预应力BFRP布加固压力钢管线试验

陈鹏宇 黄 辉 莫 军,2 贾 彬

(1.西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621000；2 中国工程物理研究院 四川绵阳 621900)

表面粘贴纤维增强复合材料布(FRP布)加固技术具有操作简单、施工便捷、加固效率高、加固成本低等突出优点，是实现既有压力钢管线有效加固的可靠途径之一[1-2]。根据加固过程中FRP布初始应力的不同，可分为预应力FRP布加固和非预应力FRP布加固。相较于非预应力FRP布加固，预应力FRP布加固可充分发挥FRP材料强度高的特点，且能有效克服非预应力加固引起的FRP应力滞后现象[3]。围绕预应力FRP布加固技术，国内外相关学者开展了大量的试验及理论研究工作，文献[4]推导了承受内压下缠绕FRP布管线的应力应变计算公式，建立了损伤金属管线加固前后应力变化的理论分析公式。文献[5]建立了FRP布加固内压管线的环向应力计算公式，并进行了有限元研究。文献[6]通过试验研究了外缠绕FRP布对管线承压能力的影响，并基于薄壁容器理论建立了管线处于弹塑性阶段加固的理论设计公式。

综上所述，目前对内压作用下FRP布加固钢管线的环向应力计算公式进行了一定的理论及试验研究，但基本是建立在FRP布与管壁界面环向应力相等的假定上展开的，对FRP布与钢管管壁协同变形的研究较少。本文基于课题组自主研发的FRP布张拉装置[7]，开展了不同工况下的预应力BFRP布加固压力钢管线试验。试验中主要考虑了环氧树脂胶的涂抹位置及FRP布张拉装置的卸除对BFRP布与钢管管壁协同变形的影响规律。研究成果可为预应力BFRP布加固压力钢管线提供技术支持。

1 预应力BFRP布加固压力钢管线的应力分析

钢管线的壁厚远小于其内径，可按照薄壁圆筒理论进行分析，在承受内压荷载的薄壁圆筒中，采用预应力加固钢管线的环向应力计算可分为两个部分，一是计算内压作用下管道的环向应力；二是计算预应力作用下管道的环向应力，将两者应力结果叠加即可得到预应力BFRP布加固压力钢管线中管道的环向应力以及BFRP的张拉应力。

1.1 内压作用下钢管的环向应力

基于薄壁圆筒理论，假定管道环向应力沿着壁厚均匀分布，可将BFRP等效为管道厚度，图1所示为管道环向应力计算模型。

图1 环向应力计算简图Fig.1 Circumferential stress chart

根据图1可以得到管道和BFRP的环向应力分别为：

(1)

(2)

1.2 预应力作用下管道的环向应力

设预应力作用下BFRP的初始应变为ε，则套箍BFRP布的原始半径与管道外半径之差为：

(3)

BFRP与管道之间的界面压力为：

(4)

简化后可得：

(5)

管道的环向应力为：

(6)

BFRP的环向应力为：

(7)

简化后可得：

(8)

由式(1)、式(2)、式(6)、式(8)可得预应力BFRP加固内压管线中管道的环向应力为：

(9)

BFRP的张拉应力为：

(10)

式(1)-式(10)中，σst,σfrp分别为钢管、纤维环向应力，Te为FRP弹性模量Est与钢管弹性模量Efrp之比；Psu为钢管内压，R为钢管加固后名义半径，r1,r2分别为钢管外、内半径，tst为钢管壁厚，d为腐蚀深度，tfrp为FRP厚度。

2 试验概况

2.1 试件设计

试验设计了3组共12个试件，相应的试验变量、试件编号及试件构造特征见表1。表中环氧树脂胶涂抹位置分为钢管表面和纤维布表面。前者指BFRP布张拉前在待加固钢管表面涂抹环氧树脂胶，后者表示BFRP布张拉完毕后在BFRP布表面涂抹环氧树脂胶。单个试件由长1.5 m、壁厚1.9 mm、外径273 mm的无缝钢管及两端球形封头组成，封头上预留有用于加载的进出水孔，试验试件如图2所示。

