玄武岩纤维布加固钢管研究

张伟超1 李 彪2

(1.中国水电建设集团国际工程有限公司, 北京 100044； 2.中冶建筑研究总院有限公司， 北京 100088)

摘 要：纤维增强复合材料加固钢管是基于复合材料加固混凝土结构和钢结构技术的基础上发展的一项新技术，在分析加固管道应力分布特点的基础上，提出了基于纤维布与钢材等强代换概念的加固量计算式。完成了4个玄武岩纤维布加固带损伤钢管的试验验证。结果表明在其他条件相同的情况下，随着加固量的增加，钢管承受的内压增加。通过粘贴不同层数的玄武岩纤维布，可以有效地加固不同内压力作用下的钢管。提出的加固量计算式可以用于钢管缠绕纤维布加固的设计。

关键词：玄武岩纤维布；加固；钢管

0 前 言

采用纤维复材加固钢结构技术是一种新型加固技术，与加固混凝土技术相比，该方法能够充分发挥复材的高强度，尤其在缠绕加固钢管或者改善钢结构疲劳性能方面具有很高的效率。采用纤维布缠绕加固钢管的方法，由于纤维布对钢管形成了环向约束，一般是对称受力，相应的效果更好，目前已经有许多采用碳纤维布或者玻璃纤维布加固钢管管道的研究成果和工程经验[1-5]，并形成了相应的标准[6-7]。玄武岩纤维是一种新的无机纤维，具有较高的比强度，材料来源广泛，生产效率极高，且无污染，是国家政策支持发展的一种新材料，我国已经有较多的生产厂家开展了玄武岩纤维的生产和产品性能提升研究，目前玄武岩纤维产品的性能有了极大的提高，稳定性也在不断提升，用于工程加固的玄武岩纤维布和其他产品也得到广大业主和工程界的认可。玄武岩纤维布用于钢结构加固，与碳纤维布相比，除了其他的优势外，还具低成本、不会形成电化学腐蚀等特点。结合已有的研究，本文开展了玄武岩纤维布加固钢管的试验研究，并通过试验结果分析验证了标准中的设计方法，可为工程应用和标准完善提供资料。

1 管道加固设计方法

由于压力管道结构可以视为薄壁结构，在内压作用下，产生沿壁厚均匀分布的环向拉应力和轴向拉应力，如图1所示，且一般情况下环向应力远大于轴向应力，因此将环向应力作为加固设计强度控制条件。

a—管道内压力；b—管道应力特点。
图1 内压作用下管道应力分布

参照GB 50253—2003《输油管道工程设计规范》[6]中第5.4条，输油管道管壁厚度计算的方法，进行推导。

首先，将纤维布厚度等效为钢材厚度，由式(1)计算。

Esδ′=Ef,ht

(1)

其中 δ′=

式中:Es为钢材弹性模量；Ef,h为碳纤维布顺纤维方向的弹性模量；由于在修复过程中纤维布是沿管道环向缠绕的，对于单向布和双向布而言，纤维布顺纤维方向和垂直于纤维方向的弹性模量是不同的，这里规定管道环向为纤维布顺纤维方向，管道轴向为纤维布垂直于纤维方向；t为纤维布计算厚度；δ′为纤维布等效为钢材的厚度。

再根据GB 50253—2003中第5.4条中输油管道管壁厚度计算方法，可知设计管厚与设计内应力的关系为：

δ=

(2)

式中:δ为钢管壁厚；P为设计内压力；D为钢管外直径；[σ]为钢管许用应力，其中文献[6]规定[σ]=Kφσs；其中，K为设计系数，考虑了管内输送流体类型以及区域等级的小于1的折减系数，一般取0.72；φ为焊缝系数，按材质类型进行选取；σs为钢材的最低屈服强度。文献[6]将所有国标中压力管道的材质都作出了规定，一般为该材质的名义屈服强度。

压力钢管经纤维布修复后，其缺陷处总壁厚为：

δ′+t=

(3)

式中:δs为管壁最小剩余厚度。

得到加固纤维布计算厚度为：

(4)

按照这个方法可以进行带损伤金属管道在内压下的缠绕加固设计，式(4)用于计算加固所需纤维布的厚度。

2 试验验证

设计一组玄武岩纤维布加固的钢管试件，其中1个无损伤，3个带有确定的损伤深度，在给定设计内压的条件下，按照本文方法计算的加固厚度进行加固，如图2所示。要求在承受相应的压力作用不发生强度破坏。

a—示意；b—缺陷示意。
1—钢管；2—进气孔；3—管壁损伤；4—玄武岩纤维布；5—缺陷；6—管壁。
图2 加固试验示意

实测材性参数和几何参数如下，管材为Q235B低碳钢，外径D=273 mm，壁厚δs=1.92 mm，管道许用应力[σ]=0.72×1.235=169.2 MPa；设计损伤深度为0.2 mm。钢材弹性模量Es=205 GPa，屈服强度σs=240 MPa。玄武岩纤维布顺纤维方向弹性模量Ef,h=95 GPa；实测单层厚度t1=0.180 mm。各试件的参数见表1，其中计算加固厚度按照式(4)求得。

