輸電桿塔復(fù)合材料力學(xué)性能試驗研究

龍玉成

(西安交通大學(xué)，陜西西安 710049)

0 引言

為了推廣復(fù)合材料在輸電桿塔結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，西北電力設(shè)計研究院設(shè)計了“格構(gòu)式”復(fù)合塔。于2009年11月～2010年8月，委托西安交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)實驗室對“輸電桿塔復(fù)合材料力學(xué)性能試驗研究”項目的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。內(nèi)容包括玻璃鋼纖維復(fù)合材料性能［1］、桿件受力性能、節(jié)點受力特性等。土木工程結(jié)構(gòu)實驗室自行設(shè)計搭建完成了自平衡式加強型結(jié)構(gòu)試驗反力架及液壓伺服同步加載系統(tǒng)，并根據(jù)課題特性和要求，進(jìn)行了多次改造，圓滿完成了此項科研實驗任務(wù)。

1 受壓構(gòu)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(jìn)行軸壓試驗，測量試件應(yīng)變、軸向變形、環(huán)向截面變形，觀察試件的破壞形態(tài)，分析試件承載力、破壞機理等力學(xué)性能，了解桿件的變形性能。

1.1 試驗試件

根據(jù)管件直徑規(guī)格、長細(xì)比不同，本次共設(shè)計了15個試件進(jìn)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(tài)

部分試件破壞形態(tài)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(gòu)件受壓穩(wěn)定性破壞試驗

按不同長細(xì)比設(shè)計試件，確定加載方案及約束條件后，在長軸試驗機上進(jìn)行軸壓試驗，測量桿件應(yīng)變狀態(tài)、軸向變形、橫向位移、環(huán)向截面變形，觀察不同長細(xì)比下試件的破壞形態(tài)，分析試件承載力、穩(wěn)定性、破壞機理等力學(xué)性能。

2.1 試驗試件

根據(jù)規(guī)格、長細(xì)比的不同，共設(shè)計了36個試件，利用自平衡式加強型結(jié)構(gòu)試驗反力架及液壓伺服同步加載系統(tǒng)進(jìn)行軸心抗壓穩(wěn)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(tài)

圖6 Φ100×6×3000-2明顯彎曲

3 節(jié)點性能試驗

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

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

試驗?zāi)康氖峭ㄟ^節(jié)點試驗確定節(jié)點的極限承載力和失效模式，揭示特定幾何參數(shù)下試件的破壞機理。通過與試驗結(jié)果的比較，驗證ANSYS用于節(jié)點分析的可靠性與準(zhǔn)確性［3］。節(jié)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(shè)備和測量儀器

針對節(jié)點的構(gòu)造特點，在完成前幾個實驗基礎(chǔ)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(tǒng)［2］的靈活性，根據(jù)試件特點和要求進(jìn)行改造。為了方便加載，本次購置了相應(yīng)加載設(shè)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(qū)動。

由于節(jié)點構(gòu)件構(gòu)造比較復(fù)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(shù)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(shù)測量試件的整體變形和關(guān)鍵點位移。

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

3.3 試驗結(jié)果

共對六個節(jié)點構(gòu)件進(jìn)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(jié)果的破壞形態(tài)見圖7，圖8。

圖7 試件一破壞狀態(tài)

圖8 試件四破壞狀態(tài)

4 結(jié)語

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

［1］ 劉漢立.復(fù)合材料輸電桿塔的研究與應(yīng)用［J］.纖維復(fù)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(tǒng)研究［J］.機床與液壓，2011，39(7)：82-85.

［3］ 曾 程.大跨越輸電塔結(jié)構(gòu)極限承載力分析［D］.上海：同濟大學(xué)，2011.