E玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料力學性能試驗研究

張 磊，孫 清，王虎長，趙雪靈，胡建民，管順清

（1.西安交通大學，西安市，710049；2.西北電力設計院，西安市，710075）

0 引言

玻璃纖維增強樹脂基復合材料具有輕質高強，疲勞性能、耐久性能和電絕緣性能好等特點，是較理想的輸電桿塔結構材料[1-2]。目前，復合材料輸電桿塔已在歐美和日本得到應用，其中以美國的研究開發和應用最為成熟[3-5]。我國在20世紀50年代對復合材料電桿進行過研究，鑒于當時材料性能和制造工藝的限制，復合材料電桿未能得到推廣使用。近年來，隨著復合材料技術的飛速發展和傳統輸電桿塔的缺陷逐步顯露，電力行業開始重視復合材料桿塔的應用研究[6-9]；但目前研究多集中于復合材料桿塔應用可行性的理論探討，試驗研究和工程實踐均較少。

本文以±660 kV銀川東換流站—紅柳溝接地極線路工程為依托，展開E玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料的力學性能試驗研究。考慮到該復合材料為各向異性材料，應力-應變響應不能用單向性能參數確定[10]，因此對該復合材料順纖維方向和垂直纖維方向的拉伸強度、彈性模量、泊松比分別進行了研究。最后，將該復合材料與輸電桿塔結構中常用鋼材進行了力學性能和成本對比分析，探討該復合材料在輸電桿塔結構中應用的可行性。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

采用的E玻璃鋼纖維為9600TEX，纖維含量70%，環氧樹脂為特種環氧樹脂，具有良好的耐熱、耐老化和電絕緣性能。

1.2 試件設計

試驗試件按照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》規定設計，由鞍山遠達電網工程有限公司采用拉擠工藝制作。試件型式和尺寸分別見圖1、表1。

根據玻璃纖維布置方法不同，本次共制作了2種試件：第1種試件僅沿長度方向布置玻璃纖維（以下簡稱“單向纖維試件”）；第2種試件除沿長度方向布置玻璃纖維外，橫向45°及135°方向也布置了玻璃纖維（以下簡稱“多向纖維試件”）。另外，為了測試復合材料垂直纖維方向的力學性能，制作了垂直纖維方向的試件。匯總后的試件數量及編號見表2。

表1 試件尺寸Tab. 1 Dimensions of specimens mm

表2 試件數量及編號Tab. 2 Details of specimens

1.3 試驗方案

本次試驗按照GB/T 1446—2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》和GB/T 1447—2005標準執行。試驗前按標準要求對每個試樣進行分類、編號，并測量工作段內任意3點的寬度、厚度，取算術平均值。

1.3.1 試驗設備

拉伸試驗采用上海華龍WDW-300D型材料拉伸試驗機，該試驗機精度可達0.5級，試驗中可直接記錄荷載、位移等數據。

應變采集儀器為北戴河電子儀器廠生產的CML-1H型應變和應力綜合測試儀。應變花采用中航電測儀器股份有限公司生產的BE120-3BC型正交應變花。應變花用快干502膠粘貼在試件正中位置，見圖2。

1.3.2 加載方法

為防止試件滑移，本次試驗專門制作了相應的夾具，如圖3所示。安裝時首先將準備好的試件扣上夾具安裝在試驗機內，使試件中心線和鉗口里的中心線吻合。試驗連續緩慢加載，加載速率控制為2 mm/min，間隔一定時間采集1次試件應變。在試驗過程中隨時觀察記錄試驗現象，最終記錄試件的極限破壞荷載及其破壞形態。現場加載情況見圖3。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞過程及破壞特征

加載初期試件外觀等沒有明顯變化，加載過程中始終伴隨“噼啪”的纖維斷裂聲，當加載到試件的極限荷載時試件破壞，此時玻璃鋼纖維大部分被拉斷，只有小部分相連。試件破壞典型形態見圖4。

2.2 順纖維方向力學性能

該復合材料順纖維方向拉伸典型荷載-位移曲線、應力-應變曲線、橫向-縱向應變曲線分別見圖5、6、7。

由于初始加載階段夾具與試件出現滑移，在圖5中2.5 kN處出現了1段水平線。當試件滑移量達0.5 mm后，夾具與試件夾持良好，其后未出現滑移現象。

圖6中的應力為名義應力，利用荷載值除以試件截面面積得到，后文中的名義應力均采用本方法計算。

該復合材料順纖維方向拉伸強度、拉伸彈性模量、泊松比試驗結果見表3，CV表示離散系數（標準差/均值）。其中拉伸強度σt按式（1）計算：

式中：F為最大載荷；b為試件寬度；d為試件厚度。

表3 順纖維方向試驗結果Tab. 3 Test results of specimens(Longitudinal)

