硕士论文-短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能与设计方法研究.doc

短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能与设计方法研究 学位论文答辩日期： 2014.05.28 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独 创 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 （注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日-学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名： 导师签字：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能与设计方法研究摘 要在采用传统长螺栓结构的膨胀式自应力灌浆卡箍研究基础上，针对其结构复杂、装配过程繁琐等问题，并且从膨胀式自应力灌浆卡箍的自应力产生机理角度出发提出了结构形式更为优化的短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍并做了以下研究工作：第一，对短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的承载性能进行了试验研究。通过物模试验得到了短螺栓型卡箍的膨胀压力和滑动应力，然后将两者分别与同尺寸的采用传统结构的卡箍进行对比分析。从卡箍结构承载性能的两大判断标准膨胀压力和滑动承载力来看，短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍相比采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍而言性能更优。 第二，测试了不同长细比下短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的滑动应力并且分析了长细比与滑动应力之间的关系。试验中，选取了1.02、1.30、1.67和3.33的长细比进行滑动应力测试。根据测试结果，长细比在1.021.67的区间内，滑动应力变化非常小，可以认为此范围内滑动应力基本不变。该研究对实际工程应用中不同长细比的卡箍设计中许用滑动应力的选择具有一定指导意义。第三，针对短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计方法进行了归纳，对各基本尺寸的决定因素与限制条件进行了总结。整理出一套较为实用的的短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计方法。本设计方法依据防滑、防碾碎以及强度校核为三大核心准则，加之以模型试验数据作为参考，并结合以往设计经验共同综合得出，为以后的短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍真正应用于工程，进行实际的结构设计打下了一个良好的基础。本文通过对短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的试验研究表明，从膨胀压力和滑动承载力来看，短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍相比采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍而言性能更优，更适合作为海工结构物的修复加固结构。另外，对短螺栓型卡箍设计方法的研究为膨胀式自应力灌浆卡箍的工程应用奠定了坚实的基础。关键词：水下修复加固；膨胀式自应力灌浆卡箍；短螺栓结构；模型试验；设计方法 the capacity properties and design method of short-bolts expansive stressed grouted clampabstract clamp using traditional structure with long bolts has the drawbacks of complicated steel structure and cumbersome assembly process. based on previous research of clamps using traditional long bolts structure, this paper introduces a short-bolts expansive stressed grouted clamp considering the different mechanism of self-stress formation between traditional stressed grouted clamp and expansive stressed grouted clamp. and the following research works are carried out:firstly, a research on the capacity