玻璃钢管作为树脂基复合材料的主要产品之一，具有耐腐蚀性好、材质轻、内表面光滑、技术经济效益好等优点，在石油化工行业和给排水工程中得到了广泛的应用。随着使用时间的延长，玻璃钢管的力学性能会下降，甚至出现失效，从而带来严重的后果。因此，在充分发挥玻璃钢管耐腐蚀、使用寿命长等优点的基础上，保证其在设计年限内的安全可靠显得尤为重要。

一、玻璃钢管优点

玻璃钢管也称玻璃纤维缠绕夹砂管(RPM管)，主要以玻璃纤维及其制品为增强材料，以高分子成分的不饱和聚脂树脂、环氧树脂等为基本材料，以石英砂及碳酸钙等无机非金属颗粒材料为填料作为主要原料。

1、玻璃钢管重量轻，是钢材的1/4～1/5。管材强度高，环向刚度可根据用户需要在1OOMPa～400MPa之间进行选择确定，远高于塑料管，与铸铁管刚度相近，因此，不仅承受内、外压力高，还有较高的耐冲击强度。

2、耐腐蚀性能好、使用寿命长。玻璃钢为化学惰性材料，耐腐蚀性能好，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力，不需另作防腐处理。同时能耐老化、耐磨损，使用寿命长。

3、可设计性好。玻璃钢管可根据用户的各种特定要求，诸如不同的流量，不同的压力，不同的埋深和载荷情况，设计制造成不同压力等级和刚度等级的管道。

4、抗老化性能和耐热性能好。玻璃钢管可在-40℃～70℃温度范围内长期使用，采用特殊配方的耐高温树脂还可在200℃以上温度正常工作。长期用于露天使用的管道，其外表面添加有紫外线吸收剂，来消除紫外线对管道的辐射，从而延缓玻璃钢管道的老化。

二、实验

1、试样。采用定长缠绕工艺、通过机械设备制作玻璃钢管环试样，选用2种铺层工艺制作试样，将纯环向缠绕铺层的玻璃钢管记为Type A，将纯交叉缠绕铺层的玻璃钢管记为Type B，其交叉缠绕角为60.19。制作环境温度为24℃，相对湿度为55％；第1d自然固化，第2d通过红外线烤板加热固化。玻璃钢管其公称直径为200mm，公称宽度为20mm，公称厚度为2mm。

2、加载装置及测试原理。以恒位移测试为基础，通过试验研究不同初始挠度的恒位移条件下，玻璃钢管刚度随时间的变化关系。采用恒位移加载控制方式，为精确控制试样恒定的挠度，减少装置带来的误差。

3、测试方法。由于玻璃钢管长期性能的影响因子通常有温度、相对湿度及初始挠度等，因此，在试验中采用控制变量法，除需要探讨初始挠度外，控制温度和相对湿度对试样的影响：①至少在(23±2)℃的环境中放置4h，并在相同环境下进行试验；②至少在相对湿度为(50±10)％下的环境中存放40h，并在同样环境下进行试验。此外，按预定的尺寸制作试件，并给试件编号。用游标卡尺对每个试样的尺寸进行测量，取平均值记为各试件的尺寸；同时，测量试样的初始刚度。

三、结果与讨论

1、刚度随时间的变化。采用刚度降幅度量化玻璃钢管刚度的变化，分析比较玻璃钢管刚度的变化规律。

不同初始挠度下玻璃钢管刚度随时间的变化而不同，Type A和Type B的刚度均随着时间的延长而减小。同时，随着初始挠度的增加，Type A和Type B的刚度降幅均有所增加。在同等初始挠度下，Type A刚度随时间延长的降幅明显小于Type B，说明纯环向缠绕铺层能增加玻璃钢管抵抗径向变形的能力，Type A有较强的抵抗刚度衰减的能力。

　　2、长期刚度。玻璃钢管的设计使用年限一般不超过50年，而关于玻璃钢管50年力学长期性能的预测方法，AWWA M45-05L3J、AWWAC950-07、ASTM D2992-12、ASTM D5365-06和ASTM D3681-06等均采用双对数回归模型进行预测。结合试验数据和拟合优度，分别建立玻璃钢管在不同初始挠度下刚度一时间的折线双对数回归模型。

