摘　要：目前不少管道的标准中有落锤冲击的技术指标，我们在制订电缆用玻璃钢／复合材料保护管的标准中，由于保护管的规格变化范围很大，直径d为(50～300)mm，管壁厚度t为(2～20)mm，发现对于同样直径的保护管，因壁厚不同，其落锤冲击强度是不同的，要进行全面试验。工作量非常大。为此，进行理论分析，以便减少试验工作量，同时使制定的落锤冲击的技术指标更合理、更科学。
关键词：玻璃钢；复合材料；保护管；落锤冲击；冲击强度

1　前　言

　　由于玻璃钢／复合材料保护管具有轻质高强、内壁光滑、非磁性、无电腐蚀、耐化学腐蚀、绝缘、使用寿命长、施工简便等优点，不断替代传统电缆保护管并扩大使用范围，生产厂家很多，产量每年成倍地增长。为了保证该产品质量，有一个统一的产品标准是极有必要的。目前，各厂家有企业标准，国内有三个行业(建材、电力、交通)标准，各指标项目及技术指标均很不相同。产品标准是继产品开发、产品技术、产品后的高层次的产物。产品标准集中体现产品的技术水平和产品质量的关键所在，有了产品标准，用户可以放心地使用产品。因此，针对该产品目前各行业标准的不统一，而城市电网改造、市政工程、交通、机场等工程的大量使用，非常有必要有一个统一的标准。
　　在起草有关标准草案过程中，发现DL／T802.2―2007中有关落锤冲击的规定是不合理，不科学的，对检测造成许多漏洞，使检测结果不真实。由于保护管的规格尺寸很多，范围很广，要对每一种规格进行试验，工作量非常大。为此，本文在一定试验的基础上进行理论分析，使标准中对落锤冲击的技术指标制定得更科学、更合理。
　　一般是以50％的冲击能量，或使管子冲击损伤的一半高度作为落锤冲击的技术指标。

2　冲击性能

　　玻璃钢／复合材料的冲击性能是一种用途广、实用性强、极其重要的特性。设计得好可应用到吸震防震、防弹等产品上。玻璃钢／复合材料的冲击韧性，由于其材料的各向异性，以及其组分材料的性能变化、配方、界面、成型工艺的可变性，以及尺寸变化等因素，是很复杂的。冲击韧性的变化范围也很大^[1]~[4]，对于管道，冲击性能也是很重要的，可以从管子上取样，按标准(GB／T 1451)进行试验。我们曾对一批不同规格的玻璃钢，复合材料保护管取样进行了试验，其冲击韧性的测试结果见表1。

　　由表1可见，取样测试的冲击韧性的试验结果，随着管子壁厚增厚而增加。也就是同样直径的管子，耐冲击时，壁厚大的耐冲击能力要大一些，表1中的冲击韧性已把冲击能量除以试样的截面积，就冲击能量而言，壁厚大的管子耐冲击能量还要更大一些。

