復合材料檢查井蓋的設計及在城市路面上的應用

閆來順

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國交通、通訊等基礎設施的建設又迎來了一個新周期。檢查井蓋在城市規(guī)劃和道路建設中得到大量使用。文章主要研究復合材料井蓋優(yōu)化集這兩種優(yōu)化方法為一體，先運用一種方法嘗試了不同的井蓋結構，分析他們的受力特點，得出一種比較經(jīng)濟合理的結構，然后運用第二種優(yōu)化方法，優(yōu)化該種結構的一些幾何尺寸，如優(yōu)化井蓋的板厚，加強筋高度、寬度等尺寸，從而得出一種最為合理的結構。

關鍵詞：復合材料；井蓋；設計

隨著我國城市基礎設施建設事業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，城市中給水、排水、燃氣、熱力、電力、通訊等各類市政公用地下管線設施日益增加，城市路面上各類地下管線設施的人孔井蓋也相應地不斷增多。近年來，由于城市路面井蓋管理不善，造成全國范圍內(nèi)各類傷人、損車事件頻發(fā)，嚴重影響了市民的出行安全，造成不良的社會影響，如何改善和加強城市井蓋管理已成為困擾全國各地市政設施管理部門的一個難點、熱點問題，引起了各地政府及市政設施管理部門的高度重視。以河南省為例，河南省于2007年頒布了《城市城市道路窖井設施管理辦法》，按照市、區(qū)兩級管理體制，對各井蓋產(chǎn)權單位所屬窖井設施管理責任做了明確規(guī)定，為窖井設施的規(guī)范化、制度化管理提供了基礎性的法律依據(jù)。但政府部門制定出臺有關的法律、法規(guī)僅僅是加強城市路面井蓋管理綜合治理措施的一個方面，為切實改善城市路面井蓋設施管理狀況，還需要客觀、全面地分析和研究各方面存在的現(xiàn)實問題和原因，通過政府有關部門的統(tǒng)一領導、組織和協(xié)調(diào)，各相關責任管理單位和部門、乃至全社會加強協(xié)作配合，從各方面采取有針對性的管理對策和措施。以下基于筆者多年從事井蓋的質(zhì)量檢測工作經(jīng)驗，主要以城市為例，通過對城市路面井蓋設施管理方面存在問題的分析、研究和探討，提出了相關的管理改進建議和對策。

1 復合材料及其分類

復合材料（Composite materials），是以一種材料為基體（Matr ix），另一種材料為增強體（reinforcement）組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。關于檢查井蓋被盜造成重大人身交通事故的報道也時有所聞，在社會上造成惡劣影響。隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，各類非金屬井蓋相繼面世。樹脂基復合材料井蓋以其輕質(zhì)高強、抗疲勞性能好、破損安全性好、成型工藝性優(yōu)越、車碾噪音小、不腐蝕、耐酸堿、外表美觀等優(yōu)點并能很好解決鑄鐵井蓋被盜的問題，成為鑄鐵井蓋的理想替代產(chǎn)品。以路面井蓋現(xiàn)狀為例，通過對城市路面井蓋方面存在問題的分析、研究和探討，提出了相關的改進建議和對策。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和己使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、欽等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。

2 復合材料井蓋的現(xiàn)狀與發(fā)展

井蓋是通往地下設施的出入口頂部的封閉物，凡是安裝自來水、電信、電力、燃氣、熱力、消防、環(huán)衛(wèi)等公用設施的地方都需要安裝井蓋。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國基礎設施的建設又迎來一個新的建設周期，井蓋在城市規(guī)劃和道路建設中的市場需求量巨大。井蓋所用材料以前大部分是鋼筋混凝土材質(zhì)。由于鋼筋混凝土具有脆性大、易老化、易斷裂等缺陷，而被鑄鐵、球墨鑄鐵等材質(zhì)所代替。目前鑄鐵（含球墨鑄鐵）井蓋用量在90%以上。但鑄鐵井蓋具有回收價值而經(jīng)常被盜，由此造成車毀人亡的事件時有發(fā)生。為了解決井蓋被盜問題，目前主要采用兩種方法：一是在鑄鐵井蓋上安裝防盜裝置，但采用防盜裝置增加了成本，且不能從根本上解決問題，給使用帶來諸多的不便；還有一種有效的途徑就是采用復合材料作井蓋，可以從根本上解決井蓋被盜的問題。

