摘　要：目前不少管道的標準中有落錘沖擊的技術指標，我們在制訂電纜用玻璃鋼／復合材料保護管的標準中，由于保護管的規格變化范圍很大，直徑d為(50～300)mm，管壁厚度t為(2～20)mm，發現對于同樣直徑的保護管，因壁厚不同，其落錘沖擊強度是不同的，要進行全面試驗。工作量非常大。為此，進行理論分析，以便減少試驗工作量，同時使制定的落錘沖擊的技術指標更合理、更科學。
關鍵詞：玻璃鋼；復合材料；保護管；落錘沖擊；沖擊強度

1　前　言

　　由于玻璃鋼／復合材料保護管具有輕質高強、內壁光滑、非磁性、無電腐蝕、耐化學腐蝕、絕緣、使用壽命長、施工簡便等優點，不斷替代傳統電纜保護管并擴大使用范圍，生產廠家很多，產量每年成倍地增長。為了保證該產品質量，有一個統一的產品標準是極有必要的。目前，各廠家有企業標準，國內有三個行業(建材、電力、交通)標準，各指標項目及技術指標均很不相同。產品標準是繼產品開發、產品技術、產品后的高層次的產物。產品標準集中體現產品的技術水平和產品質量的關鍵所在，有了產品標準，用戶可以放心地使用產品。因此，針對該產品目前各行業標準的不統一，而城市電網改造、市政工程、交通、機場等工程的大量使用，非常有必要有一個統一的標準。
　　在起草有關標準草案過程中，發現DL／T802.2―2007中有關落錘沖擊的規定是不合理，不科學的，對檢測造成許多漏洞，使檢測結果不真實。由于保護管的規格尺寸很多，范圍很廣，要對每一種規格進行試驗，工作量非常大。為此，本文在一定試驗的基礎上進行理論分析，使標準中對落錘沖擊的技術指標制定得更科學、更合理。
　　一般是以50％的沖擊能量，或使管子沖擊損傷的一半高度作為落錘沖擊的技術指標。

2　沖擊性能

　　玻璃鋼／復合材料的沖擊性能是一種用途廣、實用性強、極其重要的特性。設計得好可應用到吸震防震、防彈等產品上。玻璃鋼／復合材料的沖擊韌性，由于其材料的各向異性，以及其組分材料的性能變化、配方、界面、成型工藝的可變性，以及尺寸變化等因素，是很復雜的。沖擊韌性的變化范圍也很大^[1]~[4]，對于管道，沖擊性能也是很重要的，可以從管子上取樣，按標準(GB／T 1451)進行試驗。我們曾對一批不同規格的玻璃鋼，復合材料保護管取樣進行了試驗，其沖擊韌性的測試結果見表1。

　　由表1可見，取樣測試的沖擊韌性的試驗結果，隨著管子壁厚增厚而增加。也就是同樣直徑的管子，耐沖擊時，壁厚大的耐沖擊能力要大一些，表1中的沖擊韌性已把沖擊能量除以試樣的截面積，就沖擊能量而言，壁厚大的管子耐沖擊能量還要更大一些。