properties of short-bolts expansive stressed grouted clamp is carried out. by model experiments, expansive pressure and slip stress of short-bolts expansive stressed grouted clamp are obtained. then they are compared with the data got from previous model experiments for traditional structure clamp of the same size. judging from the two clamp capacity properties of expansive pressure and slip capacity, the short-bolts clamp has a better performance than the clamp with traditional structure, thus it is more suitable for offshore construction repair and structure reinforcement.secondly, the slip stress of short-bolts expansive stressed grouted clamp is tested under different slenderness ratios and the relationship between slip stress and slenderness ratios is studied. in the experiment, slenderness ratios were chosen as 1.02, 1.30, 1.67 and 3.33 for the slip stress test. according to the test results, the slip stress changes are very small and can be considered substantially constant within the slenderness ratio range of 1.021.67. but, the slip stress reduces obviously when the slenderness ratios increases to 3.33. the result has certain guiding significance for connecting length design of clamps in practical engineering application.thirdly, the design method of the short-bolts expansive stressed grouted clamp is summarized and determining factors for each basic size are listed. a set of practical design procedure is sorted out for the short-bolts clamp structure. the core principles of the design method are based on the checks on slip capacity, member crushing and structural strength, associated with the experiment data and previous design experience as reference. it established a good foundation for such clamp repair technique in practical engineering application. based on the experimental results of short-bolts clamp, it has a better performance than clamp with traditional structure both in expansive pressure and slip stress, and is more suitable for offshore repair and reinforcement. in addition, the study of short-bolts clamp design method has laid a solid foundation for the engineering applications of expansive stressed grouted clamp. key word: underwater repair and strengthening; expansive stressed grouted clamp; short-bolts structure; model