拉伸彈性模量Et按式（2）計算：

式中：σ''為應變ε''時對應的拉伸應力值；σ'為應變ε'時對應的拉伸應力值。

泊松比μ按式（3）計算：

式中ε1、ε2分別為縱向應變和橫向應變。

從表3可以看出，2種試件順纖維方向拉伸強度有一定差異，達13.9%，主要是由于布置橫向纖維使多向纖維試件承載力增加。2者拉伸模量、泊松比十分接近，說明布置橫向纖維對彈性模量、泊松比影響很小。

2.3 垂直纖維方向力學性能

該復合材料垂直纖維方向拉伸典型應力-應變曲線、橫向-縱向應變曲線分別見圖8、9、10。

該復合材料垂直纖維方向拉伸強度、拉伸模量、泊松比試驗結果見表4。

從表4可以看出，該復合材料垂直纖維方向拉伸強度、拉伸模量、泊松比均大幅下降，與多向纖維試件相比下降幅度分別為89.0%、68.3%、68.3%。

表4 垂直纖維方向試驗結果Tab. 4 Test results of specimens(Transverse)

由上述圖表可得到該復合材料的力學性能特點：

（1）沒有明顯拉伸屈服點，破壞征兆不明顯，屬于脆性材料。

（2）彈性性能良好，直到破壞前，應力-應變基本成線性關系。

（3）順纖維方向拉伸強度遠超過垂直纖維方向。

鑒于上述特點，本文對該復合材料在輸電桿塔結構中的應用提出如下建議：

（1）對于輸電桿塔結構中僅承受拉力的構件，可以僅沿長度方向布置玻璃纖維制成實心圓形拉桿。

（2）對于輸電桿塔結構中既承受拉力又承受壓力的構件，除在長度方向布置玻璃纖維外，可以在橫向45°和135°方向布置玻璃纖維制作成空心圓管。

3 與常用鋼材的力學性能和成本對比分析

輸電桿塔常用鋼材牌號為Q345、Q420等，該復合材料與上述鋼材的力學性能和成本綜合對比見表5。

表5 力學性能和成本對比分析Tab.5 Contrastive analysis of mechanical property and cost

從表5可以看出：

（1）該材料順纖維方向拉伸強度遠遠大于鋼材屈服強度，多向纖維試件拉伸強度約為Q235鋼材屈服強度的3.8倍。

（2）該材料順纖維方向彈性模量約為鋼材彈性模量的1/4，在相同荷載下，復合材料桿塔將發生較大變形。因此，設計時應重點關注結構本身變形控制。為滿足設計規程對桿塔撓度的要求，可以采用空心管狀結構加大復合材料桿塔的轉動慣量。

（3）該材料順纖維方向泊松比與鋼材十分接近。

（4）該材料成本約為鋼材的4倍。但是該材料在以下方面可以顯著節約工程造價：1）該材料制作的桿塔重量僅為鋼塔重量的1/2；2）該材料制作的桿塔可以大大節省安裝費用；3）由于該材料絕緣性能較好，輸電線路結構可以設計的更為緊湊，可以降低桿塔高度，相應降低工程造價；4）緊湊型復合材料桿塔減小了線路走廊所需要的寬度，減少了土地使用費用；5）在桿塔使用年限期間，復合桿塔要求的維護比鋼塔將大大減少[11]。因此，從工程項目全生命周期考慮，該復合材料的綜合經濟效益較好。

4 結論

（1）多向纖維試件拉伸強度、彈性模量、泊松比分別為899.274 MPa，45.105 GPa，0.287。單向纖維試件拉伸強度、彈性模量、泊松比分別為774.330 MPa，44.638 GPa，0.281。該復合材料垂直纖維方向拉伸強度、彈性模量、泊松比分別為99.033 MPa，14.316 GPa，0.091。

（2）該復合材料基本力學性能和綜合經濟效益較好，適宜在輸電桿塔結構中應用。

（3）應盡量將該復合材料沿纖維方向制作成拉桿或管材形式，以充分利用其優異的抗拉性能。

（4）在相同荷載下，使用該復合材料制造的桿塔將發生較大變形，設計時應重點關注結構本身變形控制。為滿足設計規程對桿塔撓度的要求，可以采用空心管狀結構加大復合材料桿塔的轉動慣量。

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