荊門換流站接地極工程玻璃鋼構(gòu)架真型試驗(yàn)

高 湛，吳必華，李 華

（中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市，430071）

0 引言

荊門換流站接地極工程玻璃鋼構(gòu)架是國內(nèi)首次將玻璃鋼復(fù)合材料應(yīng)用于變電構(gòu)架。為了驗(yàn)證玻璃鋼構(gòu)架在各種荷載組合工況下構(gòu)架結(jié)構(gòu)型式和計(jì)算結(jié)果的正確性，檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性，掌握玻璃鋼構(gòu)架的各種受力狀態(tài)及變形影響，于2010年1月15日在中國電力科學(xué)研究院桿塔試驗(yàn)基地進(jìn)行了荊門換流站接地極工程玻璃鋼構(gòu)架真型試驗(yàn)，以確保構(gòu)架的整體強(qiáng)度和剛度滿足規(guī)范和工程要求，達(dá)到安全可靠運(yùn)行的目的。

1 玻璃鋼試驗(yàn)構(gòu)架設(shè)計(jì)條件

荊門換流站接地極址構(gòu)架為單孔門型構(gòu)架，跨度×高度=10 m×15 m，構(gòu)架柱上地線柱高度為5 m。針對玻璃鋼輕質(zhì)高強(qiáng)和節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度不高的特點(diǎn)，構(gòu)架采用“鋼管+玻璃鋼管”混合結(jié)構(gòu)，玻璃鋼管成型工藝采用纏繞成型法[1]，其主要力學(xué)性能指標(biāo)見表1，鋼材為Q235-B。

表1 纏繞成型玻璃鋼管主要力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 The mechanical property parameters of glass fibre reinforced plastic（GFRP）pipe formed by fiber-winding

構(gòu)架柱一邊為人字柱玻璃鋼管結(jié)構(gòu)，一邊為帶端撐人字柱玻璃鋼管結(jié)構(gòu)，人字柱和端撐柱柱底根開為4.5 m，中間不設(shè)置橫撐；構(gòu)架梁和地線柱為玻璃鋼管結(jié)構(gòu)；構(gòu)架梁、柱接頭采用無加勁肋法蘭，法蘭、柱頭節(jié)點(diǎn)和導(dǎo)地線掛線板處為鋼結(jié)構(gòu)；梁和柱之間采用剛性連接，構(gòu)架梁和構(gòu)架柱組成平面框架結(jié)構(gòu)。玻璃鋼管和鋼管采用膠接連接方式，即玻璃鋼管外套鋼法蘭的形式，兩者之間用膠粘劑進(jìn)行膠接，并在鋼套管內(nèi)壁環(huán)向和徑向刻痕[2-10]。構(gòu)架柱與基礎(chǔ)采用地腳螺栓連接。構(gòu)架柱和地線柱采用PIPE510×14玻璃鋼管，構(gòu)架梁采用PIPE630×15玻璃鋼管。玻璃鋼構(gòu)架真型試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示。

2 玻璃鋼構(gòu)架真型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

玻璃鋼構(gòu)架真型試驗(yàn)時(shí)，在加荷點(diǎn)連接具有測力傳感器的鋼絲繩，鋼絲繩與加荷用液壓缸相連，采用液壓閉環(huán)自動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)加載荷載。位移測量采用全站儀，應(yīng)變測量采用數(shù)據(jù)采集儀。

2.2 試驗(yàn)工況

玻璃鋼構(gòu)架真型試驗(yàn)為單側(cè)掛線，試驗(yàn)工況有4種：預(yù)加載工況（試驗(yàn)荷載為50%設(shè)計(jì)荷載）、正常工況（試驗(yàn)荷載為100%設(shè)計(jì)荷載）、超載120%工況（試驗(yàn)荷載為120%設(shè)計(jì)荷載）、超載300%工況（試驗(yàn)荷載為300%設(shè)計(jì)荷載）。正常和超載工況，地線荷載一次加到設(shè)定荷載值，導(dǎo)線垂直荷載R和導(dǎo)線側(cè)向荷載V也一次加到設(shè)定荷載值，導(dǎo)線水平荷載H分級(jí)加載和卸載。玻璃鋼構(gòu)架荷載示意圖見圖2，玻璃鋼構(gòu)架設(shè)計(jì)荷載見表2。

圖2 玻璃鋼構(gòu)架荷載示意圖Fig.2 Loading sketch of GFRP gantry

表2 玻璃鋼構(gòu)架設(shè)計(jì)荷載Tab.2 The design load of GFRP gantry

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

玻璃鋼構(gòu)架在正常工況、超載120%工況和超載300%工況下的構(gòu)架柱頂荷載-位移曲線見圖3，構(gòu)架梁荷載-撓度曲線見圖4。

（1）正常工況下，即加載到100%設(shè)計(jì)荷載：構(gòu)架柱頂位移最大值為30 mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架柱頂位移小于75 mm的限值要求；地線柱頂相對于構(gòu)架柱頂?shù)南鄬ξ灰茷? mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)地線柱頂位移小于50 mm的限值要求；構(gòu)架梁撓度為22 mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架梁撓度小于50 mm的限值要求；此工況時(shí)玻璃鋼構(gòu)架柱、構(gòu)架梁和地線柱表面均沒有纖維斷裂現(xiàn)象出現(xiàn)。