test; design method目 录1 绪论11.1 研究海洋平台修复加固技术的意义11.2 膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状与面临的问题21.2.1膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状21.2.2采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍61.3 短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的研究意义81.4 本文的内容及论文结构91.4.1本文研究的内容91.4.2论文结构102 自应力灌浆卡箍技术介绍122.1 传统自应力灌浆卡箍技术简介122.1.1卡箍结构简介122.1.2 典型卡箍类型介绍132.2传统自应力灌浆卡箍的设计方法192.2.1传统自应力灌浆卡箍的设计原则与流程192.2.2传统自应力灌浆卡箍的检验校核222.3短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍介绍252.3.1短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的产生背景252.3.2短螺栓型卡箍与采用传统结构的卡箍结构对比252.3.3短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的优点253 短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的承载性能试验研究273.1短螺栓型卡箍物模试验介绍273.1.1 短螺栓型卡箍试件的结构设计273.1.2 短螺栓型卡箍试件的灌浆成分及配比283.1.3 短螺栓型卡箍试件的的养护293.1.4 短螺栓型卡箍的滑动承载力与膨胀压力的测试303.2短螺栓型卡箍的膨胀压力数据分析333.2.1 膨胀压力的计算原理333.2.2 卡箍的应变数据监测333.2.3 卡箍的膨胀压力数据分析353.3短螺栓型卡箍试件的滑动承载力数据分析393.3.1 滑动应力的计算原理393.3.2 滑动承载力试验数据总结393.3.3 滑动承载力试验数据分析403.4本章结论424 短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计方法研究434.1短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计原则434.2短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计流程444.2.1 设计初始条件的确定444.2.2 短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计依据444.2.3 短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计校核454.3短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍设计算例464.3.1 设计初始条件的确定464.3.2 卡箍基本尺寸的确定474.3.3 卡箍连接长度的确定474.3.4 螺栓的确定484.3.4 材料的选取484.3.5 卡箍的防滑与防碾碎校核494.3.6基于有限元的结构强度校核504.4本章总结545 总结与展望565.1总结565.2创新点575.3展望57参考文献58致谢61个人简历62学术论文及专利62短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍承载性能与设计方法研究1 绪论1.1 研究海洋平台修复加固技术的意义海洋工程项目所包含的面是十分广的，从储藏探测、钻井、开采、收集储运等等需要的大型设备涵盖油气钻井装备、油气储存设备、作业海洋平台设备、油气储运的管道铺设以及大型船舶以及完成各阶段作业所需的工程辅助船舶。其中钻探和开采过程中海洋平台的服役期最长，作为一个生产作业基地，从油田勘测到钻井到采集储运都离不开它的支持，另外平台上往往还有生活区，因此它的安全保障显得尤为重要。海洋平台作为海洋石油开发过程中的关键大型装备，保证其在服役期间的安全性是非常重要的。如果平台结构的局部损伤造成了平台结构的完整性以及局部构件的承载能力出现问题，将无法保证海洋平台的生产作业安全。另外，快到设计寿命的平台周围如果又发现新的石油储量，常常是在服务工作平台的需要，在服务平台安全这些也应该得到相应的安全1。海洋平台的结构十分复杂、体积非常庞大、造价亦十分昂贵，特别是与陆地的采油设备相比，它所处的海洋环境对平台的安全构成严重威胁。在海上，台风、海流、海浪、潮汐和海冰甚至还有海底地震。与此同时，由于海生物附着、环境腐蚀、地基冲刷和基础软化、构件疲劳等因素都将导致海洋平台的局部构件强度和整体抗力逐渐衰减，进而影响到平台结构在服役期间的安全性和耐久性。海洋平台一旦发生事故，不仅会对海洋生态环境造成极大的污染，还会带来不可估量的人员伤亡与直接经济损失，同时会造成非常不好的社会影响2。