陳鵬宇 黃 輝 莫 軍,2 賈 彬

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽 621000；2 中國工程物理研究院 四川綿陽 621900)

表面粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料布(FRP布)加固技術(shù)具有操作簡單、施工便捷、加固效率高、加固成本低等突出優(yōu)點，是實現(xiàn)既有壓力鋼管線有效加固的可靠途徑之一[1-2]。根據(jù)加固過程中FRP布初始應(yīng)力的不同，可分為預(yù)應(yīng)力FRP布加固和非預(yù)應(yīng)力FRP布加固。相較于非預(yù)應(yīng)力FRP布加固，預(yù)應(yīng)力FRP布加固可充分發(fā)揮FRP材料強(qiáng)度高的特點，且能有效克服非預(yù)應(yīng)力加固引起的FRP應(yīng)力滯后現(xiàn)象[3]。圍繞預(yù)應(yīng)力FRP布加固技術(shù)，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了大量的試驗及理論研究工作，文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了承受內(nèi)壓下纏繞FRP布管線的應(yīng)力應(yīng)變計算公式，建立了損傷金屬管線加固前后應(yīng)力變化的理論分析公式。文獻(xiàn)[5]建立了FRP布加固內(nèi)壓管線的環(huán)向應(yīng)力計算公式，并進(jìn)行了有限元研究。文獻(xiàn)[6]通過試驗研究了外纏繞FRP布對管線承壓能力的影響，并基于薄壁容器理論建立了管線處于彈塑性階段加固的理論設(shè)計公式。

綜上所述，目前對內(nèi)壓作用下FRP布加固鋼管線的環(huán)向應(yīng)力計算公式進(jìn)行了一定的理論及試驗研究，但基本是建立在FRP布與管壁界面環(huán)向應(yīng)力相等的假定上展開的，對FRP布與鋼管管壁協(xié)同變形的研究較少。本文基于課題組自主研發(fā)的FRP布張拉裝置[7]，開展了不同工況下的預(yù)應(yīng)力BFRP布加固壓力鋼管線試驗。試驗中主要考慮了環(huán)氧樹脂膠的涂抹位置及FRP布張拉裝置的卸除對BFRP布與鋼管管壁協(xié)同變形的影響規(guī)律。研究成果可為預(yù)應(yīng)力BFRP布加固壓力鋼管線提供技術(shù)支持。

1 預(yù)應(yīng)力BFRP布加固壓力鋼管線的應(yīng)力分析

鋼管線的壁厚遠(yuǎn)小于其內(nèi)徑，可按照薄壁圓筒理論進(jìn)行分析，在承受內(nèi)壓荷載的薄壁圓筒中，采用預(yù)應(yīng)力加固鋼管線的環(huán)向應(yīng)力計算可分為兩個部分，一是計算內(nèi)壓作用下管道的環(huán)向應(yīng)力；二是計算預(yù)應(yīng)力作用下管道的環(huán)向應(yīng)力，將兩者應(yīng)力結(jié)果疊加即可得到預(yù)應(yīng)力BFRP布加固壓力鋼管線中管道的環(huán)向應(yīng)力以及BFRP的張拉應(yīng)力。

1.1 內(nèi)壓作用下鋼管的環(huán)向應(yīng)力

基于薄壁圓筒理論，假定管道環(huán)向應(yīng)力沿著壁厚均勻分布，可將BFRP等效為管道厚度，圖1所示為管道環(huán)向應(yīng)力計算模型。

圖1 環(huán)向應(yīng)力計算簡圖Fig.1 Circumferential stress chart

根據(jù)圖1可以得到管道和BFRP的環(huán)向應(yīng)力分別為：

(1)

(2)

1.2 預(yù)應(yīng)力作用下管道的環(huán)向應(yīng)力

設(shè)預(yù)應(yīng)力作用下BFRP的初始應(yīng)變?yōu)棣?，則套箍BFRP布的原始半徑與管道外半徑之差為：

(3)