3　理论计算

　　对玻璃钢／复合材料冲击性能的理论研究见文献[5]，这仅仅是对简支梁试样三点弯曲冲击时的初步理论分析，说明同样配方、工艺的复合材料，当试样厚度不同时，其冲击性能是不同的，只有在同样的试样尺寸条件下才能作冲击性能比较。
　　对于玻璃钢／复合材料电缆保护管的冲击性能，可以从管子上切取试样，进行简支梁冲击试验。这只能从管子轴向取样，才能进行冲击试验，对于周向取样，由于有弧度，较难进行简支梁冲击试验。对于缠绕夹砂保护，更难取样，更难进行简支梁冲击试验。因此，有的标准采用取200 mm长管子进行落锤试验，如DL／T 802.2―2007、QB／T 2479―2005。标准有一个专门针对热塑性管材的冲击性能试验方法：GB／T 14152(egv ISO 3127：1994)。
　　对于玻璃钢／复合材料管子，其落锤冲击有一些特殊之处，除受冲击管子内外表拉压破坏外，还有层间分层、损伤等，一般分层、损伤区越大，冲击能量越大。进行落锤冲击时，在规定的锤重情况，必须逐步进行不同落锤高度的试验，直到管子损伤破坏，这是非常麻烦、并工作量较大的试验工作；加之电缆保护管的规格很多，直径d为(50～300)mm，管壁厚t为(2～20)mm，范围很广，若全部进行试验验证，工作量非常大，试验费也很贵，因此，很有必要进行理论分析，除减少试验工作量外，可使标准中的冲击技术指标更加合理、科学，同时搞清了冲击的机理，在设计需要抗冲击的管子产品时，能设计出更有效的、更经济的管子。
　　管子经受落锤冲击，是一定形状、一定重量的锤子，从一定高度自由落下，直冲管子表面。试样管子，一般取200mm长，由于管子不太长，当锤子下落冲击时，先，为简化起见，略去长度方向的局部应力，仅考虑管子的周向弯曲应力和层间剪切应力。把冲击力简化为一个压力P，这时管子相当受压扁试验(以GB／T 5352而言，称平行板外载)。这样，管子上的弯矩及剪切力依次为：

　　式中R为管半径；α是管周向某点与管心连线与P作用线的夹角，当α=0°时，M・Q为大，为：

　　在管子受力点处(α=0)沿管壁的正应力和剪应力分布依次为：

　　式中t为管壁厚度，L为试验管子长度，t_x是管壁中心离求应力处的距离，当t_x=t/2时，管子外层的正应力为大，剪切应力为零。当t_x=0时，正应力为零，剪切应力为大，大正应力和剪切应力依次为：

　　对于这种应力状态，蔡希尔平面应力准则简化为：

　　把式(4)、(5)代入式(7)，经简化后则后求得的集中载荷P为：

　　当t_x=1/2t

　　管子在受力处的挠度为

　　式中E为管子周向弹性模量，G为管子剪切模量，d为管子直径，其它符号同前。
　　当管子长度L较短时，可以完全不计及管子轴向应力，这时的冲击性能，类似于长条形试样的简支梁的冲击韧性。按冲击韧性的定义，后可得到管子周向冲击韧性为：

　　当t_x=0时，即发生管壁中心分层时，则：

4　理论分析讨论

　　这里要说明二个问题：①管子的落锤冲击，②管子的冲击韧性。先分析讨论管子落锤冲击，从上面理论计算中的式(9)可见，要使管子发生内外面拉压破坏的冲击力P与管材的强度σ_B、管子长度L成正比，与管壁厚度t的平方成正比，与管子直径d成反比。因此，对于同样直径的管子，管壁厚的要比管壁薄的管子承受更大的冲击力。就以管壁中层剪切破坏的冲击力公式(12)而言，也与管壁厚t成正比。所以，对于同样直径的管子采用同样的冲击力(也即DL/T 802.2―2007中的同样锤重，同样高度)是不科学、不合理的。对于不同直径的管子，所能承受的冲击力，以公式(9)面言，是与直径d成反比，也即对同样管壁厚的管子，直径大的管子易被冲击损坏，而公式(12)表示，冲击力与直径无关。管子在承受落锤冲击时，其破坏、损伤是多种的，有纤维断裂，也有树脂分层等等，损伤破坏区较大，．随着不同规格管子，不同的成型工艺、材料配方等损伤破坏范围变化很大，一般会发生t_x=0.1t、t_x=0.2t、t_x=0.3t、t_x=0.4t等处分层，实际的冲击力计算远比式(9)、式(12)复杂，目前，仅说明管子所能承受的冲击力，除与管材料的强度性能(σ_B、τ_B)有关外，还与壁厚、管直径有关，要在标准中规定出合理、科学的技术指标，必须在此理论计算与分析的基础上进行一些管子实样的落锤冲击试验。
　　只有冲击韧性才是材料的性能，它应仅与材料本质有关。管子的落锤冲击，这是产品的结构性能，不仅与材料有关，还与产品的结构、尺寸有关，其指标不能统一，不同的产品应有不同的技术指标。产品种类越多，技术指标值越多，要进行试验的工作量大，只有通过一定量的试验，并加以理论分析才能定出合理、科学的技术指标。许多材料性能，对于确定的材料是唯一，仅是由于材料的不均匀性，因此必须采用一定数量的试样进行测试，取其平均值，有一个离散系数。唯独冲击韧性，目前特别对于玻璃钢／复合材料这类材料，不是唯一，采用不同试验方法，特别是不同厚度的试样，其结果相差很大^[1][5]。如何能得到确定的可普遍应用于产品设计的冲击韧性，有待于我们今天试验和理论分析。
　　以管子的冲击韧性与其它复合材料冲击韧性相比较时，应采用式(11)、式(13)。由此可见，其冲击韧性不是唯一的，若仅与材料强度性能有关，那才是唯一的。而是与管子直径、管壁厚度均有关，要得到材料的冲击韧性、一是非常麻烦，二是不真实。所谓麻烦，即使规定了一种重量的锤子，要从不同落下高度试验，才能确定刚好损伤破坏的高度，更由于管材料、尺寸的不均匀性，每根管子的破坏高度是不一样，所以试验工作是非常繁重的。所谓不真实，锤子与管表面接触，仅是局部的，这与锤子下冲与管表面接触后，除产生上述的周向弯曲应力和剪切应力，还有局部弯矩，为^[7]

