短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍滑动承载力试验研究

石 湘，张洪珲，李 聪，王树青，徐 皓

(1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2. 海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津 300452)

短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍滑动承载力试验研究

石 湘1，张洪珲1，李 聪1，王树青1，徐 皓2

(1. 中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2. 海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津 300452)

对短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的滑动承载力进行了试验研究，首先从自应力产生机理介绍了短螺栓型灌浆卡箍结构，分析了这种结构的特点和优越性，然后在不同膨胀剂掺量和长细比下进行了这种卡箍试件的滑动承载力测试。试验结果表明：滑动承载力随着膨胀剂掺量的增加线性增加；在长细比为1.02～1.67的范围内，滑动应力差异不大，但当长细比增加到3.33时，滑动应力明显降低；而且短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍比近似结构尺寸的传统长螺栓型卡箍能提供更大的滑动应力。试验结果为短螺栓型膨胀式灌浆卡箍的工程应用提供了一定的设计依据。

水下加固；膨胀式；自应力；灌浆卡箍；短螺栓结构；滑动承载力

今后10年国内将有大量的海洋平台和海底管线进入老龄服役期，加上全球灾害气候的频繁出现，对水下维修加固技术的需求日益迫切[1]。从目前的应用情况看，灌浆卡箍是一种非常实用的修复加固方法，其中自应力灌浆卡箍以其滑动承载力高、允许制造公差大的优点已在国外得到广泛应用[2]。国内对传统的灌浆卡箍技术进行了一些研究和探索[3- 4]，由于技术门槛较高，国内对自应力灌浆卡箍技术基本没有掌握，工程应用实例很少[4- 5]。杨彬、石湘等提出了膨胀式自应力灌浆卡箍的研制[6]，即在卡箍的水泥浆中掺入高效膨胀剂，利用灌浆膨胀受限自动建立卡箍的预应力以达到修复加固构件的目的。这种机理的自应力灌浆卡箍可以提高卡箍安装的工作效率，节省再次租用工程船张紧卡箍螺栓的施工过程，但针对这种卡箍的短期和长期性能模型试验仍然采用传统的长螺栓结构[7- 8]，没有考虑膨胀式自应力灌浆卡箍自应力的建立方式的差异。本文基于一种短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍进行了模型试验分析，探讨了这种结构的特点和优越性，并为这种类型卡箍的工程应用提供了试验依据。

1 短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍结构分析

膨胀式自应力灌浆卡箍的自应力是通过在水泥浆中掺入膨胀剂，由灌浆膨胀受限而自动建立的，其自应力产生机理与通过拧紧长螺栓在灌浆与受损管件界面产生自应力的传统方式完全不同。因此袁振等提出了短螺栓型卡箍结构[9]，使得卡箍钢结构大幅简化，重量减轻。短螺栓型卡箍结构如图1所示，其与传统长螺栓型卡箍(见图2)有较大区别，最明显的是长双头螺栓改为了短螺栓，大的法兰板改成了小法兰板，而且筋板和侧板被撤掉。

图1 短螺栓型卡箍结构Fig. 1 Short- bolt clamp structure

该短螺栓型卡箍结构相比传统长螺栓结构在性能上具有优越性，首先相比原先传统结构在对开口处的轴向密封结构，短螺栓型卡箍的对开口由两个法兰板连接，轴向密封面积大幅提升，因此提高了密闭性，减少了内部膨胀压力损失，使得轴向密封的结构更加合理并且安装简单。其次短螺栓结构在相同灌浆膨胀压力作用下，其上下两瓣的分开变形比长螺栓结构要小(原因是对开口处的钢结构接触面积大以及螺栓长度较短)，因此膨胀压力损伤要小，可能具有更高的滑动承载力。

2 灌浆卡箍试件及测试方法

2.1试件结构及长细比设置

短螺栓型卡箍模型结构尺寸如图1和图3所示，共制作了8个模型，其总长度为410 mm，鞍板的尺寸为Φ168 mm×6 mm，每侧有6个M12的短螺栓来连接卡箍的上下两瓣。灌浆环的尺寸为Φ156 mm×24 mm，进出浆口分别位于卡箍底部和顶部。模拟海洋平台受损构件的内管尺寸为Φ108 mm×4.5 mm，对于小长细比(S/D)内管测试，如图3(a)所示，采用中间断开的两段，用木塞对正相接，并选取不同的连接长度S来模拟不同的长细比，外端都配有用于拉伸试验的拉头；对于大长细比(S/D)内管测试，如图3(b)所示，采用两端齐平的一段并用推出法测试滑动承载力，此时S为卡箍整个的灌浆连接长度。