BFRP與管道之間的界面壓力為：

(4)

簡化后可得：

(5)

管道的環(huán)向應(yīng)力為：

(6)

BFRP的環(huán)向應(yīng)力為：

(7)

簡化后可得：

(8)

由式(1)、式(2)、式(6)、式(8)可得預(yù)應(yīng)力BFRP加固內(nèi)壓管線中管道的環(huán)向應(yīng)力為：

(9)

BFRP的張拉應(yīng)力為：

(10)

式(1)-式(10)中，σst,σfrp分別為鋼管、纖維環(huán)向應(yīng)力，Te為FRP彈性模量Est與鋼管彈性模量Efrp之比；Psu為鋼管內(nèi)壓，R為鋼管加固后名義半徑，r1,r2分別為鋼管外、內(nèi)半徑，tst為鋼管壁厚，d為腐蝕深度，tfrp為FRP厚度。

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計

試驗設(shè)計了3組共12個試件，相應(yīng)的試驗變量、試件編號及試件構(gòu)造特征見表1。表中環(huán)氧樹脂膠涂抹位置分為鋼管表面和纖維布表面。前者指BFRP布張拉前在待加固鋼管表面涂抹環(huán)氧樹脂膠，后者表示BFRP布張拉完畢后在BFRP布表面涂抹環(huán)氧樹脂膠。單個試件由長1.5 m、壁厚1.9 mm、外徑273 mm的無縫鋼管及兩端球形封頭組成，封頭上預(yù)留有用于加載的進(jìn)出水孔，試驗試件如圖2所示。

圖2 試驗試件及模型Fig.2 Test specimen and model

試驗工況試件編號施加預(yù)應(yīng)力值/N·m環(huán)氧樹脂膠涂抹位置是否卸除錨固裝置ⅠⅠ-180鋼管表面否Ⅰ-290鋼管表面否Ⅰ-3100鋼管表面否Ⅰ-4130鋼管表面否ⅡⅡ-180纖維布表面否Ⅱ-290纖維布表面否Ⅱ-3100纖維布表面否Ⅱ-4130纖維布表面否ⅢⅢ-180纖維布表面卸除Ⅲ-290纖維布表面卸除Ⅲ-3100纖維布表面卸除Ⅲ-4130纖維布表面卸除

2.2 材料屬性

試件所用鋼管等級為Q235B，參考《輸送流體用無縫鋼管》[8]規(guī)格參數(shù)并選取試件材料進(jìn)行材性試驗得到材料性能參數(shù)如表2所示。試驗所用的BFRP布由四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司生產(chǎn)，厚為0.111 mm，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3354——1999《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能實驗方法》[9]制作試樣，得到材料性能參數(shù)如表2所示。試驗用環(huán)氧樹脂膠選取四川承華膠業(yè)有限公司生產(chǎn)的CH-1A浸漬膠，由A，B組分2∶1配置而成，性能參數(shù)如表2所示。

表2 試驗材料力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Test material parameter

2.3 測點布置及加載方式

沿試件環(huán)向四分點處設(shè)置3個測點，每個測點粘貼5片平行布置的應(yīng)變片，相鄰間距為40 mm，鋼管表面測點為1-A，纖維布包裹的鋼管表面測點為1-B,1-C。纖維布表面測點為1-D,1-E，各試件測點布置如圖3所示。

試驗選用泰州四通機(jī)具廠生產(chǎn)的DSB-6.3型電動試壓泵施加內(nèi)壓，該設(shè)備量程0～6 MPa，精度為0.1 MPa。加載方式為分級加載，每級荷載增量為0.2 MPa，試驗荷載最大值為4.2 MPa。荷載增加到相應(yīng)等級后持荷2 min，待壓力表的讀數(shù)穩(wěn)定后采集各測點的應(yīng)變值。