3　理論計算

　　對玻璃鋼／復合材料沖擊性能的理論研究見文獻[5]，這僅僅是對簡支梁試樣三點彎曲沖擊時的初步理論分析，說明同樣配方、工藝的復合材料，當試樣厚度不同時，其沖擊性能是不同的，只有在同樣的試樣尺寸條件下才能作沖擊性能比較。
　　對于玻璃鋼／復合材料電纜保護管的沖擊性能，可以從管子上切取試樣，進行簡支梁沖擊試驗。這只能從管子軸向取樣，才能進行沖擊試驗，對于周向取樣，由于有弧度，較難進行簡支梁沖擊試驗。對于纏繞夾砂保護，更難取樣，更難進行簡支梁沖擊試驗。因此，有的標準采用取200 mm長管子進行落錘試驗，如DL／T 802.2―2007、QB／T 2479―2005。標準有一個專門針對熱塑性管材的沖擊性能試驗方法：GB／T 14152(egv ISO 3127：1994)。
　　對于玻璃鋼／復合材料管子，其落錘沖擊有一些特殊之處，除受沖擊管子內外表拉壓破壞外，還有層間分層、損傷等，一般分層、損傷區越大，沖擊能量越大。進行落錘沖擊時，在規定的錘重情況，必須逐步進行不同落錘高度的試驗，直到管子損傷破壞，這是非常麻煩、并工作量較大的試驗工作；加之電纜保護管的規格很多，直徑d為(50～300)mm，管壁厚t為(2～20)mm，范圍很廣，若全部進行試驗驗證，工作量非常大，試驗費也很貴，因此，很有必要進行理論分析，除減少試驗工作量外，可使標準中的沖擊技術指標更加合理、科學，同時搞清了沖擊的機理，在設計需要抗沖擊的管子產品時，能設計出更有效的、更經濟的管子。
　　管子經受落錘沖擊，是一定形狀、一定重量的錘子，從一定高度自由落下，直沖管子表面。試樣管子，一般取200mm長，由于管子不太長，當錘子下落沖擊時，先，為簡化起見，略去長度方向的局部應力，僅考慮管子的周向彎曲應力和層間剪切應力。把沖擊力簡化為一個壓力P，這時管子相當受壓扁試驗(以GB／T 5352而言，稱平行板外載)。這樣，管子上的彎矩及剪切力依次為：

　　式中R為管半徑；α是管周向某點與管心連線與P作用線的夾角，當α=0°時，M?Q為大，為：

　　在管子受力點處(α=0)沿管壁的正應力和剪應力分布依次為：

　　式中t為管壁厚度，L為試驗管子長度，t_x是管壁中心離求應力處的距離，當t_x=t/2時，管子外層的正應力為大，剪切應力為零。當t_x=0時，正應力為零，剪切應力為大，大正應力和剪切應力依次為：

　　對于這種應力狀態，蔡希爾平面應力準則簡化為：

　　把式(4)、(5)代入式(7)，經簡化后則后求得的集中載荷P為：

　　當t_x=1/2t

　　管子在受力處的撓度為

　　式中E為管子周向彈性模量，G為管子剪切模量，d為管子直徑，其它符號同前。
　　當管子長度L較短時，可以完全不計及管子軸向應力，這時的沖擊性能，類似于長條形試樣的簡支梁的沖擊韌性。按沖擊韌性的定義，后可得到管子周向沖擊韌性為：

　　當t_x=0時，即發生管壁中心分層時，則：

4　理論分析討論

　　這里要說明二個問題：①管子的落錘沖擊，②管子的沖擊韌性。先分析討論管子落錘沖擊，從上面理論計算中的式(9)可見，要使管子發生內外面拉壓破壞的沖擊力P與管材的強度σ_B、管子長度L成正比，與管壁厚度t的平方成正比，與管子直徑d成反比。因此，對于同樣直徑的管子，管壁厚的要比管壁薄的管子承受更大的沖擊力。就以管壁中層剪切破壞的沖擊力公式(12)而言，也與管壁厚t成正比。所以，對于同樣直徑的管子采用同樣的沖擊力(也即DL/T 802.2―2007中的同樣錘重，同樣高度)是不科學、不合理的。對于不同直徑的管子，所能承受的沖擊力，以公式(9)面言，是與直徑d成反比，也即對同樣管壁厚的管子，直徑大的管子易被沖擊損壞，而公式(12)表示，沖擊力與直徑無關。管子在承受落錘沖擊時，其破壞、損傷是多種的，有纖維斷裂，也有樹脂分層等等，損傷破壞區較大，．隨著不同規格管子，不同的成型工藝、材料配方等損傷破壞范圍變化很大，一般會發生t_x=0.1t、t_x=0.2t、t_x=0.3t、t_x=0.4t等處分層，實際的沖擊力計算遠比式(9)、式(12)復雜，目前，僅說明管子所能承受的沖擊力，除與管材料的強度性能(σ_B、τ_B)有關外，還與壁厚、管直徑有關，要在標準中規定出合理、科學的技術指標，必須在此理論計算與分析的基礎上進行一些管子實樣的落錘沖擊試驗。
　　只有沖擊韌性才是材料的性能，它應僅與材料本質有關。管子的落錘沖擊，這是產品的結構性能，不僅與材料有關，還與產品的結構、尺寸有關，其指標不能統一，不同的產品應有不同的技術指標。產品種類越多，技術指標值越多，要進行試驗的工作量大，只有通過一定量的試驗，并加以理論分析才能定出合理、科學的技術指標。許多材料性能，對于確定的材料是唯一，僅是由于材料的不均勻性，因此必須采用一定數量的試樣進行測試，取其平均值，有一個離散系數。唯獨沖擊韌性，目前特別對于玻璃鋼／復合材料這類材料，不是唯一，采用不同試驗方法，特別是不同厚度的試樣，其結果相差很大^[1][5]。如何能得到確定的可普遍應用于產品設計的沖擊韌性，有待于我們今天試驗和理論分析。
　　以管子的沖擊韌性與其它復合材料沖擊韌性相比較時，應采用式(11)、式(13)。由此可見，其沖擊韌性不是唯一的，若僅與材料強度性能有關，那才是唯一的。而是與管子直徑、管壁厚度均有關，要得到材料的沖擊韌性、一是非常麻煩，二是不真實。所謂麻煩，即使規定了一種重量的錘子，要從不同落下高度試驗，才能確定剛好損傷破壞的高度，更由于管材料、尺寸的不均勻性，每根管子的破壞高度是不一樣，所以試驗工作是非常繁重的。所謂不真實，錘子與管表面接觸，僅是局部的，這與錘子下沖與管表面接觸后，除產生上述的周向彎曲應力和剪切應力，還有局部彎矩，為^[7]

