试验背景在寻找合适的连接方式上，尝试过使用目前在塑料管道中应用较普遍的电热熔带配合热熔焊机连接法，将电热熔带夹在2片塑料管片之间使其通电后熔化，起到牢固粘合管片的目的。但在试验进行过程中，有时存在热熔焊机电流调节不当，容易导致热熔带起火的现象，存在安全隐患。
经过多方面调研比较，选用钢板配合螺栓的连接方式，此方式是将分别用2块钢板沿管片连接缝裁成长方形，其上沿管缝两侧打若干连接孔，并在塑料管的相应位置钻孔，将塑料管夹在2块钢板之间，孔与孔位置对齐，然后将螺栓从外至内穿过，拧紧螺母。依次完成每块管片的连接即可（见）。
图I钢板连接方式效果由装配式塑料管道拼装形式试验，每组试验重复1次，共需进行8组试验。
3试验过程及结果试验使用的仪器和工具：环刚度试验机，电圆锯，扭矩扳手，普通扳手，手枪钻，开孔钻头等。
钢板材料为Q235，尺寸为200mmx300mm，螺栓型号为M10，螺杆长度70mm.为钢板及钻孔分布，为焊接螺栓后的钢板。
焊接蠓栓后的钢板19472.22004埋地用聚乙烯（PE）结构壁管道系统第2部分：聚乙烯缠绕结构壁管材及试验设计准备好管材（见）。加工钢板，用扭矩扳手按照试验设计扭矩拧螺栓（见），连接成环（见）后通过试验机按GB/T96472003进行加载试验（见）。
从表1可以看出，A3与B1的组合是最佳组合，即3mm的钢板配合10.m的螺栓预紧力可以使试件的承压能力达到最大。
分成4片的塑料管材用扭矩扳手拧螺栓表1试件径向压缩150 mm时的峰值力kN钢板厚度/mm螺栓预紧力/Cm）（因素A）（因素B）30201034.32 4试验结果分析4.1方差分析结果对试验数据进行方差分析，结果见表2.表2试验数据方差分析结果方差来源变差平方和自由度方差估计F计算值F临界值显著性因素A（螺栓预紧力）因素B（钢板厚度）令交互作用AxB误差一总变差一钢板与塑料管连接成环图X承压试验示意以每个试件均S缩到变形达150mm时所能达到的峰值力作为其承载力，重复试验2次，试验结果见表1.由表2可以看出，螺栓预紧力与钢板厚度的交互作用对拼装后管道承压能力的影响最显著，其次是钢板厚度的影响，而螺栓预紧力对承压能力的影响不显著。
4.2数据图表分析结果将每组试验的最优数据进行汇总，结果见。
由可见，3mm厚度的钢板，其不同螺栓预紧力的承压度钢板的承压效果为：3mm>4mm.综上，3mm厚的钢板配合10.m的螺栓预紧力可使管道的承压能力优于其它管道连接方式，其径向变形为150mm时的最大承载力达到了4.29kN（2次试验结果的平均值）。此结论也验证了方差分析的结果。
将不同连接方式的管道与未分片的整环管道的承压作对比，可以看出，采用钢板和螺栓连接方式的管片均较未分片的整环管道承压能力有较大提高（除4mm钢板厚配合30.m螺栓的连接方式外）。以3mm厚的钢板配合10.m的螺栓预紧力的装配式塑料管道为例，在变形达到150mm时，2组试验的承载力分别为4.36kN和4.22kN，较整体式塑料管道的承载力（3.91kN）分别提高了5有限元模型分析5.1有限元模型的建立为更好地验证前面的试验结果，需要进行数值模拟研究。
采用非线性有限元软件ABAQUS进行有限元建模，模拟分析塑料管道通过钢板加螺栓的连接方式的承载规律，通过选择和建立计算模型，计算不同厚度钢板的承压力以及管道的变形和内力，得到不同工况下PE管的反力特性规律，从而为确定合理的连接方式提供基础研究依据。
试验采用PE中空壁缠绕管，内径1000mm，壁厚55mm，管长300mm，为简化计算，在建立模型时选择的材料为PE实壁管，尺寸数据与试验的中空壁缠绕管相同。忽略钻孔及螺栓的影响。由于管径D与壁厚t的比值，故可以采用薄壳单元来模拟分析。同样，对于3mm或4mm的连接钢板，由于宽厚比较小，同样采用薄壳单元来对其进行模拟分析。模型中对两者均采用四节点薄壳单元进行离散分析，并采用缩减积分法进行单元积分处理，即S4R单元。
