玄武巖纖維螺栓及其基本力學性能研究

吳 雪朱洪民王 波金云東（.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院，江蘇 南京 0008；.江蘇省送變電公司，江蘇 南京 008；.東南大學，江蘇 南京 0096）

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玄武巖纖維螺栓及其基本力學性能研究

吳 雪1朱洪民2王 波1金云東3
（1.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院，江蘇 南京 210008；2.江蘇省送變電公司，江蘇 南京 210028；3.東南大學，江蘇 南京 210096）

摘 要：本文針對輸電線路基礎設施中大噸位塔基連接件加工運輸困難等問題，研究利用玄武巖纖維復合材料制備輕質高強地腳螺栓，實現塔基高效的可靠連接。輸電塔基礎地腳螺栓主要承受了基礎上拔產生的拉力和風載下的橫向剪力，對40mm玄武巖纖維螺桿進行了抗拉承載力試驗和純剪切試驗。實驗結果表明：玄武巖纖維螺栓拉伸強度可達到720MPa以上，且試件拉伸強度較為接近，離散性較小；玄武巖纖維螺栓剪切強度為231MPa，離散率1.56%。

關鍵詞：玄武巖纖維螺栓；抗拉承載力；抗剪承載力

地腳螺栓作為基礎結構與上部結構、設備連接的重要工具，目前常用的地腳螺栓多采用鋼材制作，且由于輸電塔架多處于野外等較為復雜的環境中，存在混凝土中鋼筋銹蝕、螺栓上部握裹力及錨固可靠度不足、耐久性較低等情況。因為地腳螺栓埋在基礎中，上述情況發生在內部，人們用肉眼難以看到內部的錨固銹蝕的情況，因此地腳螺栓的腐蝕及錨固強度不足的情況往往沒有引起人們的重視。然而地腳螺栓通常埋置在混凝土構件中，承受著介質以及環境的雙重作用，其情況不容樂觀。利用玄武巖纖維筋的良好的耐酸堿鹽性能，使某些極端環境下的輸電塔基地腳螺栓獲得較高的使用壽命和經濟效益。針對輸電線路基礎設施中大噸位塔基連接件加工運輸困難等問題，研究利用玄武巖纖維復合材料制備輕質高強地腳螺栓，實現塔基高效的可靠連接。

考慮到輸電塔基地腳螺栓主要承受拉力和剪力，因此對玄武巖纖維螺桿的抗拉、抗剪承載力進行試驗，測試其性能，為玄武巖地腳螺栓的應用提供試驗數據。

圖1　試件及拉伸裝置就位圖

圖2　玄武巖地腳螺栓錨固方式

圖3　剪切裝置

1.1 地腳螺栓抗拉承載力試驗方案

地腳螺栓作為連接混凝土基礎和上部結構的重要構件，其抗拉承載力是一項十分重要的指標。輸電線路鐵塔在風載等水平力作用下的傾覆趨勢會對地腳螺栓產生上拔力，因此為保證玄武巖螺

1. 試驗方案

栓在輸電線路鐵塔基礎中的應用的安全性，需要對玄武巖地腳螺栓的抗拉承載力進行測試。

玄武巖地腳螺栓具有輕質高強的特點，為了使其在輸電線路鐵塔基礎的應用提供實驗依據，本試驗對3根40mm的玄武巖地腳螺栓進行抗拉承載力測試。由于玄武巖纖維材料抗剪性能較弱的，無法采用夾片錨具直接對筋材進行錨固，需要在玄武巖地腳螺栓的端部纏繞纖維布并浸潤樹脂固化錨固。試件如圖1和圖2所示。

1.2 地腳螺栓抗剪承載力試驗方案

在輸電線路鐵塔基礎中的地腳螺栓可能承受剪力作用，同時考慮到試驗儀器的尺寸，因此本試驗采用較小直徑的玄武巖地腳螺栓進行純剪切試驗，采用3點彎曲短梁試驗，通過試驗和理論評價玄武巖地腳螺栓抗剪承載力。

玄武巖地腳螺栓的純剪切試驗主要依據美國規范ACI 440.3R-04，參照我國標準GB/T13686-92，采用橫向剪切試驗方法來測試玄武巖纖維剪切性能。

剪切裝置如圖3所示，試樣在剪切裝置中就位如圖4所示，通過裝置上、下刃的相對移動來實現剪切。剪切裝置和試驗機的連接如圖5所示。

試樣及裝置就位后即可開始加載。加載速率應使剪切面上剪應力增速控制在△τ=30～60MPa/min，每個試樣加載時間控制在2～3min為宜，本試驗取△τ=60MPa/min。記試樣名義橫截面積為A，則加載速率△P=2A×△τ。

試樣的剪切強度按式（1）計算：

式中：

τu=剪切強度，MPa；

Ps=最大破壞荷載，N；

A=試件橫截面積，mm2。

2. 試驗結果及分析

2.1 地腳螺栓抗拉承載力實驗結果及分析

本次試驗采用40mmBFRP筋材，均獲得有效數據，各次試驗結果見表1。

表1　BFRP螺栓拉伸強度結果

圖4　試樣在剪切裝置中就位

圖5　剪切裝置與加載裝置連接

圖6　試樣剪斷面形態

由拉伸試驗結果可知玄武巖地腳螺栓拉伸強度可達到720MPa以上，且3個試件拉伸強度較為接近，離散性較小，滿足地腳螺栓的拉伸強度要求。

2.2 地腳螺栓抗剪承載力實驗結果及分析

因為每根試件有兩個剪切面，剪斷面為被剪斷的剪切面，可以明顯地看到纖維撕裂的情況，即剪斷面有一部分凸起，另一部分較為平整或稍微凹陷，被剪斷的兩段試樣可以比較緊密地咬合拼接起來，如圖6所示。剪斷面上纖維撕裂的現象印證了在剪切面上不僅存在剪應力，還作用有正應力，剪切強度中應有纖維的貢獻。

圖7　直徑對BFRP筋剪切強度的影響

表2　玄武巖地腳螺栓剪切強度

玄武巖地腳螺栓剪切強度為231MPa，離散率1.56%，見表2。其強度指標與前期研究測得的小直徑BFRP筋材的剪切強度接近（如圖7所示），同時也證明了其剪切強度與直徑無關，與纖維復合材料基體強度關系不大，其強度主要由纖維強度決定，對于不同直徑的筋材其剪切強度基本可達到200MPa以上。該強度對于保證玄武巖地腳螺栓在混凝土結構中作為螺栓抗剪具有重要作用。

結論

（1）本次試驗測試了40mm玄武巖地腳螺栓的抗拉承載力，其平均值能達到720MPa，且離散率很低，可滿足普通鐵塔中地腳螺栓的抗拔要求，且玄武巖地腳螺栓輕質高強，在山區和搶修工程中應有很好的應用前景。

（2）進行了玄武巖地腳螺栓的抗剪試驗，實驗結果表明，玄武巖地腳螺栓的橫向抗剪強度能到達231MPa，結合之前不同直徑玄武巖筋橫向剪切強度試驗結果，發現其剪切強度與直徑關系不大。對于不同的筋材直徑其剪切強度基本可達到200MPa以上，該強度對于保證玄武巖地腳螺栓在混凝土結構中作為螺栓抗剪具有重要作用。

參考文獻

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中圖分類號：TQ327

文獻標識碼：A