有很多海洋平台的事故实例值得我们深思，比如说在1980年3月27日，位于北海ekofisk油田的“alexander l.kiellan”号五腿半潜式钻井平台在风浪中由于支座先前发生的疲劳裂纹发生扩展，导致五根撑杆锚索相继失效，最后平台失稳倾覆，此事故造成了123死亡；国内也有类似的海洋平台事故，例如1969年“渤海二号”导管架平台在海冰作用下倾覆，事故共造成经济损失2000多万；2000年和2002年位于东海的平湖油气田的海底油气管线在海流冲刷下发生折断，造成了巨大的经济损失；还有2002年8月，文昌13-1导管架平台在海上安装的时候与作业的铺管船发生撞击，导致导管架平台发生损伤，一时未能及时修复，导致安装预计投产日期推迟4个多月，造成经济损失数百万元3。从90年代开始海洋油气资源在我国开始大规模开发，迄今已经建立了200多座海洋钻采平台，其中有许多现役平台将陆续达到或者接近设计寿命（海洋平台的设计寿命一般为15至20年），今后5-10年国内将有大量的平台进入老龄服役期。再加上全球灾害气候日趋频繁，一旦在我国沿海出现某种大的自然灾害，必然造成海洋平台和海底管线大量的结构维修加固需求，因此研究海洋平台修复加固技术就显得尤为重要。从国内市场看，由于水下安装方面的技术壁垒，国内的海洋工程公司并没有掌握一套相对成熟的水下修复加固技术（如自应力灌浆卡箍修复加固技术），市场基本被一些国外的公司比如英国的iev (innovative engineering ventures) group公司所垄断，如果能够成功研制出这种膨胀式自应力灌浆卡箍并工程应用，必将打破国外公司对这一技术的市场垄断。1.2 膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状与面临的问题1.2.1膨胀式自应力灌浆卡箍的研究现状在过去的30年中，美国、挪威、日本、英国和澳大利亚等国家都系统的开展过对卡箍技术或者灌浆套管技术的试验研究，并且许多研究结果已经经历过不少实际工程应用的检验4。因为海洋平台损伤一般在水下，并且损伤结构往往带有结构变形，杂物附着，因此对于尺寸精确测量非常不利，而灌浆卡箍因为允许制造误差并且水下安装修复后可提供的承载能力较高，因此在技术相对比较成熟的国外得到了较为广泛的工程应用。根据查阅的相关资料表明卡箍修复系统在国外实际工程中至少已经装配了1000套5。shuttleworth f.p.和 billington c.j.等人针对传统的灌浆卡箍进行了研究技术总结，并且进行了大量的模型试验。他们通过相关的静力加载试验，以及灌浆卡箍的疲劳损伤监测试验得出了灌浆卡箍的承载能力技术报告，并且报告被国家的相关认证机构采用。依据他们的研究结果，目前已经应用在北海相对较为恶劣的海况下的灌浆卡箍修复技术正在服役期中并且加固效果良好，该应用也是灌浆卡箍修复技术的长期承载性能的进一步验证6。对于在灌浆水泥中掺加膨胀剂的想法，英国imperial college的elnashai, a.s.和carroll, b.进行过相关的试验研究。他们在水泥浆中掺加了氧化钙类的膨胀剂，试验数据表明，通过膨胀剂获得的自应力测点达到了7.3mpa，而整个卡箍连接的滑动应力能够达到6.1mpa。在他们进行的试验中，灌浆水泥在环状缝隙两端也被密封约束，因此水泥为三向受压状态。另外，他们也对大比尺的灌浆卡箍模型进行了掺加膨胀剂的灌浆试验7,8。kaw asaki 钢铁公司、yamasaki 等也做过灌浆卡箍的膨胀剂掺加试验,不同的是所配置膨胀灌浆水泥浆中的膨胀剂源是硫铝酸钙类23。grundy p和kiu j等人应用掺加膨胀剂的灌浆卡箍连接进行了相关试验测试，测试中膨胀式灌浆卡箍连接形式的滑动应力能够达到8mpa，并且膨胀式灌浆卡箍具有良好的连接承载性能以及抗疲劳性能 9。但是由于膨胀水泥浆相比普通水泥浆化学成分较为复杂，没有相关试验表明膨胀水泥浆具有良好的长期承载性能，因此膨胀式自应力灌浆卡箍在海上的实际应用就因质疑而受到了阻止5。澳大利亚mo nash 大学的学者foo.j从数值模拟和物模试验两方面对使用膨胀水泥的套管连接性能进行了相关研究。最终得到的研究结论为：膨胀式灌浆水泥卡箍连接结构能够提供较大的轴向抗拉性能和耐疲劳性能，一般的卡箍结构破坏形式为固化灌浆与修复管件脱开。它的数值模拟主要是得到了灌浆环与受损管件接触面的剪力分布10。另外, 同为mo nash 大学的赵晓林等主要是研究了膨胀式自应力灌浆卡箍的在火灾情况和极端天气状态下的承载性能。研究结果表明，由于钢结构与水泥浆对火灾的反应不同步，因此极易造成两者脱离，失去承载性能。基于有限元计算的极端天气下的承载性能研究表明，对于节点卡箍修复的承载性能影响较小11。grundy paul 和 yee-teck lee等人对预应力灌浆套管进行了大幅值动力荷载的承载性能研究，其采用的试件为内含剪力键结构的卡箍，如图1-1所示。试验中膨胀剂为澳大利亚产csa类型，结果表明灌浆卡箍对大幅值动力荷载的反映良好，未产生脱离的情况，连接性能能够得到保证。从试验结果可知，掺加该类型的膨胀灌浆套管对于多震区域的结构修复有较好的应用前景12。图1-1 海洋平台及风机中的灌浆套筒连接国内对传统的灌浆卡箍技术进行了一些研究和探索，其中863计划“海洋平台结构损伤探测与修复加固优化关键技术研发”对自应力灌浆卡箍进行了一些试验研究并取得了很好的经验。