碳纖維復合材料補強輸電鐵塔腐蝕受損地腳螺栓的試驗研究

馬君鵬，王永強，池永斌，岳賢強

(1. 江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210008；3. 武漢中科創新技術股份有限公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

高壓輸電線路在服役過程中長期暴露在各種腐蝕環境下，尤其是穿越鹽堿地和地處海洋氣候的輸電線路，其桿塔的地腳螺栓在腐蝕介質長期侵蝕作用下產生腐蝕損傷，造成有效受力截面減小，不能滿足線路運行強度要求。嚴重時，地腳螺栓發生斷裂，造成倒塔事故，嚴重危害高壓輸電線路和電網安全[1-2]。因此，需要定期對運行年限較長或地處重腐蝕環境的輸電線路桿塔地腳螺栓進行無損檢測，評估其腐蝕受損程度和耐受應力安全狀態，對受損超標地腳螺栓進行損傷補強。

地腳螺栓損傷補強的方法有多種，主要有金屬補強和碳纖維復合材料(fiber reinforced polymer，FRP)補強兩大類。金屬補強通過焊接型鋼或螺栓連接實現，存在施工困難、施工周期長、抗腐蝕性差、耐久性差、須改變結構物形狀等問題。補強后還會存在焊接缺陷、殘余應力和結構應力等問題，影響設備安全使用，且運行中還會產生新的腐蝕損傷。碳纖維復合材料補強技術充分利用了碳纖維的比強度高、比模量高、耐腐蝕性好、施工方便等優勢，克服了金屬補強方法的諸多缺點，能夠獲得良好的補強效果，在鋼結構加固修復中得到了廣泛的應用[3-5]。

對于棒型構件而言，采取碳纖維復合材料方法進行補強，其方法相對簡單，在損傷部位直接粘貼一定厚度的碳纖維材料即可。碳纖維復合材料補強形式主要有：1)在損傷部位粘貼兩片半圓弧型碳纖維材料構成一個圓筒。這種形式應用較多，效果較好；2)在損傷部位纏繞碳纖維布然后浸膠[6]。這種補強形式效果最好，但現場施工困難、不易實施；3)在損傷部位安裝一個橡膠套筒，在套筒內灌注碳纖維樹脂膠泥。這種補強形式效果能滿足對構件金屬損傷的補強，現場施工方便、快捷、特別適用于異形部位的補強，是FRP補地腳螺栓很有效的方法，近年來引起廣泛關注和研究[7]。

高壓輸電鐵塔地腳螺栓屬于棒型構件，完全適合利用碳纖維復合材料補強技術進行補強修復。目前，國內外尚未見具體應用案例，因此應從上述3種補強形式中優選一種最適合于地腳螺栓現場補強實施的補強形式。考慮地腳螺栓修復補強時的現場施工空間限制和操作難易程度，采用上述第一種粘貼兩片半圓弧型碳纖維材料的補強形式是最優方法。這種方法受現場施工影響小，且碳纖維套筒耐腐蝕，可以保護碳纖維樹脂膠泥增強體免受腐蝕介質的侵蝕，延緩其老化進程，提高其耐久性。

本文針對輸電線路地腳螺栓碳纖維復合材料補強方法和效果進行研究。首先根據地腳螺栓的直徑和受損部位的形狀和尺寸確定套管的長度和直徑，進而確定碳纖維樹脂膠泥增強體的尺寸；然后對補強后地腳螺栓進行拉伸試驗，獲得其力學性能的相關數據，驗證補強效果；同時通過觀察碳纖維樹脂膠泥增強體在受力過程中的變化，確定補強所需碳纖維管長度和灌注碳纖維樹脂膠泥厚度等關鍵參數的閾值。

1 補強材料及試驗

1.1 補強材料

本次補強試驗選用規格為M20×550mm、材質為Q235的地腳螺栓加工缺陷模擬試樣。采用目前工程中常用的3種規格碳纖維管，分別為φ24mm×2mm、φ26mm×3mm、φ28mm×8mm。補強碳纖維選用T300絲材，補強黏結樹脂選用專用纖維黏結劑。各項材料的力學性能指標如表1-表4所示。

