短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍滑動承載力試驗研究

石 湘，張洪琿，李 聰，王樹青，徐 皓

(1. 中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；2. 海洋石油工程股份有限公司 設計公司，天津 300452)

短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍滑動承載力試驗研究

石 湘1，張洪琿1，李 聰1，王樹青1，徐 皓2

(1. 中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；2. 海洋石油工程股份有限公司 設計公司，天津 300452)

對短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍的滑動承載力進行了試驗研究，首先從自應力產生機理介紹了短螺栓型灌漿卡箍結構，分析了這種結構的特點和優越性，然后在不同膨脹劑摻量和長細比下進行了這種卡箍試件的滑動承載力測試。試驗結果表明：滑動承載力隨著膨脹劑摻量的增加線性增加；在長細比為1.02～1.67的范圍內，滑動應力差異不大，但當長細比增加到3.33時，滑動應力明顯降低；而且短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍比近似結構尺寸的傳統長螺栓型卡箍能提供更大的滑動應力。試驗結果為短螺栓型膨脹式灌漿卡箍的工程應用提供了一定的設計依據。

水下加固；膨脹式；自應力；灌漿卡箍；短螺栓結構；滑動承載力

今后10年國內將有大量的海洋平臺和海底管線進入老齡服役期，加上全球災害氣候的頻繁出現，對水下維修加固技術的需求日益迫切[1]。從目前的應用情況看，灌漿卡箍是一種非常實用的修復加固方法，其中自應力灌漿卡箍以其滑動承載力高、允許制造公差大的優點已在國外得到廣泛應用[2]。國內對傳統的灌漿卡箍技術進行了一些研究和探索[3- 4]，由于技術門檻較高，國內對自應力灌漿卡箍技術基本沒有掌握，工程應用實例很少[4- 5]。楊彬、石湘等提出了膨脹式自應力灌漿卡箍的研制[6]，即在卡箍的水泥漿中摻入高效膨脹劑，利用灌漿膨脹受限自動建立卡箍的預應力以達到修復加固構件的目的。這種機理的自應力灌漿卡箍可以提高卡箍安裝的工作效率，節省再次租用工程船張緊卡箍螺栓的施工過程，但針對這種卡箍的短期和長期性能模型試驗仍然采用傳統的長螺栓結構[7- 8]，沒有考慮膨脹式自應力灌漿卡箍自應力的建立方式的差異。本文基于一種短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍進行了模型試驗分析，探討了這種結構的特點和優越性，并為這種類型卡箍的工程應用提供了試驗依據。

1 短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍結構分析

膨脹式自應力灌漿卡箍的自應力是通過在水泥漿中摻入膨脹劑，由灌漿膨脹受限而自動建立的，其自應力產生機理與通過擰緊長螺栓在灌漿與受損管件界面產生自應力的傳統方式完全不同。因此袁振等提出了短螺栓型卡箍結構[9]，使得卡箍鋼結構大幅簡化，重量減輕。短螺栓型卡箍結構如圖1所示，其與傳統長螺栓型卡箍(見圖2)有較大區別，最明顯的是長雙頭螺栓改為了短螺栓，大的法蘭板改成了小法蘭板，而且筋板和側板被撤掉。

圖1 短螺栓型卡箍結構Fig. 1 Short- bolt clamp structure

該短螺栓型卡箍結構相比傳統長螺栓結構在性能上具有優越性，首先相比原先傳統結構在對開口處的軸向密封結構，短螺栓型卡箍的對開口由兩個法蘭板連接，軸向密封面積大幅提升，因此提高了密閉性，減少了內部膨脹壓力損失，使得軸向密封的結構更加合理并且安裝簡單。其次短螺栓結構在相同灌漿膨脹壓力作用下，其上下兩瓣的分開變形比長螺栓結構要小(原因是對開口處的鋼結構接觸面積大以及螺栓長度較短)，因此膨脹壓力損傷要小，可能具有更高的滑動承載力。