目前，市場上流行的復合材料井蓋有三大類，即鋼纖維混凝土井蓋、再生樹脂復合材料井蓋、纖維增強復合材料井蓋。這三種井蓋都不含或含有少量金屬，沒有回收價值，可以較好的解決傳統(tǒng)的鑄鐵井蓋被盜問題。

3 聚合物基復合材料檢查井蓋的優(yōu)化設計

由于聚合物基復合材料井蓋的強度與鑄鐵井蓋相比較低，要達到鑄鐵井蓋的承載能力和使用等級，必須將與鑄鐵相同承載等級的復合材料井蓋各個部件做得很厚，這樣復合材料井蓋才能有較大的使用范圍。這種依靠加厚井蓋部件的方法無形中增加了井蓋的用料和成本。因此，對井蓋進行結構優(yōu)化，選擇合理的井蓋結構型式，并使井蓋的物理性能達到平衡，減少井蓋結構的用料，具有較強的實際意義。

基于APDL的ANSYS（有限元法）是APDL技術的延伸和擴展，ANSYS有限元優(yōu)化技術必須借助APDL實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析過程才能實現(xiàn)。目前，對復合材料井蓋優(yōu)化主要有兩種方法：第一種是對井蓋結構的優(yōu)化，通過采用不同形式的井蓋，如平底型、加肋型、魚肚型等結構，對各種結構形式的井蓋做出靜力應力場分析，選用承載能力最大且物理性能達到最好井蓋結構。該種形式的井蓋就是最優(yōu)方案的井蓋。另一種方法是對井蓋結構本身的優(yōu)化，這種方法是對既定結構形式的井蓋各個部件的尺寸如井蓋蓋板厚度、加強筋的高度、肋板厚度進行優(yōu)化，在井蓋工作容許的范圍內(nèi)，找力學性能最優(yōu)、用料最省的井蓋優(yōu)化方案。

4 加強城市井蓋維護管理方面的綜合治理

4.1 目前城市井蓋管理方面存在的問題

目前城市各類井蓋的產(chǎn)權單位有近20個之多，除了市政、電力、路燈、網(wǎng)通、移動、自來水、燃氣、熱力等管線設施的井蓋外，另有一部分屬于沿線單位或物業(yè)公司的井蓋。管線窖井的建設和管理目前仍處于“誰需要、誰建設、誰維護”的多頭管理模式，這種各自為政的多頭管理體制和模式給城市井蓋的日常維護管理造成較大的困難，遇到問題時各方相互推辭扯皮的現(xiàn)象時有發(fā)生。

目前，城市井蓋維護管理中有兩方而的問題較為突出：首先是井蓋被盜丟失問題，井蓋大量被盜、丟失不但給行人和車輛造成了巨大的安全隱患，也給相關的維護管理部門造成了較大的經(jīng)濟損失，盜賣者僅以每套幾十元的低價將盜竊來的井蓋當做廢鐵賣掉.而更換一套新井蓋的成木則需幾百元甚至上千元。再者就是井蓋被機動車壓毀的現(xiàn)象，輕型井蓋多用在禁止機動車通行的慢車道和人行道上，但在洛陽及其他一些城市因?qū)Ｓ玫耐＼噲鋈狈Γ瑱C動車甚至重車占用人行道、慢車道停車的現(xiàn)象很普遍，井蓋被機動車壓壞的現(xiàn)象時有發(fā)生。