　　刚度对时间的递减率随着初始挠度的增加而增大，Type B刚度递减率的增加幅度大于Type A。而在初始挠度下，Type B的刚度递减率明显大于Type A。可见，纯环向缠绕铺层的玻璃钢管在抵抗径向变形和刚度衰减方面明显优于纯交叉缠绕铺层的玻璃钢管，这对玻璃钢管在工程应用中的设计极为重要。

　　3、初始挠度的影响。建立玻璃钢管50年后刚度降幅与初始挠度间的数学表达式，基于此可得到在任意初始挠度下玻璃钢管50年后的刚度，进而可求得其他力学指标，这对玻璃钢管在工程中的实际应用非常重要。

玻璃钢管50年后刚度降幅-初始挠度拟合曲线如图1所示。可见，在同一初始挠度下，Type A的50年后刚度降幅明显小于Type B；随着初始挠度的增加，同种铺层方式的玻璃钢管50年后刚度降幅增加，表明加大初始挠度可增加玻璃钢管50年后刚度降幅。Type B的50年后刚度降幅对初始挠度的增长率为1．418，为Type A的1.63倍，表明Type A 50年后刚度降幅增长率约为Type B的一半，说明纯环向缠绕铺层能有效提高玻璃钢管的刚度，增强其抵抗径向变形的能力。

图1 璃钢管50年后刚度降幅-初始挠度拟合曲线

基于图1中的拟合曲线，给定一个具体的初始挠度就可确定在此情况下玻璃钢管50年后刚度降幅；相应地，给定玻璃钢管50年后刚度降幅的最低值，即可确定其最大初始挠度。

4、初始挠度和时间的综合影响。在实际工程中，通常需同时考虑初始挠度和时间的影响，且初始挠度和时间往往与试验中的不一样，无法对每种工况组合都进行试验。因此，需推广试验结果，建立玻璃钢管长期刚度预测模型，预测玻璃钢管在任意初始挠度和时间下的刚度。

首先基于上述的试验结果，结合双对数模型并代入给定时间(5、10、、50年)，得到玻璃钢管在不同初始挠度下的刚度；然后即可得出玻璃钢管的刚度降幅-时间曲线，如图2所示。可以看出，在同一初始挠度下，随着时间的延长，刚度降幅增大；在同一时间下，随着初始挠度的增大，刚度降幅也增大；Type A的刚度降幅增大幅度小于Type B的。

图2 玻璃钢管的刚度降幅-时间曲线

为估计在任意初始挠度和时间下玻璃钢管的刚度降幅，必须建立玻璃钢管刚度降幅对初始挠度和时间的数学模型。此外，不同初始挠度下玻璃钢管刚度与时间的关系均可通过双对数回归模型拟合，即刚度与时间之间为幂函数关系，以此可推得玻璃钢管刚度降幅与时间的关系也为幂函数形式，如图2所示。因此，玻璃钢管刚度降幅与初始挠度、时间的关系为曲面形式。

以试验数据为基础，通过反复测试各种曲面拟合方式并根据拟合结果进行筛选，最终选用二次曲面模型拟合玻璃钢管刚度降幅与初始挠度、时间的关系，并以此关系拟合图2中的初始挠度、时间和玻璃钢管刚度降幅，得到玻璃钢管刚度降幅与初始挠度、时间的关系，如图3所示。

图3 玻璃钢管刚度降幅与初始挠度、时间的关系    

刚度降幅随时间和初始挠度的增加而增加，且时间和挠度的耦合项对增加长期刚度降幅起促进作用。此外，为检验玻璃钢管长期刚度二次曲面模型预测结果的可靠性和准确性，取某一恒位移加载时间玻璃钢管刚度的试验数据进行验证，由其玻璃钢管的刚度试验值及预测值相对误差可知，通过长期刚度预测表达式求得的刚度和试验值非常接近，相对误差在8％以内。由此可知，所建玻璃钢管长期刚度二次曲面模型的准确度较高，能很好地反映玻璃钢管刚度的变化趋势。

总之，玻璃钢管具有轻质高强、耐腐蚀、寿命长、可设计性好、施工方便等优点，加上工程造价低、综合效益好等特点，这些特点决定了它的发展前景无可限量，因此玻璃钢管是目前大力推广的新型材料。

参考文献：

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[2]刘新红.玻璃钢管特点性能及应用[J].内江科技，2014(01)．

[3]朱四荣.玻璃钢管的长期刚度测量及预测[J].复合材料学报，2016(11).