　　在P作用點，彎矩大為：

　　式中β為：

　　大局部彎曲應力為：

　　當計及此應力時，強度準則為：

　　由式(17)同樣可以推導出沖擊力P的計算公式，比較復雜，在此不列出。在此僅說明，對于纏繞夾砂管，一定要進行沖擊韌性測試時，可以把沖擊試樣取30 mm長(寬)，然后再切成半圓弧，在普通的擺錘式沖擊試驗上，用專用的支架(上海玻璃鋼研究院對夾層結構沖擊有專門支架，可以采用)進行沖擊試驗。這種試驗可以直接得到沖擊韌性，可以作為材料性能比較。而落錘沖擊，要進行很多高度試驗后，才能確定損傷破壞的高度，即沖擊能量，是非常麻煩的。
　　從上述可知，沖擊韌性與損傷區的大小很有關系，在式(11)、式(13)，由于沖擊試樣損傷，主要是分層損傷，這樣試樣的真實彈性模量E大為降低。從公式可見，當E下降時，沖擊韌性增加，也就是說，損傷區越大，沖擊韌性越大。

5　結　論

　　由以往的大量沖擊試驗，以及上述理論計算和分析，可以作出下列結論：
　?、賹τ诒Ｗo管這類產品，要進行落錘沖擊試驗時，對于同樣直徑的管子，當壁厚不同時，其沖擊能量是不同，對這類管子做落錘沖擊時，在同樣錘子重量條件，落錘高度應不同。
　　②只有沖擊韌性才能作為材料沖擊性能的比較，要有可靠的比較，必須要有同樣尺寸的沖擊試樣。目前，沖擊試樣往往取自產品，而產品壁厚變化很大，若這樣取樣，必須計及試樣厚度的影響，如文獻[5]所述。對于電纜保護管，不同壁厚的沖擊韌性見文獻[8]中表2。

　　[1]周祝林，復合材料沖擊性能研究，玻璃鋼，1994
　　[2]沃丁柱主編，復合材料大全，化學工業出版社，北京，2000年
　　[3][日]植村，蓋茨主編，纖維增強塑料設計手冊，建筑工業出版社，北京，1986
　　[4]上海玻璃鋼研究所，玻璃鋼結構設計，建筑工業出版社，北京，1990
　　[5]周祝林等，纖維增強塑料沖擊性能研究之一，玻璃鋼，2007年N2:14-20
　　[6]周祝林等，玻璃鋼電纜保護管試驗及理論分析，玻璃鋼/復合材料。2005.N4:12~15
　　[7][美]S.鐵摩辛柯.S.沃諾斯基著，板殼理論，科學出版，北京，1977
　　[8]JC988-2006，電纜用玻璃鋼保護管