2 灌漿卡箍試件及測試方法

2.1試件結構及長細比設置

短螺栓型卡箍模型結構尺寸如圖1和圖3所示，共制作了8個模型，其總長度為410 mm，鞍板的尺寸為Φ168 mm×6 mm，每側有6個M12的短螺栓來連接卡箍的上下兩瓣。灌漿環的尺寸為Φ156 mm×24 mm，進出漿口分別位于卡箍底部和頂部。模擬海洋平臺受損構件的內管尺寸為Φ108 mm×4.5 mm，對于小長細比(S/D)內管測試，如圖3(a)所示，采用中間斷開的兩段，用木塞對正相接，并選取不同的連接長度S來模擬不同的長細比，外端都配有用于拉伸試驗的拉頭；對于大長細比(S/D)內管測試，如圖3(b)所示，采用兩端齊平的一段并用推出法測試滑動承載力，此時S為卡箍整個的灌漿連接長度。

圖3 短螺栓型卡箍試件Fig. 3 Short- bolt clamp specimens

試驗中共設置了4種情況的長細比，采用拉伸法測試設置了三種S尺寸，即110、140和180 mm，對應的長細比分別為1.02、1.30和1.67；采用推出法測試時S=360 mm，對應長細比為3.33。

2.2膨脹劑及水泥漿配合比

膨脹劑類型采用FEA100，其特點在文獻[7,8]中已有介紹。灌漿時采用水泥漿的配合比如表1所示，水泥為PO42.5水泥。在保證水泥漿泵送性的前提下盡量提高灌漿環凝固后與內管間的粘接強度，對于摻加FEA100膨脹劑的水泥漿將水灰比定為0.45，膨脹劑的摻量分別為10%、12%和15%。

表1 水泥漿成分表Tab. 1 Chemical composition of cement slurry

2.3試件的養護及測試

卡箍試件的制作步驟見楊彬等的試驗[6]，試件需置于水中養護21天，再置于室內干燥環境養護7天，共計28天。然后將卡箍試件置于萬能試驗機上測量其滑動承載力，如圖4所示，其中圖4(a)是小長細比拉伸法測試的情況，圖4(b)是大長細比推出法測試的情況，推出法采用了一個與鞍板等截面的環形墊圈。

圖4 卡箍模型滑動承載力測試Fig. 4 Test on slip capacity of clamp model

3 滑動承載力數據分析

3.1滑動應力計算

假定滑動應力沿膨脹灌漿環與受損內管的界面均勻分布，根據測得的卡箍極限承載力FS，由式(1)可計算卡箍的滑動應力Ps為：

式中：Fs為試驗測得的卡箍滑動承載力，D為受損內管外徑，S為受損內管脫開部分與灌漿環接觸的長度。

3.2滑動承載力試驗數據分析

表2為短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍的滑動應力數據，包括四種長細比下的數據，長細比的測試范圍從1.02到3.33，基本涵蓋了工程實際中可能涉及到的長細比。其中長細比為1.67下的三種膨脹劑摻量的試驗數據可用于分析膨脹劑摻量與滑動應力的關系，以及短螺栓型與長螺栓型卡箍試驗數據的對比。

表2 短螺栓型卡箍滑動應力測試數據Tab. 2 Test data of slip stress for short- bolt clamp

圖5描述了在同等長細比(S/D=1.67)下，不同膨脹劑摻量對滑動應力的影響。試驗中每種摻量下進行四次試驗，取滑動應力的平均值進行分析。從圖5可以看出，在10%至15%膨脹劑摻量范圍內，隨著膨脹劑摻量的提高，所測得的滑動應力成線性增加趨勢。

針對不同長細比的短螺栓型膨脹式灌漿卡箍滑動應力進行了分析，取兩種膨脹劑摻量10%和15%，每種膨脹劑摻量對應四種長細比1.02、1.30、1.67、3.33，同樣取測試所得滑動應力平均值，最終得到不同長細比下的平均滑動應力對比如圖6所示。

圖5 不同膨脹劑摻量對卡箍滑動應力影響Fig. 5 Influence of different agent contents on slip stress of clamp

圖6 不同長細比下的平均滑動應力對比Fig. 6 Comparison of mean slip stresses on different slenderness ratios

