E玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料輸電桿塔拉桿的疲勞性能試驗

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)

0 引言

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。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

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。

1.2 試件設計

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。

1.3 試驗方案

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。

2 試驗結果與分析

2.1 拉桿材料試件LL和拉桿試件LG

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

2.4 疲勞試件位移分析

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。

3 結論

(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)