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.西北電力設計院,西安市 710075)
隨著電網建設的快速發展,出現了全國聯網、西電東送、南北互供的建設格局,輸電線路工程日益增多,對鋼材的需求越來越大,消耗了大量的礦產資源和能源,在一定程度上加劇了生態環境破壞。并且,線路桿塔采用全鋼制結構,存在質量大、施工運輸和運行維護困難等問題。因此,采用新型環保材料取代鋼材建造輸電桿塔得到了輸電行業的關注。
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、耐腐蝕、耐久性能和電絕緣性好、易維護、溫度適應性強、性能可設計、環境友好等特點,成為輸電桿塔結構理想的材料[1-5],日益受到國內外電力行業的關注。目前,纖維增強復合材料(fiber reinforced ploymer,FRP)輸電桿塔由于其優良的綜合性能已在日本和歐美地區得到應用,其中美國的研究開發和應用較為成熟[6-8],已制定了相關的產業標準,美國土木工程師學會已制定了輸電桿塔中FRP產品的應用標準。近年來,隨著FRP技術的飛速發展和傳統輸電桿塔缺陷的逐步顯露,我國電力行業開始重視對FRP桿塔的應用研究,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用復合材料不僅能減少對礦產資源的破壞、保護環境,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。但應用復合材料的輸電線路跨越距離長、塔體結構高、整體結構柔性強,兼有塔狀高聳結構和大跨度結構的共同特點,對風、雨和凍雨等環境荷載反映敏感。在風載長期作用下輸電桿塔易產生振動,這種持續反復振動會引起桿塔結構或節點連接處的疲勞,導致桿塔結構破壞,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輸電桿塔的工程應用提供依據。
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。
疲勞試驗使用的拉桿試件(編號FLG)是從節點上取下的拉桿,共計8個;未經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。

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,額定循環次數為105次,應力循環對稱系數為0.1。試驗過程中記錄各試件施加的荷載大小及試驗結果、試件破壞時的加載次數以及試件加載過程中的最大和最小位移量。
1.3.1 試驗設備
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荷載峰值的基礎上增加50 kN;循環加載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荷載峰值的基礎上增加12.5 kN;循環加載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荷載峰值的基礎上增加12.5 kN;循環加載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荷載峰值的基礎上增加12.5 kN;循環加載105次。
試件6~8的加載方法同試件5,疲勞加載情況見圖4。
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,其破壞形態見圖5。拉桿試件LG破壞的原因為拉桿與夾具的粘結破壞。當加載到試件的極限荷載后,拉桿與鋼套管突然拉

試驗過程中采集到的部分位移數值見表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增加而增加。
(1)在105次循環荷載作用下,試件疲勞極限應力為246.75 MPa,對應極限荷載為93.75 kN。
(2)試件位移幅值隨加載次數的增加而增加,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,設計時應重點考慮連接處強度是否滿足疲勞要求。
[1]車劍飛,黃清霞,楊娟.復合材料及其應用[M].北京:機械出版社,2006.
[2]Jia J H,Thomas E B,Charles E B.Durability evaluation of glass fiber reinforced-polymer-concretebondedinterfaces[J].Journalof Composites for Construction,2005,9(4):348-359.
[3]Brahim B,Peng W,Tan M T.Durability of glass fiber-reinforced polymer reinforcing bars in concrete environment[J].Journal of Composites for Construction,2002,6(3):143-153.
[4]Antonella C,Roberto D M.Glass fiber reinforced polymer pultruded members:constitutive model and stability analysis[J].Journal of Engineering Mechanics,2004,130(8):961-970.
[5]Shahi A,West J S,Pandey M D.Strengthening of gulfport 230 kV wooden transmission structures with glass-fiber-reinforced polymer wrap[J].Journal of Composites for Construction,2011,15(3): 364-373.
[6]Richard S.Pultruded poles carry power[J].Reinforced Plastic,2003 (1):20-24.
[7]Sherif I,Dimos P,Sherif K H.Development of glass fiber reinforced plastic poles for transmission and distribution lines[J].Canadian Journal of Civil Engineering,2000,27(5):850-858.
[8]陳博.意大利玻璃鋼工業技術考察報告[J].玻璃鋼,1996(2): 36-42.
[9]孫仲齊,陳關甫,黃李煙.采用新模式復合桿塔解決輸電系統閃絡跳閘問題[J].電網與清潔能源,2008,24(4):23-26.
[10]夏開全.復合材料在輸電桿塔中的研究與應用[J].高科技纖維及應用,2005,30(5):19-23.
[11]張磊,孫清,趙雪靈,等.纖維增強樹脂基復合材料輸電桿塔材料選型[J].電力建設,2011,32(2):1-5.
[12]李楊,白海峰.架空輸電線路環境荷載響應與設計理論得研究[J].電力建設,2008,29(9):38-41.
[13]楊靖波.輸電線路鋼管塔微風振動及其對結構安全性的影響[J].電力建設,2008,29(2):11-14.
[14]鄧京蘭,王繼輝,郭月琴.復合材料層板疲勞損傷壽命的預測[J].武漢工業大學學報,1997,19(3):142-145.
[15]沈軍,謝懷勤.航空用復合材料的研究與應用進展[J].玻璃鋼/復合材料,2006(5):48-54.
(編輯:張磊)