圖3 應(yīng)變片布置Fig.3 Strain gauge arrangement

3 試驗結(jié)果

3.1 環(huán)氧樹脂膠涂抹位置的變化對BFRP布與鋼管協(xié)同變形的影響

圖4-圖7為不同初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下加固區(qū)鋼管環(huán)向應(yīng)變和BFRP布應(yīng)變隨內(nèi)壓增加的變化情況。從圖中可以看出，在鋼管達(dá)到屈服應(yīng)變前曲線基本重合，鋼管與BFRP布兩者協(xié)同變形；隨著管壁受拉屈服，鋼材的應(yīng)變增長較BFRP布快，兩者出現(xiàn)了明顯的分離。上述試驗現(xiàn)象表明：在彈性受力階段，環(huán)氧樹脂膠涂抹位置的變化對壓力鋼管線徑向應(yīng)變的影響不明顯，隨著試件進(jìn)入塑性變形階段而趨于顯著。

根據(jù)試驗結(jié)果，工況I試件在屈服應(yīng)變下的內(nèi)壓荷載值分別為3.92,4.0，4.13，6.96 MPa，工況II試件屈服應(yīng)變對應(yīng)內(nèi)壓荷載值分別為3.83，3.98，4.0，6.6 MPa。兩工況下鋼管屈服內(nèi)壓相對差值在0.5%～5.2%之間，且與理論計算值相差小于2.6%。當(dāng)初始預(yù)應(yīng)力小于100 N·m時，環(huán)氧樹脂膠涂抹在鋼管表面時鋼管的環(huán)向應(yīng)變與纖維拉伸應(yīng)變基本一致，采用環(huán)氧樹脂膠涂抹在鋼管表面的處理方式，可確保鋼材屈服后BFRP布與鋼管協(xié)同變形，預(yù)應(yīng)力加固質(zhì)量相對較優(yōu)良。

圖4 80 N·m預(yù)應(yīng)力下試件應(yīng)變與內(nèi)壓關(guān)系Fig.4 Internal pressure-strain curve under 80 N·m prestress

圖5 90 N·m預(yù)應(yīng)力下試件應(yīng)變與內(nèi)壓關(guān)系Fig.5 Internal pressure-strain curve under 90 N·m prestress

圖6 100 N·m預(yù)應(yīng)力下試件應(yīng)變與內(nèi)壓關(guān)系Fig.6 Internal pressure-strain curve under 100 N·m prestress

圖7 130 N·m預(yù)應(yīng)力下試件應(yīng)變與內(nèi)壓關(guān)系Fig.7 Internal pressure-strain curve under 1 300 N·m prestress

3.2 FRP布張拉裝置的拆卸對BFRP與鋼管協(xié)同變形的影響

圖8-圖11為不同初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下卸除FRP張拉裝置前后加固區(qū)鋼管環(huán)向應(yīng)變和BFRP布應(yīng)變隨內(nèi)壓增加的變化情況。從圖中可以看出，初始預(yù)應(yīng)力水平對加固區(qū)鋼管環(huán)向應(yīng)變及纖維應(yīng)變影響比較明顯，在相同內(nèi)壓荷載情況下，初始預(yù)應(yīng)力值越大，鋼管應(yīng)力越小，BFRP纖維承擔(dān)的應(yīng)力越大，加固效果越明顯。

從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始預(yù)應(yīng)力小于100 N·m時，卸除FRP張拉錨具前后受壓區(qū)鋼管環(huán)向應(yīng)變曲線基本重合，卸除裝置后受壓區(qū)鋼管環(huán)向應(yīng)變略大于保留裝置時鋼管的環(huán)向應(yīng)變，但環(huán)向應(yīng)變提高值小于7%，說明卸除FRP張拉裝置產(chǎn)生了部分預(yù)應(yīng)力損失，導(dǎo)致卸除后纖維部分收縮，鋼管應(yīng)變略微增大。根據(jù)試驗結(jié)果擬合曲線計算鋼管屈服狀態(tài)的理論內(nèi)壓值，結(jié)果如表3所示。

圖8 80 N·m預(yù)應(yīng)力下試件應(yīng)變與內(nèi)壓關(guān)系Fig.8 Internal pressure-strain curve under 80 N·m prestress