但总体来讲由于技术门槛较高国内企业对自应力灌浆卡箍技术基本没有掌握，工程应用实例很少，仅有中海油海洋工程总公司对“渤海八号”平台的受损杆件做过非自应力灌浆卡箍的维修加固工作。金伟良等对这次工程实例在理论层面进行了分析，对照海上固定平台设计规划规范apirp2a提供的设计值进行对比分析，结果表明这个加固方案是安全的，也表明他们的对海洋平台受损构件的承载性能与修复加固的理论分析方法是具有可行性的13。2000年，龚顺风等人进行了海上导管架平台的损伤分析，提出了各种常用修复方法，期间总结了节点灌浆以及卡箍修复的方法及应用14。2003年，金伟良、龚顺风等学者采用了有限元数值模拟和进行弹塑性理论解析方法，对因为受到某船舶的撞击而发生凹陷的一个撑杆进行了剩余强度的分析并且设计了一套利用灌浆卡箍进行加固的修复方案。对该修复方案从进行了理论分析，从轴向抗力和抗弯性能两方面进行了分析。并且通过有限元软件ansys进行了强度校核，其中灌浆水泥使用von mises 破坏准则。最终得到灌浆卡箍的轴向抗拉、抗压承载能力要比原钢管强，但其抗弯承载能力不如原钢管的结论15。2008 年台风“风神”过后,惠州19-2管线恢复生产前进行管线试压, 发现hz19-2至fpso(浮式储油轮) 管线压力偏低,通过采取rov观察与声学检测设备相结合的调查方式来确定了惠州19-2/3两条管道的5处漏点。其中一个漏点情况特殊，需要更换部分整管，其中用到了rov本体液压源控制封堵卡具（如图1-2所示）来固定欲更换管段端部16。图1-2 封堵卡具2010-2012年，考虑到传统自应力灌浆卡箍存着的工程应用耗费高等缺点，石湘、杨彬等人提出了膨胀式自应力灌浆卡箍的新型自应力卡箍形式17。为了研究这种灌浆卡箍的承载性能，进行了大量的物理模型试验。物理模型试验分别从灌浆卡箍的膨胀压力测量和滑动应力测量两个方面进行，形成并设计了两者的测试方法，膨胀压力通过动态应变仪对灌浆卡箍的水泥固化过程进行内管测点的全程应变监测获得，滑动应力通过对养护完成的卡箍试件进行拉伸试验获得。石湘、展旭和等通过对不同膨胀剂类型的研究18，从试验所测的fea100、scs-3和uea-h三种膨胀剂中得到了fea膨胀剂更适合膨胀式自应力灌浆卡箍使用并且能够满足多数情况下的水下损伤加固卡箍需求的结论。紧接着，又进行了使用fea膨胀剂的灌浆卡箍的长期（1年）试验研究验证19，结果表明：与28天养护短期试件相比，一年养护长期试件的膨胀压力和滑动应力并没有下降，反而有所提高，膨胀压力的平均增长率为35.8%，滑动应力的平均增长率为35.9%。经分析，这种提高主要是由于膨胀剂中的氧化钙成分对灌浆长期密实性的提高以及卡箍结构对灌浆膨胀的良好限制作用而产生的。因此可以说明fea膨胀剂的灌浆卡箍具有非常好的稳定性和承载性能耐久性。2013年，石湘、程阳等对于新型csa膨胀剂进行了一系列的膨胀式自应力灌浆卡箍的模型试验研究20，对比得出该膨胀剂相比fea膨胀剂能够提供更高的膨胀压力和更好的滑动承载性能，因此更加适合海工平台的卡箍修复加固。考虑到灌浆卡箍的密封性对膨胀压力的建立至关重要，其针对灌浆卡箍的轴向密封进行了研究21，在轴向密封处增加一块挡板，但由于安装工艺问题，虽然对灌浆卡箍的承载性能有所提高但效果不是非常明显。同济大学的赵媛媛、蒋首超等学者通过对灌浆套管连接在往复荷载下的试验发现, 该连接用于支撑时可以发挥良好的抗震耗能能力22,23。另外，蒋首超、王震等人对预应力灌浆套管的结构性能进行了相关研究,在静力荷载、复合静力荷载和动力荷载下对灌浆套管进行性能分析24，结果表明预应力灌浆套管的连接方式是一种可以比拟焊接以及栓接的新型连接方式,如图1-3所示。这种连接方式承载性能稳定，施工装配便利并且造价耗费低，可以应用于陆上或者水下的管型损坏构件的修复加固。图1-3 导管架平台和灌浆套管连接图1.2.2采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍虽然国内外对卡箍修复技术的研究已经不少，卡箍修复技术也经历了从自应力机械式卡箍到非自应力灌浆卡箍再到自应力灌浆卡箍再到目前的膨胀式自应力灌浆卡箍的大致技术发展。但是，目前所研究的膨胀式自应力灌浆卡箍所使用的结构仍然是参照灌浆卡箍的长螺栓卡箍结构，并没有将灌浆的膨胀性与卡箍承载力建立机理不同考虑在内重新设计卡箍结构，因此就导致了采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍（如图1-4、1-5所示）存在如下诸多问题：（1） 对开口处的密封性较差；由于上下卡箍鞍板在对开口处接触面为以鞍板的厚度为宽、卡箍连接长度为长的细长长方形截面，因此密封的处理较难。（2） 长螺栓在水泥浆固化膨胀过程中的螺杆变形较大导致膨胀压力的损失；（3） 因为法兰板、侧板和加强筋板等的存在使得鞍板支撑刚度不均匀，因此不利于均匀膨胀压力的建立，对卡箍的滑动承载力会产生不利影响。图1-4 传统卡箍结构的组成部分示意图图1-5 采用传统结构的卡箍试件与短螺栓型卡箍试件对比图1.3 短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的研究意义自应力灌浆卡箍的滑动承载力由灌浆环与受损管件界面间的化学粘结力及摩擦力两部分组成，其中摩擦力与界面上的自应力（压力）成正比关系。我们研制的膨胀式自应力灌浆卡箍与国外成熟卡箍产品的差异主要在于自应力的形成机理不同。