（2）超載120%工況，即加載到120%設(shè)計(jì)荷載：構(gòu)架柱頂位移最大值為32 mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架柱頂位移小于75 mm的限值要求；地線柱頂相對于構(gòu)架柱頂?shù)南鄬ξ灰茷?5 mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)地線柱頂位移小于50 mm的限值要求；構(gòu)架梁撓度為24 mm，滿足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架梁撓度小于50 mm的限值要求；此工況玻璃鋼構(gòu)架柱、構(gòu)架梁和地線柱表面沒有纖維斷裂現(xiàn)象發(fā)生。

（3）超載300%設(shè)計(jì)荷載工況下：當(dāng)導(dǎo)線水平荷載加載到108 kN時(shí)，構(gòu)架柱頂位移74.5 mm，達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)的位移限值75 mm；當(dāng)導(dǎo)線水平荷載加載到84 kN時(shí)，構(gòu)架梁撓度60.8 mm，超過鋼結(jié)構(gòu)撓度限值50 mm。在加載到250%時(shí)，玻璃鋼構(gòu)架沒有倒塌，但玻璃鋼管局部表面纖維發(fā)生斷裂，如圖5所示。

（4）正常工況、超載120%設(shè)計(jì)荷載工況、超載300%設(shè)計(jì)荷載工況下，構(gòu)架柱頂-位移和構(gòu)架梁撓度隨荷載增大而增大，基本是保持線性變化。構(gòu)架柱頂荷載-位移曲線和構(gòu)架梁荷載-撓度曲線在相同的荷載段基本重合，說明玻璃鋼桿塔抗疲勞性能很好，經(jīng)過多次反復(fù)加載之后，其力學(xué)性能基本保持不變。

（5）超載120%設(shè)計(jì)荷載工況下，構(gòu)架柱頂殘余變形最大為10 mm；超載300%設(shè)計(jì)荷載工況下，地線柱頂殘余變形12 mm，說明玻璃鋼具有很好的韌性。

3 玻璃鋼構(gòu)架應(yīng)用實(shí)例

荊門換流站接地極玻璃鋼構(gòu)架于2010年5月在工程現(xiàn)場完成玻璃鋼構(gòu)架組裝和電氣安裝，并順利通過驗(yàn)收，荊門換流站接地極玻璃鋼構(gòu)架現(xiàn)場照片如圖6所示。

玻璃鋼構(gòu)架質(zhì)量為11 t，其中玻璃鋼3.9 t，鋼材6.9 t，費(fèi)用為12.75萬元；如果采用鋼結(jié)構(gòu)，其鋼材質(zhì)量為12 t，費(fèi)用為12萬元；兩者僅相差7 500元，玻璃鋼構(gòu)架節(jié)省了5.1 t鋼材用量。本工程玻璃鋼構(gòu)架用鋼量較多的原因主要是受到現(xiàn)有玻璃鋼管管徑和長度的限制，導(dǎo)致柱拼接法蘭數(shù)量增加和梁柱管徑較大。隨著玻璃鋼性能和生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，以及連接技術(shù)的不斷創(chuàng)新，玻璃鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)會(huì)逐漸提高，加上批量化生產(chǎn)，用鋼量和成本會(huì)逐漸降低。

4 結(jié)論

玻璃鋼復(fù)合材料具有環(huán)境更友好、資源更節(jié)約的優(yōu)勢。本次玻璃鋼構(gòu)架真型試驗(yàn)和實(shí)際工程的成功應(yīng)用充分驗(yàn)證了玻璃鋼構(gòu)架的可行性、合理性和安全性，為推廣玻璃鋼應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐依據(jù)，符合國家發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的要求，同時(shí)也為今后進(jìn)一步開展玻璃鋼構(gòu)架電氣性能方面的研究創(chuàng)造了條件。

[1]王禹階，班良民.玻璃鋼典型工藝及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]中南電力設(shè)計(jì)院.變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[3]沈觀林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4]趙美英，陶梅貞.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]方東紅，韓建平，曹翠玲.復(fù)合材料輸電桿應(yīng)用進(jìn)展[J].玻璃纖維，2008（6）：31-35.

[6]夏開全.復(fù)合材料在輸電桿塔中的研究與應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005，35（5）：19-23.

[7]中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[8]晏石林，楊學(xué)忠，劉雄亞，等.復(fù)合材料建筑結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[9]周祖福.復(fù)合材料學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1995.

[10]李順林，王興業(yè).復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1993.