選用的專用纖維黏結劑具有黏度低、浸潤性好、固化后有較高的強度和韌性等優點，能夠和碳纖維協同工作提升補強效果，被廣泛應用于結構補強加固中。

表1 Q235地腳螺栓的力學性能參數

表2 碳纖維管力學性能

表3 T300碳纖維絲力學性能

表4 纖維黏結劑性能指標

1.2 試樣設計

1) 缺陷設計

地腳螺栓的損傷主要是腐蝕造成的表面蝕坑或均勻減薄。其中，由于蝕坑存在顯著的應力集中，危險性更大。因此在地腳螺栓模擬試樣上加工模擬蝕坑缺陷，缺陷深度按直徑腐蝕缺失20%確定，試樣直徑為20mm，缺陷深度對應為4mm，長度設計為10mm。

2) 碳纖維補強體的尺寸設計與選取

碳纖維補強體主要由碳纖維管和碳纖維樹脂膠泥增強體兩部分組成。其中碳纖維管的管徑和厚度可按照安全性和經濟性原則在常用規格中選取。碳纖維樹脂膠泥增強體的厚度由碳纖維管的尺寸確定，長度與碳纖維管一致。總體來看，影響碳纖維補強體補強效果的主要參數為碳纖維補強體的長度和碳纖維樹脂膠泥增強體的厚度。

碳纖維補強體長度的選取一是要考慮缺陷尺寸，二是要考慮缺陷的影響范圍。根據圣維南原理，對于棒型工件而言，缺陷的影響范圍相當于其直徑的1～1.5倍，考慮安全裕量按2倍計算，因此碳纖維補強體長度為缺陷長度與4倍螺栓直徑長度之和。按照以上原則，本實驗T300碳纖維復合管的長度選為90mm，如圖1所示。

碳纖維樹脂膠泥增強體的厚度為試樣外徑和T300碳纖維復合管的內徑之差。因此，選擇不同內徑的碳纖維復合管，就可獲得不同厚度的碳纖維樹脂膠泥增強體。為了比較并優化確定碳纖維樹脂膠泥增強體的最佳尺寸，本試驗T300碳纖維復合管選取3種尺寸，分別為φ24mm×90mm×2mm、φ26mm×90mm×3mm、φ28mm×90mm×8mm，對應的碳纖維樹脂膠泥增強體尺寸為90mm×2mm、90mm×3mm、90mm×4mm。將所選補強碳纖維管切割成兩個半圓型，置于Q235材質地腳螺栓模擬缺陷之上，灌注碳纖維樹脂膠泥，并震動使其密實化和固化，如圖2、圖3所示。每種尺寸的試樣各制備兩根，徹底干燥后進行拉伸試驗。

圖1 碳纖維管

圖2 碳纖維管補強試件

圖3 碳纖維膠泥填充后補強試件

1.3 試驗加載設備及試驗過程

拉伸試驗在1000kN材料萬能試驗機上進行，將制備好的試樣正確安裝在試驗機的夾具內，使試件中心線和鉗口里的中心線吻合，如圖4所示。試驗連續緩慢加載，加載速率控制為0.5kN/s。在試驗過程中，觀察記錄碳纖維補強部位在加載過程的變化情況及其破壞形態。

圖4 碳纖維補強試件拉伸試驗

2 試驗結果及分析

2.1 破壞過程及破壞特征

在拉伸試驗加載初期，試件外觀等均無明顯變化，當荷載加到屈服極限σs的70%以后，2mm厚碳纖維補強試件出現少許波動和異響，最后試件斷裂于未補強鋼桿處。3mm及以上厚度的碳纖維補強試件拉伸過程中未出現該現象，試件均斷裂于未補強鋼桿處。對拉斷后的所有試件碳纖維補強部位進行剝離，采用10倍放大鏡進行觀察，在2mm厚碳纖維補強試件的碳纖維管和碳纖維樹脂膠泥上發現呈45°的微小裂紋，3mm及以上厚度的碳纖維補強試件未見此情況。