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。其机理与国外卡箍通过拧紧长螺栓在灌浆与受损管件界面产生自应力的方式完全不同。1、短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍亦有膨胀式自应力灌浆卡箍的优点，即水下安装的时间少，只需结构水下装配时拧紧螺栓，而不需等到灌浆达到一定强度后再次拧紧螺栓来产生自应力，施工时间较传统自应力灌浆卡箍至少减少30%。2、膨胀式自应力灌浆卡箍与传统自应力灌浆卡箍的自应力产生机理不同，可以不采用传统的长螺栓结构而采用短螺栓结构，使得卡箍钢结构大幅简化，重量减轻。因此，短螺栓型卡箍的结构制造相对简单、加工费用低，再就是这种卡箍水下安装相对简单、水下施工的时间短，潜水员、工程船的费用也低一些。3、密封性对卡箍结构的承载性能提高至关重要。短螺栓结构在卡箍对开口处的轴向密封结构比长螺栓结构更加合理，长螺栓结构在安装的时候经常会在对开口处密封出问题导致漏浆而不得不重新装配。我们多次陆上试验也证明短螺栓结构的轴向密封性较好，极少出现漏浆问题，另外试验过程中的卡箍装配也比长螺栓结构简单。4、在海洋结构物的各种修复加固技术中卡箍修复是一个常用的选择。尤其当需修复加固的结构物的水下部位时，卡箍技术是最常用的修复方法之一。但我国目前还未掌握这种修复加固技术，因此迫切需要对卡箍修复加固技术进行研究以突破国外技术封锁。本文所研究的短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍为在传统卡箍结构形式的基础上进行进一步研究，其对加速卡箍修复的实际工程应用进程具有重要的意义。1.4 本文的内容及论文结构1.4.1本文研究的内容本文主要是对短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的承载性能与其设计方法的研究。首先介绍了短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍与采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍的结构区别与优势。然后对短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的性能进行试验探究，并得到同等膨胀剂配比情况下短螺栓膨胀式自应力灌浆卡箍的承载性能优于采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍。然后，在试验数据的基础上结合传统结构形式的卡箍的设计经验与相关规范总结出了一套适用于短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计方法。对短螺栓型卡箍的承载性能试验研究主要是将其膨胀压力和滑动承载力与采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍进行对比同时对于不同长细比的短螺栓型卡箍也进行了滑动承载性能的分析。综上，本文主要是进行了如下的研究内容：1、短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的承载力试验性能研究通过应用在传统型卡箍试验中使用的石家庄市功能建材有限公司fea100混凝土膨胀剂进行试验。试验主要侧重研究以下四个方面： 1）在相同的长细比下，不同的膨胀剂掺量与卡箍测得的滑动应力之间的关系； 2）在相同的长细比下，对采用传统结构的卡箍和短螺栓型卡箍进行不同膨胀剂掺量下的膨胀压力对比分析； 3）在相同的长细比下，对采用传统结构的卡箍和短螺栓型卡箍进行不同膨胀剂掺量下的滑动应力对比分析； 4）不同的长细比对短螺栓型灌浆卡箍的滑动应力的影响。2、短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计方法研究考虑到膨胀式自应力灌浆卡箍与自应力灌浆卡箍的作用机理差异对卡箍的结构进行了较大的设计改变。由于结构的改变，从而原先的设计方法不再适用，因此就需要总结出一套短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计方法。设计的基本流程为：已知内管尺寸确定灌浆环厚度确定鞍板厚度螺栓选定以及法兰板螺栓布置依据有限元试算，通过等效应力确定鞍板与螺栓钢材质，通过第一、第三主应力确定灌浆成分。1.4.2论文结构本文在前人研究采用传统结构的膨胀式自应力灌浆卡箍的基础上，从膨胀式自应力灌浆卡箍与自应力灌浆卡箍自应力的建立机理存在差异的角度考虑，提出了短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的新卡箍结构形式，并通过物模试验对短螺栓型卡箍的优势进行论证，而且系统的总结了一套短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计方法，论文的具体组织形式如下：第1章，绪论。本章先介绍对海洋平台修复加固技术研究的意义，以及自应力灌浆卡箍的国内外研究现状与卡箍技术所面临的问题。然后指出了解决问题的方法即提出了短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的新型结构并介绍了其研究的意义。