图2 试验试件及模型Fig.2 Test specimen and model

试验工况试件编号施加预应力值/N·m环氧树脂胶涂抹位置是否卸除锚固装置ⅠⅠ-180钢管表面否Ⅰ-290钢管表面否Ⅰ-3100钢管表面否Ⅰ-4130钢管表面否ⅡⅡ-180纤维布表面否Ⅱ-290纤维布表面否Ⅱ-3100纤维布表面否Ⅱ-4130纤维布表面否ⅢⅢ-180纤维布表面卸除Ⅲ-290纤维布表面卸除Ⅲ-3100纤维布表面卸除Ⅲ-4130纤维布表面卸除

2.2 材料属性

试件所用钢管等级为Q235B，参考《输送流体用无缝钢管》[8]规格参数并选取试件材料进行材性试验得到材料性能参数如表2所示。试验所用的BFRP布由四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司生产，厚为0.111 mm，根据国家标准GB/T 3354——1999《定向纤维增强塑料拉伸性能实验方法》[9]制作试样，得到材料性能参数如表2所示。试验用环氧树脂胶选取四川承华胶业有限公司生产的CH-1A浸渍胶，由A，B组分2∶1配置而成，性能参数如表2所示。

表2 试验材料力学性能参数Table 2 Test material parameter

2.3 测点布置及加载方式

沿试件环向四分点处设置3个测点，每个测点粘贴5片平行布置的应变片，相邻间距为40 mm，钢管表面测点为1-A，纤维布包裹的钢管表面测点为1-B,1-C。纤维布表面测点为1-D,1-E，各试件测点布置如图3所示。

试验选用泰州四通机具厂生产的DSB-6.3型电动试压泵施加内压，该设备量程0～6 MPa，精度为0.1 MPa。加载方式为分级加载，每级荷载增量为0.2 MPa，试验荷载最大值为4.2 MPa。荷载增加到相应等级后持荷2 min，待压力表的读数稳定后采集各测点的应变值。

图3 应变片布置Fig.3 Strain gauge arrangement

3 试验结果

3.1 环氧树脂胶涂抹位置的变化对BFRP布与钢管协同变形的影响

图4-图7为不同初始预应力状态下加固区钢管环向应变和BFRP布应变随内压增加的变化情况。从图中可以看出，在钢管达到屈服应变前曲线基本重合，钢管与BFRP布两者协同变形；随着管壁受拉屈服，钢材的应变增长较BFRP布快，两者出现了明显的分离。上述试验现象表明：在弹性受力阶段，环氧树脂胶涂抹位置的变化对压力钢管线径向应变的影响不明显，随着试件进入塑性变形阶段而趋于显著。

根据试验结果，工况I试件在屈服应变下的内压荷载值分别为3.92,4.0，4.13，6.96 MPa，工况II试件屈服应变对应内压荷载值分别为3.83，3.98，4.0，6.6 MPa。两工况下钢管屈服内压相对差值在0.5%～5.2%之间，且与理论计算值相差小于2.6%。当初始预应力小于100 N·m时，环氧树脂胶涂抹在钢管表面时钢管的环向应变与纤维拉伸应变基本一致，采用环氧树脂胶涂抹在钢管表面的处理方式，可确保钢材屈服后BFRP布与钢管协同变形，预应力加固质量相对较优良。

图4 80 N·m预应力下试件应变与内压关系Fig.4 Internal pressure-strain curve under 80 N·m prestress

图5 90 N·m预应力下试件应变与内压关系Fig.5 Internal pressure-strain curve under 90 N·m prestress

图6 100 N·m预应力下试件应变与内压关系Fig.6 Internal pressure-strain curve under 100 N·m prestress

图7 130 N·m预应力下试件应变与内压关系Fig.7 Internal pressure-strain curve under 1 300 N·m prestress

