E玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料輸電桿塔拉桿的疲勞性能試驗

張平，龍玉成，孫清，王虎長，趙雪靈

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

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)、西電東送、南北互供的建設(shè)格局，輸電線路工程日益增多，對鋼材的需求越來越大，消耗了大量的礦產(chǎn)資源和能源，在一定程度上加劇了生態(tài)環(huán)境破壞。并且，線路桿塔采用全鋼制結(jié)構(gòu)，存在質(zhì)量大、施工運輸和運行維護困難等問題。因此，采用新型環(huán)保材料取代鋼材建造輸電桿塔得到了輸電行業(yè)的關(guān)注。

玻璃纖維增強樹脂基復合材料(E-glass fiber/ epoxy reinforced polymer，E-GFRP)具有高強輕質(zhì)、耐腐蝕、耐久性能和電絕緣性好、易維護、溫度適應(yīng)性強、性能可設(shè)計、環(huán)境友好等特點，成為輸電桿塔結(jié)構(gòu)理想的材料［1-5］，日益受到國內(nèi)外電力行業(yè)的關(guān)注。目前，纖維增強復合材料(fiber reinforced ploymer，F(xiàn)RP)輸電桿塔由于其優(yōu)良的綜合性能已在日本和歐美地區(qū)得到應(yīng)用，其中美國的研究開發(fā)和應(yīng)用較為成熟［6-8］，已制定了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)標準，美國土木工程師學會已制定了輸電桿塔中FRP產(chǎn)品的應(yīng)用標準。近年來，隨著FRP技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)輸電桿塔缺陷的逐步顯露，我國電力行業(yè)開始重視對FRP桿塔的應(yīng)用研究，部分單位和學者對此進行了研究［9-11］。

在輸電桿塔中推廣應(yīng)用復合材料不僅能減少對礦產(chǎn)資源的破壞、保護環(huán)境，而且易于解決輸電線路的風偏和污閃事故，提高線路安全運行水平;同時減小塔頭尺寸，降低線路的維護成本。但應(yīng)用復合材料的輸電線路跨越距離長、塔體結(jié)構(gòu)高、整體結(jié)構(gòu)柔性強，兼有塔狀高聳結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)的共同特點，對風、雨和凍雨等環(huán)境荷載反映敏感。在風載長期作用下輸電桿塔易產(chǎn)生振動，這種持續(xù)反復振動會引起桿塔結(jié)構(gòu)或節(jié)點連接處的疲勞，導致桿塔結(jié)構(gòu)破壞，引起倒塌事故［12-13］。為保證輸電桿塔能夠長期正常工作，需要研究復合材料構(gòu)件的疲勞特性［14-15］。

本文依托±660 kV銀川東換流站—紅柳溝接地極線路工程，進行了E-GFRP桿塔拉桿的疲勞性試驗研究。針對輸電桿塔用GFRP構(gòu)件的疲勞性能分析，采用升降法測定拉桿試件條件疲勞荷載，分析了試件的條件疲勞荷載和疲勞位移，為GFRP輸電桿塔的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

疲勞試驗的拉桿材料為E-GFRP，采用的玻璃鋼纖維型號為9600TEX，環(huán)氧樹脂為特種環(huán)氧樹脂，具有良好的耐熱、耐老化和電絕緣性能。

1.2 試件設(shè)計

疲勞試驗使用的拉桿試件(編號FLG)是從節(jié)點上取下的拉桿，共計8個;未經(jīng)過疲勞處理的拉桿試件(編號LG)4個，拉桿材料材性試件(編號LL)8個。拉桿試件型式見圖1，試件尺寸見表1，試件見圖2。

1.3 試驗方案

試驗采用升降法測定試件條件疲勞極限荷載，其加載頻率為1 Hz，額定循環(huán)次數(shù)為105次，應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)為0.1。試驗過程中記錄各試件施加的荷載大小及試驗結(jié)果、試件破壞時的加載次數(shù)以及試件加載過程中的最大和最小位移量。

1.3.1 試驗設(shè)備

本次試驗采用MTS810±250疲勞試驗機，如圖3所示。該試驗機共有4個檔位:250、150、100、50 kN，最大可進行250 kN的疲勞試驗。

圖3 MTS810±250疲勞試驗機Fig.3MTS810±250 fatigue testing machine

1.3.2 加載方式

(1)試件1:第1次加載峰值50 kN，循環(huán)加載105次。

(2)試件2:如果試件1破壞，則荷載峰值在試件1荷載峰值的基礎(chǔ)上減小25 kN;如果試件1未破壞，則荷載峰值在試件1荷載峰值的基礎(chǔ)上增加50 kN;循環(huán)加載105次。

(3)試件3:如果試件2破壞，則荷載峰值在試件2荷載峰值的基礎(chǔ)上減小12.5 kN;如果試件2未破壞，則荷載峰值在試件2荷載峰值的基礎(chǔ)上增加12.5 kN;循環(huán)加載105次。

(4)試件4:如果試件3破壞，則荷載峰值在試件3荷載峰值的基礎(chǔ)上減小12.5 kN;如果試件3未破壞，則荷載峰值在試件3荷載峰值的基礎(chǔ)上增加12.5 kN;循環(huán)加載105次。

(5)試件5:如果試件4破壞，則荷載峰值在試件4荷載峰值的基礎(chǔ)上減小12.5 kN;如果試件4未破壞，則荷載峰值在試件4荷載峰值的基礎(chǔ)上增加12.5 kN;循環(huán)加載105次。

試件6～8的加載方法同試件5，疲勞加載情況見圖4。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 拉桿材料試件LL和拉桿試件LG

取8個拉桿材料平均拉伸強度的平均值，可得拉桿材料試件LL的平均拉伸強度為769.28 MPa，計算得試件最大承載力約292.28 kN，其破壞形態(tài)見圖5。拉桿試件LG破壞的原因為拉桿與夾具的粘結(jié)破壞。當加載到試件的極限荷載后，拉桿與鋼套管突然拉

2.4 疲勞試件位移分析

試驗過程中采集到的部分位移數(shù)值見表3。

表3 疲勞試驗位移Tab.3Displacement of fatigue test

從表3可以看出:

(1)試件疲勞試驗過程中位移幅值為3.8～4.9 mm。

(2)位移幅值隨加載次數(shù)增加而增加。

3 結(jié)論

(1)在105次循環(huán)荷載作用下，試件疲勞極限應(yīng)力為246.75 MPa，對應(yīng)極限荷載為93.75 kN。

(2)試件位移幅值隨加載次數(shù)的增加而增加，各試件疲勞試驗過程中位移幅值為3.8～4.9 mm。

(3)由于試件連接處強度小于復合材料本身強度，試件疲勞破壞均為連接處破壞，設(shè)計時應(yīng)重點考慮連接處強度是否滿足疲勞要求。

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(編輯:張磊)