第2章，自应力灌浆卡箍技术介绍。本章首先对传统自应力灌浆卡箍技术简要介绍和其设计原则，然后介绍了膨胀式自应力灌浆卡箍的产生背景与研究现状，最后介绍了短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍这种新型的卡箍结构形式以及它的主要优点。第3章，短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的承载性能试验研究。本章首先介绍了短螺栓型卡箍的物模试验测试项目与流程，主要包括短螺栓型卡箍试件的结构设计与制作、灌浆料的种类选取与灌浆液配比制定和试件的灌浆与养护过程等。然后通过7天应变监测得到卡箍内管的局部应变信息，通过万能实验机拉伸得到短螺栓型卡箍的滑动承载力。最后通过对原始数据进行计算得到短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的膨胀压力和滑动应力数据，继而将其与采用传统结构的膨胀式自应力卡箍的历史试验数据进行对比，从而证明短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的承载性能较先前结构的承载性能确实有相当大程度的提高。第4章，对新提出的短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍结构的设计方法进行了研究总结。本章首先介绍了短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍的设计原则，然后介绍了短螺栓型卡箍的设计流程与设计依据。接着通过一个实际的短螺栓型卡箍的设计算例对本章总结的设计方法进行了一遍系统的设计流程演示，对其中的细节问题给予实际处理。最后通过对所设计的卡箍结构的校核来验证本设计方法所设计得到的卡箍是符合初始条件要求的。2 自应力灌浆卡箍技术介绍2.1 传统自应力灌浆卡箍技术简介2.1.1卡箍结构简介当海洋平台的结构损伤发生在水下时，使用湿式焊接来处理既危险又难以实施，而灌浆卡箍却能够克服这些难点，因此它是用做一种海洋平台损伤部位进行修复或者强度弱化部位进行加固常用的方法之一。卡箍是一种包裹起受损部位的外包结构，通常是两瓣或多瓣的并且用螺栓等将各部分连接起来，对受损部件形成严密的束缚，然后依靠外包结构与受损的部件之间的摩擦或者是通过剪力键14传递外部荷载以起到修复加固的目的。如下图2-1介绍了卡箍结构最常见的两种主要结构形式，一种是采用的连续法兰板，该结构主要是修复尺寸较小的受损构件，另一种是采用不连续的法兰板，该结构主要适用于修复尺寸较大的受损结构。在这种卡箍结构中，双头螺栓的预应力通过由法兰板、侧板、加强筋板和顶板共同提供的刚性平台传递到卡箍的鞍板上，然后再通过鞍板对受损构件的接触将荷载传递到受损构件25,26。根据卡箍螺栓的功能和产生的效果、卡箍与受损构件之间夹层不同把卡箍主要分为自应力机械卡箍、自应力灌浆卡箍、非自应力灌浆卡箍/套筒连接及自应力灌弹性体卡箍这四种形式15。图2-1 卡箍的基本结构2.1.2 典型卡箍类型介绍1、 自应力机械卡箍自应力机械卡箍是通过利用双头螺栓将两个或者更多的加强鞍板紧密的结合在管段上。这种机械连接的承载力主要是依靠相接触的管段与鞍板之间的摩擦力来提供，而摩擦力的大小主要取决于双头螺栓的张紧程度。因此机械卡箍的连接承载力取决于接触面的粗糙程度以及双头螺栓的张紧程度。机械卡箍的鞍板对钢材的强度要求较高，要能够保证双头螺栓的载荷在鞍板本身不被破坏的情况下传递到受损构件。如图2-2展示的是一个典型的自应力机械卡箍的横截面示意图以及各部件的名称介绍。由于双头螺栓较长，因此在结构设计时使用球形垫圈来防止双头螺栓上弯曲荷载的产生。自应力机械卡箍的主要用途有两个，一个是连接新单元，另一个是加固目前已有的完整单元。图2-3展示了几个这种应用的例子，由于机械卡箍对尺寸变化的可容许度比较低，因此机械卡箍不宜使用在现有的节点周围。图2-2 典型的自应力机械卡箍a 两个单元之间的连接b 一个新支撑的添加图2-3 自应力机械卡箍的一些应用2、 自应力灌弹性体卡箍自应力灌弹性体卡箍与自应力机械卡箍的结构基本一致，唯一不同的是其将弹性体衬里粘结在了卡箍鞍形板的内侧，见图2-4。衬里的成分一般是由固体尼奥普林(也即聚氯丁烯薄片)制成。弹性体衬里鞍板和受损管段表面的径向压缩应力来自于外部螺栓的预紧荷载，也就是卡箍的强度建立是来自于外部的螺栓荷载。与机械卡箍类似，灌弹性体卡箍的连接强度亦取决于径向压力的大小和衬里界面的摩擦系数。相比机械卡箍，由于弹性体衬里的存在使得该种卡箍能够接受一定程度的平移与角度公差，因此它的避免了需要对受损构件精确度量来确定卡箍尺寸。但是由于弹性衬里的柔性特点势必会降低修复效果，因此自应力弹性体卡箍也就一直没有被用来作为主要的卡箍修复手段。因此，弹性体卡箍适合于受损构件对连接强度要求不高的情况，一般主要承受载荷的部件损伤不会用该种类型的卡箍进行修复。作为附属设备的短柱连接物导向结构和密封孔沉箱是使用自应力灌弹性体卡箍比较典型的例子。图2-4典型的自应力灌弹性体卡箍3、 非自应力灌浆卡箍/套筒连接非自应力灌浆卡箍以及套筒连接，这些套筒被放置在管单元或节点处环绕一周，然后在管单元与套筒间的空隙中灌满水泥浆。套筒一般既可以是拼合的也可以是连续的，例如非自应力灌浆卡箍就是拼合的，桩/套筒连接就是连续的。