环刚度的测定
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发布时间：2022-04-24 10:14
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时间：2023-10-10 02:04
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*。），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AS*2412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。