图3 短螺栓型卡箍试件Fig. 3 Short- bolt clamp specimens

试验中共设置了4种情况的长细比，采用拉伸法测试设置了三种S尺寸，即110、140和180 mm，对应的长细比分别为1.02、1.30和1.67；采用推出法测试时S=360 mm，对应长细比为3.33。

2.2膨胀剂及水泥浆配合比

膨胀剂类型采用FEA100，其特点在文献[7,8]中已有介绍。灌浆时采用水泥浆的配合比如表1所示，水泥为PO42.5水泥。在保证水泥浆泵送性的前提下尽量提高灌浆环凝固后与内管间的粘接强度，对于掺加FEA100膨胀剂的水泥浆将水灰比定为0.45，膨胀剂的掺量分别为10%、12%和15%。

表1 水泥浆成分表Tab. 1 Chemical composition of cement slurry

2.3试件的养护及测试

卡箍试件的制作步骤见杨彬等的试验[6]，试件需置于水中养护21天，再置于室内干燥环境养护7天，共计28天。然后将卡箍试件置于万能试验机上测量其滑动承载力，如图4所示，其中图4(a)是小长细比拉伸法测试的情况，图4(b)是大长细比推出法测试的情况，推出法采用了一个与鞍板等截面的环形垫圈。

图4 卡箍模型滑动承载力测试Fig. 4 Test on slip capacity of clamp model

3 滑动承载力数据分析

3.1滑动应力计算

假定滑动应力沿膨胀灌浆环与受损内管的界面均匀分布，根据测得的卡箍极限承载力FS，由式(1)可计算卡箍的滑动应力Ps为：

式中：Fs为试验测得的卡箍滑动承载力，D为受损内管外径，S为受损内管脱开部分与灌浆环接触的长度。

3.2滑动承载力试验数据分析

表2为短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的滑动应力数据，包括四种长细比下的数据，长细比的测试范围从1.02到3.33，基本涵盖了工程实际中可能涉及到的长细比。其中长细比为1.67下的三种膨胀剂掺量的试验数据可用于分析膨胀剂掺量与滑动应力的关系，以及短螺栓型与长螺栓型卡箍试验数据的对比。

表2 短螺栓型卡箍滑动应力测试数据Tab. 2 Test data of slip stress for short- bolt clamp

图5描述了在同等长细比(S/D=1.67)下，不同膨胀剂掺量对滑动应力的影响。试验中每种掺量下进行四次试验，取滑动应力的平均值进行分析。从图5可以看出，在10%至15%膨胀剂掺量范围内，随着膨胀剂掺量的提高，所测得的滑动应力成线性增加趋势。

针对不同长细比的短螺栓型膨胀式灌浆卡箍滑动应力进行了分析，取两种膨胀剂掺量10%和15%，每种膨胀剂掺量对应四种长细比1.02、1.30、1.67、3.33，同样取测试所得滑动应力平均值，最终得到不同长细比下的平均滑动应力对比如图6所示。

图5 不同膨胀剂掺量对卡箍滑动应力影响Fig. 5 Influence of different agent contents on slip stress of clamp

图6 不同长细比下的平均滑动应力对比Fig. 6 Comparison of mean slip stresses on different slenderness ratios

从图中可以看出对于两种膨胀剂掺量10%和15%，在长细比1.02～1.67范围内不同长细比下的滑动应力变化幅度不大，均没有超过5%，即滑动应力基本不变。在长细比为3.33时滑动应力明显减小，对比1.67长细比的滑动应力，发现3.33长细比下的滑动应力减小幅度约为14%(10%掺量)和32%(15%掺量)。虽然试验测试的长细比数据不多，但试验结果与Paul Grundy和James Foo Ee Kiu的研究结论吻合[10]。他们对灌浆套管连接件的长细比研究结论为：滑动应力主要建立于灌浆接触面的两端，因此当长细比过大之后整个表面的平均滑动应力就会降低。

3.3与传统长螺栓结构数据对比

在相同的长细比(S/D=1.67)及近似卡箍结构下，对短螺栓型和传统长螺栓型卡箍进行不同膨胀剂掺量下的滑动应力对比，依旧是每种掺量下的滑动应力取平均值。需要说明的是传统长螺栓型卡箍试验数据取自文献[7]中的6螺栓卡箍试件的测试数据，其卡箍模型的内管和灌浆环的尺寸均与短螺栓型模型相同，鞍板尺寸为Φ165 mm×4.5 mm，略小于短螺栓型模型，但长螺栓模型鞍板上有筋板、侧板等加强结构。

表3 不同膨胀剂掺量下短螺栓型与长螺栓型卡箍滑动应力对比Tab. 3 Slip stress comparison between short- bolt clamp and long- bolt clamp with different agent contents