表1 试件参数

编号钢管厚度/mm钢管外径/mm钢管长度/m计算加固厚度/mm损伤深度/mm纤维层数实际纤维布总厚度/mmA1 9227330．0000．000．000B1 9227330 0290 210 180C1 9227330 2920 220 360D1 9227330 4660 230 540

按照上述设计方法确定的加固量选择合适的加固层数(见表1)，按照YB/T 4558—2016《纤维增强复合材料加固修复钢结构技术规程》[7]施工要求进行缠绕加固，养护3 d后进行加压试验，试验结果如表2所示。

表2 试验结果

试件编号设计内压力/MPa试验实际内压力/MPa试验现象A3．03．00未见破坏B2．02 21未见破坏C2 32 34未见破坏D2 42 42未见破坏

实测的内压压力与实际加固厚度的关系见图3。

图3 实测内压与实际加固厚度的关系

从图3可见，在确定的损伤深度情况下，加固厚度随着设计内压的增加而增加。

由表2和图3可见，在确定损伤的情况下，随着加固厚度的增加，设计内压可以提高。

同时，由于纤维布的厚度与计算的厚度有一定的偏差，即实际加固量总是大于计算加固量，使得在超出设计内压的情况下，仍然有较好的加固效果。

试验结果表明本文的设计方法具有可行性，在设计内压和加固量的情况下，试件均未发生破环，达到了加固设计的目的，可以用于指导工程设计。

3 结 论

通过对玄武岩纤维布加固钢管的理论分析与试验验证，可以得到以下的结论：

1)对于钢结构而言，采用等强代换的方法可以进行外缠纤维布加固带损伤钢管的加固设计。

2)外缠绕玄武岩纤维布加固带损伤钢管时，随着设计内压的提高所需加固厚度增加。由于纤维布单层厚度是确定的，比计算所需厚度有增加，由此，加固效果更加显著。

3)按照本文的设计方法，采用弹性模量更高的碳纤维布加固钢管时效率更高，在保证不发生电化学腐蚀的情况下，效果更好。

参考文献

[1] CHAHKAND N A， JUMAAT M Z， SULONG N H R，et al.Experimental and Theoretical Inves Tigation on Torsional Behaviour of CFRP Strengthened Square Hollow Steel Section[J].Thin-Walled Structures，2013，68(7)：135-140.

[2] 贾彬,刘顺丰,张志伟,等. 纤维布加固钢管道的补强效果影响因素分析[J].工业建筑,2015,45(3):179-184

[3] 姚华川，纳菊，黄文佳，等. CFRP加固压力钢管的试验研究和数值模拟分析[J]. 工程抗震与加固改造,2015(5):68-73.

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[5] 贾彬，张志伟， 陈晓强.纤维增强复合材料加固金属管线试验研究与设计分析[J]. 工业建筑,2013,43(7):62-65.

[6] 中国石天然气集团公司.输油管道工程设计规范：GB 50253—2003[S].北京：中国计划出版社，2003.

[7] 中华人民共和国工业和信息化部.纤维增强复合材料加固修复钢结构技术规程：YB/T 4558—2016[S].北京：冶金工业出版社，2017.

ANALYSIS STUDY OF STEEL TUBE REINFORCED WITH BASALT FIBER SHEET

ZHANG Weichao1 LI Biao2

(1.Sinohydro Corporation Limited,Beijing 100044, China; 2.Central Research Institute of Building and Construction Co.Ltd, MCC, Beijing 100088, China)

ABSTRACT：Steel tube reinforced with basalt fiber polymer is a new technique based on the fiber reinforced concrete(FRP)strengthening concrete and steel structure .Through the analysis of stress distribution characteristics of reinforced pipe, the equal strength design formula of basalt fiber sheet reinforcing steel tube was proposed and 4 damaged steel tube reinforced with basalt fiber polymer were verified by tests.The result showed that under the same conditions, the internal pressure of the steel pipe increases with the increase of the reinforcement ,and through bonding the basalt fiber sheet, the steel pipe under different internal pressure could be effectively reinforce. The computational formula of reinforcement proposed in the paper can be applied to the design for steel tube winding fiber sheet.

KEY WORDS：basalt fiber sheet; reinforced; steel pipe

第一作者：张伟超，男，1962年出生，高级工程师。

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