对于PE管与钢板之间的接触问题，试验采用螺栓配予不同大小的预紧力而紧密接触，故可以认为两者之间不发生分离及滑动等非线性行为，采用Tie的连接方法进行简化处理分析。
对于边界条件，考虑到实际试验时模型底部的边界条件，将PE管底部以及底部周围小部分区域设定为固端，同时上端采用均布荷载的形式对其施加外荷载模型，即对上端部分PE管周围小部分的范围作为外力施加边界。
几何分析模型：根据试验实际情况以及模型的数据，依次建立起4环管片和4片钢板模型。
模型网格划分：为便于计算收敛，需要对几何分析模型进行网格划分。PE管和钢板的网格划分分别见0（b）和选定PE管和钢板2种材料的应力-应变关系为三折线本构关系模型，即符合Von-Mises屈服准则的弹塑性模型。Q 0：；图丨有限元分析模型5.2有限元模型结果分析对PE管施加静力荷载，考虑更接近实际情况，荷载值取5.2.1四管在外荷载作用下的变形过程0.4MPa.PE管的变形过程如1所示。
图丨丨PK管在外荷载作用下的变形过程从1可以看出，随着施加荷载值的增大，管道逐渐出5.2.2PE管及钢板的等效应力云图现竖向和横向变形，并且可以看出，应力最大值出现在顶部的随着PE管的变形，PE管和钢板的等效应力随时间的变管片，其次是两边的管片，底部管片的应力值最小。化如2所示。
2PE管等效应力反应变化过程从2可以看出，在整个加载过程中，顶部的等效应力值始终保持最大，底部次之，而在偏离竖直方向45°的左上、左下、右上、右下这4个部位的等效应力最小。由此也验证了关于塑料管道拼装形式研究的理论和试验结论。
5.2.3承压反力与位移的曲线关系将顶部中点的竖向位移与底部中点的竖向承压反力的数据汇成曲线，如3所示。
顶部中点竖向位移/ra 3不同厚度钢板情况下PE管的承压反力曲线由3可以明显看出，3mm厚的钢板承S反力值高于4mm厚的钢板，且随着变形的增大，反力值增加的幅度越来越大。该曲线可以说明，从定性角度来讲，PE管采用3mm钢板连接后的承压反力要高于采用4mm钢板连接的承压反力，从而也验证了前面的试验结论。
此结论可以从以下角度来解释：3mm厚钢板与塑料管的刚度配合能力要较4mm厚钢板与塑料管的刚度配合能力强，两者更接近、更协调。
6结语（1）采用3mm厚的钢板配合10.m的螺栓预紧力作为连接方式的装配式塑料管道的承压能力要优于所作试验中的其它形式管道，可以达到最优的承压效果。在要求最大变形值在150mm时，环刚度为4kN/m2的300mm长的塑料管道，采用4片旋转形式，并采用3mm厚的钢板和10.m的螺栓预紧力连接，可为自行走隧道掘进机后配套支护提供约为4.29kN的支护承载力。根据管土作用理论，在土中可提供的支护承载力值会更高。
采用钢板连接后的管道承压能力较整环的承压能力有较大提高。将采用3mm厚的钢板配合10.m的螺栓预紧力作为连接方式的4片旋转形式管道与未分片的整环管道承压能力作对比，前者的承压能力要高于后者，2次重复试验平均值高出9.8%.通过对塑料管和钢板有限元模型的数值分析，模型的结果定性分析中得出：PE管采用3mm钢板连接后的承压反力要高于采用4mm钢板连接后的承压反力，从而也验证了前面的试验结论，达到试验与理论相吻合的良好效果。
将钢板螺栓连接工法应用到小型试验样机的后配套装配式塑料管道支护中，具有操作便利，管道承压效果良好等优点，因此，可以将此支护方法在今后的自行走隧道掘进施工中推广应用。
汇荣流体（http://www.servo-valve.cn/） |