　　在P作用点，弯矩大为：

　　式中β为：

　　大局部弯曲应力为：

　　当计及此应力时，强度准则为：

　　由式(17)同样可以推导出冲击力P的计算公式，比较复杂，在此不列出。在此仅说明，对于缠绕夹砂管，一定要进行冲击韧性测试时，可以把冲击试样取30 mm长(宽)，然后再切成半圆弧，在普通的摆锤式冲击试验上，用专用的支架(上海玻璃钢研究院对夹层结构冲击有专门支架，可以采用)进行冲击试验。这种试验可以直接得到冲击韧性，可以作为材料性能比较。而落锤冲击，要进行很多高度试验后，才能确定损伤破坏的高度，即冲击能量，是非常麻烦的。
　　从上述可知，冲击韧性与损伤区的大小很有关系，在式(11)、式(13)，由于冲击试样损伤，主要是分层损伤，这样试样的真实弹性模量E大为降低。从公式可见，当E下降时，冲击韧性增加，也就是说，损伤区越大，冲击韧性越大。

5　结　论

　　由以往的大量冲击试验，以及上述理论计算和分析，可以作出下列结论：
　　①对于保护管这类产品，要进行落锤冲击试验时，对于同样直径的管子，当壁厚不同时，其冲击能量是不同，对这类管子做落锤冲击时，在同样锤子重量条件，落锤高度应不同。
　　②只有冲击韧性才能作为材料冲击性能的比较，要有可靠的比较，必须要有同样尺寸的冲击试样。目前，冲击试样往往取自产品，而产品壁厚变化很大，若这样取样，必须计及试样厚度的影响，如文献[5]所述。对于电缆保护管，不同壁厚的冲击韧性见文献[8]中表2。

　　[1]周祝林，复合材料冲击性能研究，玻璃钢，1994
　　[2]沃丁柱主编，复合材料大全，化学工业出版社，北京，2000年
　　[3][日]植村，盖茨主编，纤维增强塑料设计手册，建筑工业出版社，北京，1986
　　[4]上海玻璃钢研究所，玻璃钢结构设计，建筑工业出版社，北京，1990
　　[5]周祝林等，纤维增强塑料冲击性能研究之一，玻璃钢，2007年N2:14-20
　　[6]周祝林等，玻璃钢电缆保护管试验及理论分析，玻璃钢/复合材料。2005.N4:12~15
　　[7][美]S.铁摩辛柯.S.沃诺斯基著，板壳理论，科学出版，北京，1977
　　[8]JC988-2006，电缆用玻璃钢保护管