2.2 試驗結果分析

拉伸試驗結果顯示，所有碳纖維補強試樣均斷裂于母材部位，未發生斷裂在補強部位的情況，其拉伸應力應變曲線與無缺陷地腳螺栓的應力應變曲線相近，如圖5所示。試驗結果說明選擇的所有補強尺寸均達到了補強的強度要求。

圖5 碳纖維補強地腳螺栓拉伸曲線

在加載過程中，試樣補強部分的外觀均沒有明顯變化，但2mm厚碳纖維補強試件會出現異響。通過對所有補強試件拉斷后補強部位的觀察，2mm厚碳纖維補強試件的補強部位會出現微小裂紋，3mm及以上厚的碳纖維管可以保證碳纖維管增強體不產生微裂紋等可能影響安全使用的欠缺，見圖6。因此，3mm及以上厚度的T300碳纖維復合管能夠取得良好的補強效果，且能保證補強后的安全使用。

圖6 拉伸后的碳纖維增強體

2.3 綜合分析

補強后的地腳螺栓在受力時，一部分載荷通過碳纖維樹脂膠泥增強體黏結界面及黏結劑的剪切變形來傳遞到外層的碳纖維管上，從而降低了地腳螺栓的名義應力。地腳螺栓的材質及表面狀態、碳纖維管的種類、碳纖維樹脂膠泥增強體的長度與厚度等因素都會影響補強效果[8]。

T300碳纖維樹脂復合材料的強度遠大于常用結構鋼，如Q235、Q345、35#、45#等鋼材，只要碳纖維樹脂膠泥增強體的強度和黏結強度足夠，補強部位就不會發生斷裂。因此，補強效果取決于碳纖維樹脂膠泥增強體的強度和黏結強度。碳纖維樹脂膠泥增強體的強度可以通過增加厚度來提高；黏結強度可以通過增加地腳螺栓表面粗糙度、增加碳纖維樹脂膠泥增強體與地腳螺栓和與T300碳纖維復合管的接觸表面積來提高，而增加T300碳纖維復合管的長度即可實現接觸面積的增加。采用砂輪打磨地腳螺栓可使其表面粗糙，可進一步增大黏接表面積。

根據試驗結果可知，碳纖維樹脂膠泥補強體的厚度>3mm，碳纖維補強體長度>90mm即可很好滿足補強要求。

實際上，高壓輸電線路桿塔用地腳螺栓有多種規格尺寸，需選用不同規格的碳纖維管，根據以上試驗結果，提出一種碳纖維管尺寸選取原則：

1) 碳纖維補強管長度應大于地腳螺栓腐蝕缺陷軸向長度與4倍地腳螺栓直徑之和，補強實施時應保證于缺陷部位兩端各外延≥2倍地腳螺栓直徑長度。

2) 碳纖維補強管直徑不小于地腳螺栓直徑與碳纖維補強管壁厚的1.15倍之和。

3) 碳纖維補強管壁厚不小于地腳螺栓直徑的15%。

3 結語

1) 通過綜合分析現場實施適用性、補強體強度性能、抗腐蝕性和耐久性等各種因素，提出通過粘貼碳纖維管對輸電線路地腳螺栓腐蝕缺陷進行現場補強的方法。

2) 通過對厚度分別為2mm、3mm、4mm的碳纖維樹脂膠泥增強體試樣進行拉伸試驗，驗證和比較了不同厚度碳纖維樹脂膠泥增強體的補強效果。結果表明，通過灌注碳纖維樹脂膠泥粘貼碳纖維管的方法補強腐蝕受損地腳螺栓能夠滿足安全使用的強度要求，且碳纖維樹脂膠泥增強體厚度≥3mm時可以達到良好效果。

3) 針對灌注碳纖維樹脂膠泥粘貼碳纖維管補強方法具體工程應用時碳纖維補強管長度、厚度、直徑等關鍵參數的選取問題，結合試驗結果提出了推薦性的選取原則，有利于指導工程實踐。