一般用短螺栓来连接分离的套筒，并且螺栓一般在灌浆之前就已经被拧紧。当灌浆在空隙中凝固之后并没有形成灌浆环与内管表面的预应力，因此这种连接是非自应力的。在图2-5和2-6中展示了一个典型的非自应力灌浆卡箍和一个典型的连接套筒的结构示意图。图2-5 典型的非自应力灌浆卡箍图2-6 典型的非自应力灌浆套筒的连接非自应力灌浆卡箍的承载能力一般由两部分提供，一部分是由灌浆水泥环与受损内管外表面的固化粘结力，另一部分是固化的水泥环通过特定装置与内管实现互锁来提供。为了提供足够的载荷传递能力，通常会增加卡箍的连接长度，这样才能保证卡箍修复加固的效果。剪力键是一种提高卡箍的荷载传递性能的装置，它通常被焊接在受损的管件表面来发挥功效13。对于新构件来说，在海上安装施工之前就焊接上剪力键是比较容易实现的，但是当构件位于水下特别是深水的时候，通过水下焊接技术来增加剪力键费用太高并且比较困难。非自应力灌浆卡箍以及套筒连接是一种可以实现节点和构件的加固修复的方法并且这种修复技术在施工时不像机械卡箍那样需要精确的进行海上测量，它能接受较大的位移公差和转角。正如图2-7展示所，非自应力灌浆卡箍一般用于以下几个方面：(1) 修复和加固由于静载荷和疲劳载荷影响而出现损伤的现有管节点；(2) 将一个新构件方便地添加到已有结构上。连接套筒可以应用到如图2-8所示的以下几个方面：(1) 依据提供长度和作出适当的调整，连接套筒可以更容易地将一个新单元添加到已有结构上。一般有以下两种方式：一是可缩进的套筒，它可从新结构单元的一段滑动到另一段（见图2-8a）；二是通过一个嵌套式的连接套筒，将构件作为独立的一部分安装在连接套筒上（见图2-8b）。因为构件和套筒都是新安装结构，所以可以利用剪切键来大大提高连接效果。(2) 为了提高构件的稳定性用以抵抗局部或整体屈曲，可利用一个分离套筒像钢“绷带”一样包裹在强度较弱的构件外面来加固单元（见图2-8c）。(3) 加固或修复遭受一定撞击凹陷、刺穿、局部腐蚀及其他发生损坏的单元（见图2-8d）。(4) 通过构造一个新的节点将一个新单元更加便利且牢固地添加到现有的结构上（见图2-8e）。上面所述的各种应用的中起初的几个应用通常是用连续式套筒来构成，剩下的应用则是使用分离式套筒构成，为了能够更好地适合在现有管单元附近安装。图2-7 非自应力灌浆卡箍的应用图2-8 灌浆套筒连接的应用自应力灌浆卡箍既有自应力机械卡箍所具单位长度的高强度承载的特点，又有非自应力灌浆卡箍允许较大的制作公差的特点。因此，自应力灌浆卡箍较受市场欢迎，因为自应力灌浆卡箍的使用场合几乎是自应力机械卡箍和非自应力灌浆卡箍应用场合的合集。 4、非自应力灌环氧树脂卡箍2011年，roland palmer-jones和gordon paterson等人在近海海底管道的修复技术中首次用环氧树脂代替水泥灌浆，结构如图2-9所示。环氧树脂具有力学性能高、附着能力强、优良的绝缘性、稳定性好等特点，针对扭曲、变形较大的海底管道修复有更好的适用性，而且能在较短的时间内形成承载力。整个卡箍结构比较简单，而且性能比较稳定，减少了突发性海底管道泄漏、破损的维修用时。但这种结构需要特殊的水下环氧树脂灌注装置，水下灌注允许的操作时间很短。图 2-9 非自应力灌环氧树脂卡箍5、自应力灌浆卡箍自应力灌浆卡箍的外包结构是由两块或者多块尺寸较大的加强鞍板利用长双头螺栓连接起来的，如图2-10所示。鞍板与内管不直接接触而是形成一个圆环空腔，然后将水泥浆注入其中。等水泥浆固化之后，再次拧紧双头螺栓，从而使灌浆水泥环与受损杆件接触面上形成径向压力，继而使得卡箍产生相应的连接强度。自应力灌浆卡箍可以看做是自应力机械卡箍和非自应力灌浆卡箍的结合产物。自应力灌浆卡箍的连接强度取决于由灌浆水泥环与受损管件外表面的粘结力与灌浆水泥环/钢界面摩擦力的结合，从本质上来讲是由于灌浆环与受损管单元交界面之间存在径向的压缩应力的结果。图2-10 典型的自应力灌浆卡箍2.2传统自应力灌浆卡箍的设计方法2.2.1传统自应力灌浆卡箍的设计原则与流程本文第四章需要对短螺栓型膨胀式自应力灌浆卡箍进行设计方法的归纳总结，其中虽然与传统的自应力灌浆卡箍的设计方法有不同，但是设计的基本原则是相通的，且有好多环节是以传统自应力灌浆卡箍的设计为参考的，因此本节将介绍一下传统自应力灌浆卡箍的设计原则与基本流程。在传统自应力灌浆卡箍的设计过程中，从受损构件与修复卡箍之间存在荷载的分担原理来进行设计是可能的，但实际中并不推荐使用这一原理来进行修复加固的设计，尤其是当要修复的构件产生了疲劳裂缝类型的损伤，因为随着时间的推移，受损构件很可能随着裂缝的增长而完全丧失承载能力。另外，当自应力灌浆卡箍修复加固了受损构件后，受损构件一般就失去了接受检查进一步损坏的条件，从而对确定之前的损伤是否有进行了延展造成极大不便。基于此，基本的设计原理一般是：原先构件的全部何在均由卡箍承受，假设原受损构件不再承担任何荷载。在卡箍的设计过程中，自应力灌浆卡箍的最小尺寸由以下三个因素决定：(1)卡箍要能够提供足够的滑动应力，这主要取决于双头螺栓的总荷载；(2)双头螺栓应能够提供足够大的荷载来防止卡箍被受损单元撬开；(3)要求双头螺栓何在一定不能导致被卡接单元表面的损坏自应力灌浆卡箍的设计尺寸可能由上面因素的任一条限制，并且为了优化设计结构的几何尺寸通常需要迭代计算得到卡箍的连接长度，迭代的过程如图2-11所示。图2-11所示的为自应力灌浆卡箍的优化