4.2 城市井蓋日常管理的綜合治理措施

目前，全國各地城市為了加強路而井蓋的日常維護管理工作，出臺了不少綜合性的治理措施。以城市為例，市政府有關部門在城市井蓋管理方面已經(jīng)采取了一些行之有效的綜合治理措施，例如：增加城市管理信息員的隊伍，采取分路段包干的形式加大巡查力度；12319城建專線24小時接聽市民反映的城市管理中存在的問題，一旦接到井蓋缺損的電話立即轉(zhuǎn)發(fā)權屬單位補裝更換井蓋，提高了井蓋補裝效率；各產(chǎn)權單位建立接到電話2小時到達現(xiàn)場，8小時內(nèi)修復的制度。

但是，對于在城市井蓋管理中尚存在的一些薄弱環(huán)節(jié)，應當引起政府有關部門的高度重視，并研究采取切實有效的對策。例如，有些井蓋產(chǎn)權單位的界定問題對強化井蓋的日常管理至關重要。建議首先應盡快做好地下管線普查工作，建立地下管線信息計算機管理系統(tǒng)，對每座檢查井頒發(fā)身份證，標明檢查井詳細位置、井蓋規(guī)格編號、產(chǎn)權單位，對應現(xiàn)場檢查井逐一標明井蓋編號、產(chǎn)權單位、統(tǒng)一的舉報電話。如果這些監(jiān)管措施能得到有效落實，一旦哪個井蓋丟失損壞了，不僅專業(yè)巡查人員能準確說出位置、類型，任何市民也可在第一時間撥打電話準確投訴井蓋身份，使接聽辦件人能夠盡快確定井蓋的規(guī)格類型、權屬單位等信息，在第一時間通知到特定的產(chǎn)權責任人，避免了各井蓋產(chǎn)權單位之間相互推辭，井蓋的補裝效率可以大大提高。國內(nèi)已有濟南等城市已開始嘗試將射頻識別技術（UHF-RFID）等更先進的技術手段應用于城市市政管線資源。例如，只要對城市中的各類市政公用設施井蓋加貼上電子標簽，有關管理人員只需用電子識別器掃描標簽，即可明確具體的井蓋產(chǎn)權單位，解決了井蓋丟失后補裝處理時間過長等問題；同時，有關城市市政設施管理部門只要打開計算機管理系統(tǒng)，全部加貼電子標簽的井蓋是否完好、歸誰管理等管理信息就可一目了然，極大地提高了管理效率。

對于井蓋丟失問題，除加大對破壞、偷盜井蓋等不法行為的處罰力度、提高對舉報破壞偷盜井蓋線索人的獎勵標準外，建議建立統(tǒng)一的井蓋回收制度：對碎、裂、廢、舊井蓋設施一律由城市管理機構統(tǒng)一組織回收，其他任何單位和個人不得擅自處理或收購井蓋，從法規(guī)和制度上防控井蓋丟失現(xiàn)象。對于機動車占用人行道、慢車道造成的井蓋損毀現(xiàn)象，應由公安交警、城市規(guī)劃等各部門的齊抓共管，以最大限度地減少井蓋損毀。另外，建議道路紅線范圍內(nèi)，無論快車道、人行道統(tǒng)一采用重型井蓋設計荷載標準，以解決機動車占用人行道、慢車道易造成井蓋損毀的問題。

5 結語

城市路面井蓋管理問題關乎社會民生，井蓋管理水平的好壞也反映了一個城市的市政設施綜合管理水平，在某種程度上可以說是對承擔社會公共管理職能的政府智慧和能力的考驗，體現(xiàn)了一個城市或地區(qū)的社會整體發(fā)展水平。在目前的社會條件下，要有效改善城市路面井蓋的維護管理水平，僅僅靠一兩個部門的監(jiān)管是遠遠不夠的，需要建立健全的相關法律、法規(guī)體制，更需要科學的系統(tǒng)性管理機制和體制的有效保障以及全社會的關注和參與。