圖9 90 N·m預(yù)應(yīng)力下試件應(yīng)變與內(nèi)壓關(guān)系Fig.9 Internal pressure-strain curve under 90 N·m prestress

圖10 100 N·m預(yù)應(yīng)力下試件應(yīng)變與內(nèi)壓關(guān)系Fig.10 Internal pressure-strain curve under 100 N·m prestress

圖11 130 N·m預(yù)應(yīng)力下試件應(yīng)變與內(nèi)壓關(guān)系Fig.11 Internal pressure-strain curve under 130 N·m prestress

預(yù)應(yīng)力值屈服內(nèi)壓值/MPa保留錨具卸載錨具變化幅度80 N·m3.833.781.3%90 N·m3.983.941.0%100 N·m4.03.931.75%130 N·m6.64.5231.5%

參考輸油管道工程設(shè)計規(guī)范[10]可以得出試驗試件屈服時內(nèi)壓設(shè)計值為3.34 MPa，對比表3結(jié)果可以得出，隨著BFRP布中初始預(yù)應(yīng)力值的增加，受壓區(qū)鋼管屈服內(nèi)壓提高量分別為14.67%,19.16%,19.76%,97.6%，說明FRP張拉裝置能有效施加預(yù)應(yīng)力于試件。當(dāng)施加的初始預(yù)應(yīng)力增加時，卸除裝置對屈服內(nèi)壓的影響幅度有變大的趨勢，說明卸除裝置后鋼管受到的環(huán)向約束減小，預(yù)應(yīng)力損失逐漸變大，當(dāng)初始預(yù)應(yīng)力小于100 N·m時，卸除裝置產(chǎn)生的影響幅值小于10%，可以選擇卸除FRP張拉裝置，實現(xiàn)循環(huán)利用。

4 結(jié)論

本文針對預(yù)應(yīng)力FRP布補強(qiáng)鋼管線施工技術(shù)中膠黏劑涂抹位置的變化和卸除FRP布張拉裝置對BFRP布與鋼管協(xié)同變形的影響進(jìn)行了研究，完成了12個試件在不同預(yù)應(yīng)力水平下的鋼管靜水壓力試驗。通過試驗結(jié)果的對比分析，可以得到如下結(jié)論：(1)初始預(yù)應(yīng)力水平對加固區(qū)鋼管環(huán)向應(yīng)變及纖維應(yīng)變影響比較明顯，在相同內(nèi)壓荷載情況下，初始預(yù)應(yīng)力值越大，鋼管應(yīng)力越小，BFRP纖維承擔(dān)的應(yīng)力越大，加固效果越明顯。(2)隨著BFRP布中初始預(yù)應(yīng)力值的增加，鋼管的屈服荷載逐漸提高，其屈服內(nèi)壓提高量為14.67%～97.6%。(3)采用環(huán)氧樹脂膠涂抹在鋼管表面的處理方式，可確保鋼材屈服后BFRP布與鋼管協(xié)同變形，預(yù)應(yīng)力加固質(zhì)量相對較優(yōu)良。在彈性受力階段，環(huán)氧樹脂膠涂抹位置的變化對壓力鋼管線環(huán)向應(yīng)變的影響不明顯，涂抹在鋼管表面時鋼管的屈服內(nèi)壓比涂抹在纖維表面時僅提高了0.5%～5.2%。但進(jìn)入塑性階段后膠涂抹位置對鋼管環(huán)向應(yīng)變的影響便趨于顯著。(4)卸除BFRP張拉裝置會產(chǎn)生部分預(yù)應(yīng)力損失，且隨著初始預(yù)應(yīng)力值的增加，預(yù)應(yīng)力損失逐漸增大。在初始預(yù)應(yīng)力小于100 N·m時，卸除裝置產(chǎn)生的影響幅值小于10%，可以選擇卸除裝置，實現(xiàn)循環(huán)利用。

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