通过表3可以看到每种膨胀剂掺量下短螺栓型卡箍的滑动应力都大于传统长螺栓型卡箍，在膨胀剂掺量分别为10%、12%、15%且其他条件相同的情况下，滑动应力分别提高了30.4%、32.7%和16.6%。以上分析充分说明短螺栓型卡箍比传统长螺栓型卡箍能提供更大的滑动承载力。

4 结 语

介绍短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的试验研究，通过对滑动应力试验数据分析得到以下几个结论：

1)滑动承载力在膨胀剂掺量10%～15%的范围内随着膨胀剂掺量的增加线性增加；

2)在长细比为1.02～1.67的范围内，滑动应力均差异不大；当长细比增加到3.33时，滑动应力相比小长细比范围的试验数值明显降低，并且膨胀剂掺量为15%的数据下降尤为显著；

3)短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍比近似结构尺寸的传统长螺栓型卡箍能提供更大的滑动应力。

总之短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍相比传统长螺栓结构而言性能更优，本文的试验为短螺栓型膨胀灌浆卡箍的工程应用提供了一定设计依据。

[1] 赵兵杰，朱宏武，唐德渝, 等. 海底油气管道夹具维修技术[J]. 海洋工程，2013, 31(3): 95- 100. (ZHAO Bingjie，ZHU Hongwu，TANG Deyu, et al. The clamp repair technology of subsea oil and gas pipeline[J]. The Ocean Engineering, 2013, 31(3): 95- 100. (in Chinese) )

[2] MSL Engineering Ltd. Assessment of repair techniques for ageing or damaged structures [R]. Final Project Report, MSL Doc., Ref. C357R001, Rev 1, 2004, 83- 112.

[3] 龚顺风，沈雄伟，李峰，等. 海洋平台的灌浆卡箍技术研究[J]. 海洋工程, 2001, 19(3): 32- 37. (GONG Shunfeng, SHEN Xiongwei, LI Feng, et al. Study on technique of grouted clamp for offshore platforms[J]. The Ocean Engineering, 2001, 19(3): 32- 37. (in Chinese))

[4] 金伟良，宋剑，龚顺风，等. 海洋平台受损构件的承载能力与加固分析[J]. 工程力学, 2003, 20(5): 100- 105. (JIN Weiliang, SONG Jian, GONG Shunfeng, et al. Analysis of bearing capacity and strengthening of damaged members for offshore platform[J]. Engineering Mechanics, 2003, 20(5):100- 105. (in Chinese) )

[5] 马洪新. 南海超百米水深海底油管道泄露修复实例[J].海洋石油, 2010, 30(3):93- 96.(MA Hongxin. Deep sea pipeline repair practice in the South China Sea[J]. Offshore Oil, 2010, 30(3):93- 96. (in Chinese) )

[6] 杨彬, 石湘, 李华军. 膨胀式自应力灌浆卡箍的压力测定方法[J]. 海洋工程, 2010, 28(3): 80- 85. (YANG Bin, SHI Xiang, LI Huajun. The method of pressure measurement for expansive stressed grouted clamp[J]. The Ocean Engineering, 2010, 28(3): 80- 85. (in Chinese) )

[7] 石湘，展旭和，杨彬. 膨胀式自应力灌浆卡箍滑动承载力试验研究[J]．海洋工程, 2011，29(2): 77- 82. (SHI Xiang, ZHAN Xuhe, YANG Bin. Tests on slip capacity for expansive stressed grouted clamp[J]. The Ocean Engineering, 2011，29(2): 77- 82. (in Chinese) )

[8] 石湘，杨彬，展旭和，等. 膨胀式自应力灌浆卡箍长期滑动承载力测试[J]. 海洋工程, 2013, 31(1): 79- 83. (SHI Xiang, YANG Bin, ZHAN Xuhe, et al. Detection of the long- term slip capacity for expansive stressed grouted clamp[J]. The Ocean Engineering, 2013, 31(1): 79- 83. (in Chinese) )

[9] YUAN Zhen, SHU Yang, SHI Xiang, et al. Measuring the performance of a new type of expansive stressed grouted clamp[C] //Proceedings of the 23rd International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE. 2013: 645- 650.

[10] GRUNDY P, KIU J F E. Prestress enhancement of grouted pile/sleeve connections[C] //Proceedings of the First International Offshore and Polar Engineering Conference, ISOPE. 1991: 130- 136.

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

山东省科技发展计划资助项目(2012GHY11523)；中国海洋石油总公司科技资助项目(CNOOC- KJ 125 ZDXM 05 GC 00GC 2014- 02)

石 湘(1968- )，男，山东青岛人，副教授，博士，从事海洋工程方面的研究。E- mail: shixiang@ouc.edu.cn