较金属管为大，且长期使用管内不会粘附水垢，故流量始终不至有低落的变化，在加管的优异耐酸、耐碱、耐腐蚀特性，为下水道工程管线最实用的管材之一。
6.2 排水管的流量计算，可用Maning式计算。
Q=A・V
V=R2/3・I1/2
式中：Q：流量（m3/sec）
A：流水断面积（m2）
n：粗糙系数
R：径深（m）
I：管路的坡度（以分数或小数表示）
R=（满管或半管，R=）
S：流水断面弧长（m）
粗糙系数：管：0.009 水泥管：0.013 铸铁管：0.015
7.管的水头损失与流量
7.1 自来水管因直线配管长度，管内水的流速产生的摩擦水头损失可由下式计算。
h=λ・……………………（1）
式中： h：损失水头（m）
λ：摩擦系数
l：配管长度（m）
d：管内径（m）
V：流速（m/sec）
g：重力加速度（9.8m/sec2）
I=（动水坡度）………………（2）
由（1）、（2）式，可得
V=（2g）0.5λ-0.5・I 0.5・d 0.5
7.2 流量计算
Q=（2g）0.5λ-0.5・I 0.5・d 2.5=3.4776λ-0.5・I 0.5・d 2.5
3.4776λ-0。5= C（流量系数）
由以上得：Q= C・I 0.54・d 2.27（适用于口径在63mm以下的管子）
流量系数：C=215
Q=0.2785C・I 0.57・d 2.63（适用于口径在75mm以上的管子）
流量系数：C=140
8.管外露配管的支撑间距
表4管外露配管的支撑间距单位:m
标称管径
直向支撑间距
横向支撑间距
11/4''（40Φ）以下
1.5
1.0
11/2''（50Φ）～21/2''（50Φ）
2.0
1.5
3''（90Φ）以上
2.5
2.0
pvc管在管线设计中应注意的几点问题 :