3.2 FRP布张拉装置的拆卸对BFRP与钢管协同变形的影响

图8-图11为不同初始预应力状态下卸除FRP张拉装置前后加固区钢管环向应变和BFRP布应变随内压增加的变化情况。从图中可以看出，初始预应力水平对加固区钢管环向应变及纤维应变影响比较明显，在相同内压荷载情况下，初始预应力值越大，钢管应力越小，BFRP纤维承担的应力越大，加固效果越明显。

从图中还可以发现，当初始预应力小于100 N·m时，卸除FRP张拉锚具前后受压区钢管环向应变曲线基本重合，卸除装置后受压区钢管环向应变略大于保留装置时钢管的环向应变，但环向应变提高值小于7%，说明卸除FRP张拉装置产生了部分预应力损失，导致卸除后纤维部分收缩，钢管应变略微增大。根据试验结果拟合曲线计算钢管屈服状态的理论内压值，结果如表3所示。

图8 80 N·m预应力下试件应变与内压关系Fig.8 Internal pressure-strain curve under 80 N·m prestress

图9 90 N·m预应力下试件应变与内压关系Fig.9 Internal pressure-strain curve under 90 N·m prestress

图10 100 N·m预应力下试件应变与内压关系Fig.10 Internal pressure-strain curve under 100 N·m prestress

图11 130 N·m预应力下试件应变与内压关系Fig.11 Internal pressure-strain curve under 130 N·m prestress

预应力值屈服内压值/MPa保留锚具卸载锚具变化幅度80 N·m3.833.781.3%90 N·m3.983.941.0%100 N·m4.03.931.75%130 N·m6.64.5231.5%

参考输油管道工程设计规范[10]可以得出试验试件屈服时内压设计值为3.34 MPa，对比表3结果可以得出，随着BFRP布中初始预应力值的增加，受压区钢管屈服内压提高量分别为14.67%,19.16%,19.76%,97.6%，说明FRP张拉装置能有效施加预应力于试件。当施加的初始预应力增加时，卸除装置对屈服内压的影响幅度有变大的趋势，说明卸除装置后钢管受到的环向约束减小，预应力损失逐渐变大，当初始预应力小于100 N·m时，卸除装置产生的影响幅值小于10%，可以选择卸除FRP张拉装置，实现循环利用。

4 结论

本文针对预应力FRP布补强钢管线施工技术中胶黏剂涂抹位置的变化和卸除FRP布张拉装置对BFRP布与钢管协同变形的影响进行了研究，完成了12个试件在不同预应力水平下的钢管静水压力试验。通过试验结果的对比分析，可以得到如下结论：(1)初始预应力水平对加固区钢管环向应变及纤维应变影响比较明显，在相同内压荷载情况下，初始预应力值越大，钢管应力越小，BFRP纤维承担的应力越大，加固效果越明显。(2)随着BFRP布中初始预应力值的增加，钢管的屈服荷载逐渐提高，其屈服内压提高量为14.67%～97.6%。(3)采用环氧树脂胶涂抹在钢管表面的处理方式，可确保钢材屈服后BFRP布与钢管协同变形，预应力加固质量相对较优良。在弹性受力阶段，环氧树脂胶涂抹位置的变化对压力钢管线环向应变的影响不明显，涂抹在钢管表面时钢管的屈服内压比涂抹在纤维表面时仅提高了0.5%～5.2%。但进入塑性阶段后胶涂抹位置对钢管环向应变的影响便趋于显著。(4)卸除BFRP张拉装置会产生部分预应力损失，且随着初始预应力值的增加，预应力损失逐渐增大。在初始预应力小于100 N·m时，卸除装置产生的影响幅值小于10%，可以选择卸除装置，实现循环利用。

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[8] GB/T 8163—2008，输送流体用无缝钢管[S].北京：中国标准出版社，2008.

[9] GB/T 3354—1999，定向纤维增强塑料拉伸性能实验方法[S].北京：中国标准出版社，1999.

[10] GB 50253—2014，输油管道工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014.