服役条件下玻璃钢管道长期性能预测的理论与方法研究

玻璃钢管道具有轻质高强、耐腐蚀、优良的水力性能和节能等特点，是当前国内外给排水管道工程中的主流管材之一。玻璃钢管道一般按50年的使用寿命进行设计，为保证长期使用寿命，服役条件下的长期性能是其最为重要的性能指标。围绕服役条件下玻璃钢管道的长期性能，通过深入的理论分析，揭示玻璃钢管道在长期服役条件下的失效机理，建立玻璃钢管道长期性能的控制方程与预测公式，为玻璃钢管道长期性能预测提供理论依据；通过系统的试验研究，揭示玻璃钢管道和原材料的短期性能试验与长期性能的关系，建立可用于预测长期性能的短期试验形式与方法；通过概率可靠性分析，将理论预测公式与短期试验相结合，以短期试验为预测公式的有效补充，建立低成本、高可靠性、适用性强的长期性能预测方法，并开发通用的预测软件。这将为玻璃钢管道的设计提供必要的基础理论支持，确保长期服役条件下玻璃钢管道结构的安全可靠性，在工程结构的安全与经济方面具有重大意义。

本项目围绕服役条件下玻璃钢管道的长期性能预测的理论与方法，进行了比较全面系统的研究，完成了预期目标。主要研究成果包括三个方面：1）通过深入的理论分析，揭示了玻璃钢管道在长期服役条件下的失效机理。玻璃钢管道的失效主要源于自身的黏弹性及环境条件的影响，根据Findley幂律定律，结合时间—温度—应力之间的等效关系，通过移位因子法建立了不同环境条件下的玻璃钢管道的长期性能预测公式，并通过初始及长期试验获得了不同应力水平下具体的移位因子及相关基本参数。2）结合复合材料细观力学及黏弹性与弹性之间的相应原理，建立了由基体的长期性能获得复合材料结构长期性能的基本方法，从而只需根据基体的短期性能及具体铺层结构形式就可通过理论获得各种不同铺层结构的玻璃钢管道的长期性能，并采用MATLAB编程在软件中实现了以上过程的计算分析，可直接预测得到玻璃钢管道的长期性能。3）分别采用了基于应变基准和应力基准建立了玻璃钢管道在服役条件下的寿命预测模型与方法，提出了时间相关的聚合物结构的失效准则。根据该方法可以获得聚合物基复合材料结构在服役条件下的失效时间或满足设计使用年限要求的最小初始性能参数。