輸電桿塔復合材料力學性能試驗研究

龍玉成

(西安交通大學，陜西西安 710049)

0 引言

為了推廣復合材料在輸電桿塔結構上的應用，西北電力設計研究院設計了“格構式”復合塔。于2009年11月～2010年8月，委托西安交通大學土木工程結構實驗室對“輸電桿塔復合材料力學性能試驗研究”項目的關鍵技術進行系統研究。內容包括玻璃鋼纖維復合材料性能［1］、桿件受力性能、節點受力特性等。土木工程結構實驗室自行設計搭建完成了自平衡式加強型結構試驗反力架及液壓伺服同步加載系統，并根據課題特性和要求，進行了多次改造，圓滿完成了此項科研實驗任務。

1 受壓構件軸心抗壓強度破壞試驗

首先確定加載方案及約束條件。在長軸試驗機上進行軸壓試驗，測量試件應變、軸向變形、環向截面變形，觀察試件的破壞形態，分析試件承載力、破壞機理等力學性能，了解桿件的變形性能。

1.1 試驗試件

根據管件直徑規格、長細比不同，本次共設計了15個試件進行軸心抗壓強度試驗(見圖1，圖2)。

圖1 PHΦ100×6×670試件

圖2 PHΦ180×8×610試件

1.2 試件破壞形態

部分試件破壞形態見圖3，圖4。

圖3 100×6×330被壓碎并斷裂

圖4 Φ180×8×610破壞前后對比

2 受壓構件受壓穩定性破壞試驗

按不同長細比設計試件，確定加載方案及約束條件后，在長軸試驗機上進行軸壓試驗，測量桿件應變狀態、軸向變形、橫向位移、環向截面變形，觀察不同長細比下試件的破壞形態，分析試件承載力、穩定性、破壞機理等力學性能。

2.1 試驗試件

根據規格、長細比的不同，共設計了36個試件，利用自平衡式加強型結構試驗反力架及液壓伺服同步加載系統進行軸心抗壓穩定性試驗。

2.2 試件破壞形式

試件破壞形式見圖5，圖6。

圖5 Φ100×6×3000-1破壞后狀態

圖6 Φ100×6×3000-2明顯彎曲

3 節點性能試驗

確定加載方案及約束條件，測量節點在不同荷載工況下的應變狀態、變形性能，研究節點的承載力、變形特點、破壞形態、破壞機理等力學性能。

3.1 試驗目的

試驗目的是通過節點試驗確定節點的極限承載力和失效模式，揭示特定幾何參數下試件的破壞機理。通過與試驗結果的比較，驗證ANSYS用于節點分析的可靠性與準確性［3］。節點試驗共有六個試件，其中兩個試件主材受拉，另外四個試件主材受壓。

3.2 試驗加載設備和測量儀器

針對節點的構造特點，在完成前幾個實驗基礎上，本次試驗利用自平衡式加強型反力架及液壓伺服同步加載系統［2］的靈活性，根據試件特點和要求進行改造。為了方便加載，本次購置了相應加載設備:300 kN張拉千斤頂四個、1 000 kN普通千斤頂兩個、2 000 kN張拉千斤頂一個。為便于同一型號的千斤頂在加載過程中的荷載同步，同一型號的千斤頂由一個油泵控制，使用一個分油器分油加壓。上述七個千斤頂共由三個油泵驅動。

由于節點構件構造比較復雜，試件加載后整體變形很難用位移計測量。三維攝影測量技術對三維空間變形的測量具有較高的精度，因此本次試驗采用三維攝影測量技術測量試件的整體變形和關鍵點位移。

試件的應變片測定布置除標注單應變片位置外，其余均為方向相互垂直的雙應變片。雙拉桿節點共計52個應變片，單拉桿節點共計48個應變片。測試內容包括各級荷載下荷載、應變、軸向變形、橫向變形。最后根據測試量繪制相關試驗曲線，并觀察破壞形態。

3.3 試驗結果

共對六個節點構件進行了試驗，試件一和試件二主材受拉，其他四個試件主材受壓。試驗結果的破壞形態見圖7，圖8。

圖7 試件一破壞狀態

圖8 試件四破壞狀態

4 結語

自平衡式加強型反力架及液壓伺服同步加載系統，其最大特點是成本低且具有很好的靈活性，能根據不同實驗要求進行改造。在這次輸電桿塔復合材料結構設計的關鍵技術，包括玻璃鋼纖維復合材料性能、桿件受力性能、節點受力特性等試驗研究過程中發揮了重要作用，實驗取得了滿意效果。

［1］ 劉漢立.復合材料輸電桿塔的研究與應用［J］.纖維復合材料，2011(1)：38-40.

［2］ 張新房，王成立，蘇憲華，等.輸電桿塔部件試驗室液壓加荷系統研究［J］.機床與液壓，2011，39(7)：82-85.

［3］ 曾 程.大跨越輸電塔結構極限承載力分析［D］.上海：同濟大學，2011.