預應力BFRP布加固壓力鋼管線試驗

陳鵬宇 黃 輝 莫 軍,2 賈 彬

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

表面粘貼纖維增強復合材料布(FRP布)加固技術具有操作簡單、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布初始應力的不同，可分為預應力FRP布加固和非預應力FRP布加固。相較于非預應力FRP布加固，預應力FRP布加固可充分發(fā)揮FRP材料強度高的特點，且能有效克服非預應力加固引起的FRP應力滯后現(xiàn)象[3]。圍繞預應力FRP布加固技術，國內(nèi)外相關學者開展了大量的試驗及理論研究工作，文獻[4]推導了承受內(nèi)壓下纏繞FRP布管線的應力應變計算公式，建立了損傷金屬管線加固前后應力變化的理論分析公式。文獻[5]建立了FRP布加固內(nèi)壓管線的環(huán)向應力計算公式，并進行了有限元研究。文獻[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)向應力計算公式進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應力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。研究成果可為預應力BFRP布加固壓力鋼管線提供技術支持。

1 預應力BFRP布加固壓力鋼管線的應力分析

鋼管線的壁厚遠小于其內(nèi)徑，可按照薄壁圓筒理論進行分析，在承受內(nèi)壓荷載的薄壁圓筒中，采用預應力加固鋼管線的環(huán)向應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)向應力；二是計算預應力作用下管道的環(huán)向應力，將兩者應力結果疊加即可得到預應力BFRP布加固壓力鋼管線中管道的環(huán)向應力以及BFRP的張拉應力。

1.1 內(nèi)壓作用下鋼管的環(huán)向應力

基于薄壁圓筒理論，假定管道環(huán)向應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)向應力計算模型。

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

根據(jù)圖1可以得到管道和BFRP的環(huán)向應力分別為：

(1)

(2)

1.2 預應力作用下管道的環(huán)向應力

設預應力作用下BFRP的初始應變?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)向應力為：

(6)

BFRP的環(huán)向應力為：

(7)

簡化后可得：

(8)

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

(9)

BFRP的張拉應力為：

(10)

式(1)-式(10)中，σst,σfrp分別為鋼管、纖維環(huán)向應力，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 試件設計

試驗設計了3組共12個試件，相應的試驗變量、試件編號及試件構造特征見表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，封頭上預留有用于加載的進出水孔，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應力值/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)國家標準GB/T 3354——1999《定向纖維增強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)向四分點處設置3個測點，每個測點粘貼5片平行布置的應變片，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具廠生產(chǎn)的DSB-6.3型電動試壓泵施加內(nèi)壓，該設備量程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變值。

圖3 應變片布置Fig.3 Strain gauge arrangement

3 試驗結果

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為不同初始預應力狀態(tài)下加固區(qū)鋼管環(huán)向應變和BFRP布應變隨內(nèi)壓增加的變化情況。從圖中可以看出，在鋼管達到屈服應變前曲線基本重合，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變的影響不明顯，隨著試件進入塑性變形階段而趨于顯著。

根據(jù)試驗結果，工況I試件在屈服應變下的內(nèi)壓荷載值分別為3.92,4.0，4.13，6.96 MPa，工況II試件屈服應變對應內(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%。當初始預應力小于100 N·m時，環(huán)氧樹脂膠涂抹在鋼管表面時鋼管的環(huán)向應變與纖維拉伸應變基本一致，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，預應力加固質(zhì)量相對較優(yōu)良。

圖4 80 N·m預應力下試件應變與內(nèi)壓關系Fig.4 Internal pressure-strain curve under 80 N·m prestress

圖5 90 N·m預應力下試件應變與內(nèi)壓關系Fig.5 Internal pressure-strain curve under 90 N·m prestress

圖6 100 N·m預應力下試件應變與內(nèi)壓關系Fig.6 Internal pressure-strain curve under 100 N·m prestress

圖7 130 N·m預應力下試件應變與內(nèi)壓關系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為不同初始預應力狀態(tài)下卸除FRP張拉裝置前后加固區(qū)鋼管環(huán)向應變和BFRP布應變隨內(nèi)壓增加的變化情況。從圖中可以看出，初始預應力水平對加固區(qū)鋼管環(huán)向應變及纖維應變影響比較明顯，在相同內(nèi)壓荷載情況下，初始預應力值越大，鋼管應力越小，BFRP纖維承擔的應力越大，加固效果越明顯。

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

圖8 80 N·m預應力下試件應變與內(nèi)壓關系Fig.8 Internal pressure-strain curve under 80 N·m prestress

圖9 90 N·m預應力下試件應變與內(nèi)壓關系Fig.9 Internal pressure-strain curve under 90 N·m prestress

圖10 100 N·m預應力下試件應變與內(nèi)壓關系Fig.10 Internal pressure-strain curve under 100 N·m prestress

圖11 130 N·m預應力下試件應變與內(nèi)壓關系Fig.11 Internal pressure-strain curve under 130 N·m prestress

預應力值屈服內(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計規(guī)范[10]可以得出試驗試件屈服時內(nèi)壓設計值為3.34 MPa，對比表3結果可以得出，隨著BFRP布中初始預應力值的增加，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應力于試件。當施加的初始預應力增加時，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，預應力損失逐漸變大，當初始預應力小于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 結論

本文針對預應力FRP布補強鋼管線施工技術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)同變形的影響進行了研究，完成了12個試件在不同預應力水平下的鋼管靜水壓力試驗。通過試驗結果的對比分析，可以得到如下結論：(1)初始預應力水平對加固區(qū)鋼管環(huán)向應變及纖維應變影響比較明顯，在相同內(nèi)壓荷載情況下，初始預應力值越大，鋼管應力越小，BFRP纖維承擔的應力越大，加固效果越明顯。(2)隨著BFRP布中初始預應力值的增加，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，預應力加固質(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%。但進入塑性階段后膠涂抹位置對鋼管環(huán)向應變的影響便趨于顯著。(4)卸除BFRP張拉裝置會產(chǎn)生部分預應力損失，且隨著初始預應力值的增加，預應力損失逐漸增大。在初始預應力小于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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