從圖中可以看出對于兩種膨脹劑摻量10%和15%，在長細比1.02～1.67范圍內不同長細比下的滑動應力變化幅度不大，均沒有超過5%，即滑動應力基本不變。在長細比為3.33時滑動應力明顯減小，對比1.67長細比的滑動應力，發現3.33長細比下的滑動應力減小幅度約為14%(10%摻量)和32%(15%摻量)。雖然試驗測試的長細比數據不多，但試驗結果與Paul Grundy和James Foo Ee Kiu的研究結論吻合[10]。他們對灌漿套管連接件的長細比研究結論為：滑動應力主要建立于灌漿接觸面的兩端，因此當長細比過大之后整個表面的平均滑動應力就會降低。

3.3與傳統長螺栓結構數據對比

在相同的長細比(S/D=1.67)及近似卡箍結構下，對短螺栓型和傳統長螺栓型卡箍進行不同膨脹劑摻量下的滑動應力對比，依舊是每種摻量下的滑動應力取平均值。需要說明的是傳統長螺栓型卡箍試驗數據取自文獻[7]中的6螺栓卡箍試件的測試數據，其卡箍模型的內管和灌漿環的尺寸均與短螺栓型模型相同，鞍板尺寸為Φ165 mm×4.5 mm，略小于短螺栓型模型，但長螺栓模型鞍板上有筋板、側板等加強結構。

表3 不同膨脹劑摻量下短螺栓型與長螺栓型卡箍滑動應力對比Tab. 3 Slip stress comparison between short- bolt clamp and long- bolt clamp with different agent contents

通過表3可以看到每種膨脹劑摻量下短螺栓型卡箍的滑動應力都大于傳統長螺栓型卡箍，在膨脹劑摻量分別為10%、12%、15%且其他條件相同的情況下，滑動應力分別提高了30.4%、32.7%和16.6%。以上分析充分說明短螺栓型卡箍比傳統長螺栓型卡箍能提供更大的滑動承載力。

4 結 語

介紹短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍的試驗研究，通過對滑動應力試驗數據分析得到以下幾個結論：

1)滑動承載力在膨脹劑摻量10%～15%的范圍內隨著膨脹劑摻量的增加線性增加；

2)在長細比為1.02～1.67的范圍內，滑動應力均差異不大；當長細比增加到3.33時，滑動應力相比小長細比范圍的試驗數值明顯降低，并且膨脹劑摻量為15%的數據下降尤為顯著；

3)短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍比近似結構尺寸的傳統長螺栓型卡箍能提供更大的滑動應力。

總之短螺栓型膨脹式自應力灌漿卡箍相比傳統長螺栓結構而言性能更優，本文的試驗為短螺栓型膨脹灌漿卡箍的工程應用提供了一定設計依據。

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Tests on slip capacity for the short- bolt- type expansive stressed grouted clamp

SHI Xiang1, ZHANG Honghui1, LI Cong1, WANG Shuqing1, XU Hao2

(1. Engineering College, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Engineering Company, Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Tests on the slip capacity of the short- bolt- type expansive stressed grouted clamp are carried out. Based on the mechanism of self- stress formation, the proposed short- bolt- type grouted clamp is introduced and its structural feature and superiority are analyzed. Then the slip capacity of the clamp model is tested under different agent contents and different slenderness ratios. The test result demonstrates that the slip capacity increases linearly with the increase of the agent content. The slip stress changes are very small within the slenderness ratio range of 1.02 to 1.67. But the slip stress decreases obviously when the slenderness ratio increases to 3.33. And the short- bolt expansive stressed grouted clamp can provide larger slip stress than the traditional long- bolt clamp with the similar structural size. The tests introduced in this paper will establish a design foundation for engineering application of the short- bolt- type expansive grouted clamp.

underwater repair; expansive; stressed; grouted clamp; short- bolt structure; slip capacity

P742

A

10.16483/j.issn.1005- 9865.2015.05.015

1005- 9865(2015)05- 113- 05

2014- 07- 08

山東省科技發展計劃資助項目(2012GHY11523)；中國海洋石油總公司科技資助項目(CNOOC- KJ 125 ZDXM 05 GC 00GC 2014- 02)

石 湘(1968- )，男，山東青島人，副教授，博士，從事海洋工程方面的研究。E- mail: shixiang@ouc.edu.cn