玻璃钢公路用夹砂管涵洞初始环刚度试验研究

环刚度是指玻璃钢夹砂管在荷载作用下抵御变形的能力，是反映玻璃钢夹砂管力学性能的关键参数。玻璃钢夹砂管的环刚度与管道的变形能力成正比、与直径成反比，玻璃钢夹砂管的轴向变形能力很大程度上取决于其环刚度。该文通过试验测试不同长度玻璃钢夹砂管在外部线荷载作用下的环刚度、刚度系数、荷载和变形关系，分析玻璃钢夹砂管环刚度的影响因素和变化规律。

１试验方案

１．１试验方法及工况

试验使用土木工程拟动力结构试验系统电液伺服试验加载机。试验开始前，先对不同尺寸试样进行准确测量，取试样管周截面的４个平分点，测量各点的轴向长度及管壁厚度，求平均值，并多点测量管道内径，取平均值作为管道测量内径。然后安装试件，预加载，让试件与加载装置接触稳定。为更清晰地对比各工况（见表１）下荷载与变形关系，设定试验终止荷载为３０ｋＮ。加载方式采用位移控制方法，加载速率为５ｍｍ／ｍｉｎ。试验终止后导出试验结果及荷载－变形曲线。

１．２计算方法

管环向刚度按（１）计算，刚度因子按式（２）计算，

管径变形率按式（３）计算。

ＰＳ＝Ｆ／ΔＹ（１）

ＳＦ＝０．１４９ｒ３Ｓ（２）

Ｐ＝ΔＹ／ｄ×１００％（３）

式中：ＰＳ为管径变化量ΔＹ对应的管环向刚度（ｋＰａ）；Ｆ为ΔＹ对应的线荷载（ｋＮ／ｍ）；ＳＦ为管道环向刚度对应的刚度因子；ｒ为试样平均半径；Ｐ为管道径向变形率；ｄ为试样平均内径。

试验结果及分析

２．１环刚度试验结果

２０１８年第４期魏彬：公路玻璃钢夹砂管涵洞初始环刚度试验研究１４３

长度４０、７０、１００ｃｍ玻璃钢夹砂管在不同荷载作用下的位移分别见表２～４，荷载－变形曲线分别见图２～４。

 

根据公式计算，得４０ｃｍ长玻璃钢夹砂管在承受３０ｋＮ荷载时的变形为１６．２ｍｍ，管道的环向刚度为２．３ＭＰａ、刚度因子为２．８ｋＰａ·ｍ３、变形率为２．４３％；７０ｃｍ长玻璃钢夹砂管在承受３０ｋＮ荷载时的变形为１３．３ｍｍ，管道的环向刚度为２．６ＭＰａ、刚度因子为３．２ｋＰａ·ｍ３、变形率为１．０８％；１００ｃｍ长玻璃钢夹砂管在承受３０ｋＮ荷载时的变形为９．６ｍｍ，管道的环向刚度为３．１ＭＰａ、刚度因子为３．８ｋＰａ·ｍ３、变形率为０．６４％。

２．２试验结果分析

不同长度玻璃钢夹砂管在承受３０ｋＮ荷载时的环向刚度、刚度因子和变形率对比见表５。由于数据显示管道的竖向变形大于横向变形，为了更清晰地对比３种工况下竖直变形受管道长度的影响，绘制各长度玻璃钢夹砂管的荷载－竖向变形曲线进行对比（见图５）。

表５不同长度玻璃钢夹砂管在承受３０ｋＮ荷载时的由表５、图５可知：玻璃钢夹砂管在承受相同等级荷载时的环向刚度和刚度因子都随管道长度的增加而增大，变形率随管道长度的增加而降低；管道的竖直变形随荷载的增加而增大，基本呈线性关系，在管道未发生塑性破坏阶段可根据这一规律计算不同长度管道在承受相应荷载等级时的竖直变形；长度越大，玻璃钢夹砂管的荷载－变形曲线斜率越小，变形变化趋势越弱，说明长度的增加可明显提高管道通过环刚度试验对比分析，得到同一直径不同长度玻璃钢夹砂管环刚度、刚度因子和变形率，结论如下：玻璃钢夹砂管在承受相同等级荷载时的环向刚度和刚度因子随着管道长度的增加而增大，变形率随管道长度的增加而降低；玻璃钢夹砂管的竖向变形随着荷载等级的增加而线性增大，两者具有一定的线性关系；管道的变形趋势随着管道长度的增加而减缓，玻璃钢夹砂管的长度是影响管道环向刚度的重要因素。