懸索式跨越架用纖維繩索非線性本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究

夏擁軍，賈 寧，萬(wàn)建成，胡院生

（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京100055）

1 引言

隨著特高壓直流輸電工程的密集開工建設(shè)，張力架線跨越施工日益頻繁。為保護(hù)張力架線跨越施工中的被跨越物，目前普遍采用搭設(shè)跨越架的方式。其中懸索式跨越架由于搭設(shè)方便在跨越電力線路架線施工中得到廣泛應(yīng)用。

懸索式跨越架的承載索及封網(wǎng)繩多采用纖維繩索，一般為聚酯纖維繩索或超高分子量聚乙烯纖維繩索。由于纖維繩索一般為編繩或復(fù)編繩，由纖維復(fù)絲經(jīng)捻合編織而成，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在外加載荷作用下將表現(xiàn)出明顯的非線性變形，即隨著外加載荷的增加，纖維繩索的伸長(zhǎng)變形呈非線性變化，但這一本構(gòu)關(guān)系目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或公開資料[1]。目前對(duì)懸索式跨越架進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算時(shí)普遍采用固定彈性模量值來代替應(yīng)力—應(yīng)變曲線，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況并不相符。為此，開展懸索式跨越架用纖維繩索的非線性本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，提出超高分子量聚乙烯纖維繩和聚酯纖維繩索的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系等相關(guān)曲線，為懸索式跨越架工程設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算提供參數(shù)依據(jù)。

2 懸索式跨越架及纖維繩索

2.1 懸索式跨越架

懸索式跨越架亦稱無(wú)跨越架系統(tǒng)，是指在跨越檔兩端鐵塔上設(shè)置臨時(shí)性橫梁或軟索作為支承裝置，在支承裝置之間安裝承載索并且敷設(shè)絕緣網(wǎng)和安裝絕緣撐桿以保護(hù)被跨越物的安全[2]。如圖1 所示，主要由支承裝置、承載索和封網(wǎng)裝置等部件組成，具有跨越距離遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便捷、施工難度小等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 懸索式跨越架示意圖Fig.1 Diagram of Suspension Span

2.2 纖維繩索

纖維繩索在輸電線路施工中應(yīng)用廣泛，按照使用纖維的不同，可分為天然纖維繩索和合成纖維繩索兩大類。天然纖維繩索主要為麻繩，由抗拉、耐磨、耐腐蝕性能較優(yōu)的劍麻莖纖維制造而成，主要應(yīng)用于起重及捆扎作業(yè)。合成纖維繩索由各種高分子化學(xué)纖維制成，俗稱化纖繩索，也稱絕緣繩索。目前主要使用的化學(xué)纖維主要包括聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、超高分子量聚乙烯纖維等[3-4]。懸索式跨越架使用合成纖維繩索，其承載索主要采用超高分子量聚乙烯纖維繩索，俗稱迪尼瑪繩，《架空輸電線路無(wú)跨越架不停電架線施工工藝導(dǎo)則》（DL/T 5301—2013）中給出的彈性模量推薦值為K=32GPa[2]；封網(wǎng)繩一般多采用聚酯纖維繩索，俗稱滌綸繩或杜邦絲繩，彈性模量常取為K=9.8GPa[5-6]。

3 纖維繩索非線性本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

開展懸索式跨越架工程設(shè)計(jì)時(shí)，需用到纖維繩索的非線性本構(gòu)關(guān)系，即非線性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。如圖2 所示，將纖維繩索安裝在拉力機(jī)兩端，在實(shí)施加載前后，可知纖維繩L0標(biāo)記a、b端到拉力機(jī)左右觀測(cè)c、d 端之間距離的前后變化值，根據(jù)式（1）計(jì)算出標(biāo)距段的伸長(zhǎng)量ΔL 以及通過式（2）得出應(yīng)變值ε；通過拉力機(jī)記錄纖維繩索隨著變形伸長(zhǎng)所受的載荷值，并根據(jù)式（3）計(jì)算出纖維繩索的應(yīng)力值σ，得出非線性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，進(jìn)一步根據(jù)式（4）進(jìn)行一階求導(dǎo)得出纖維繩索相應(yīng)的彈性模量值E[7-10]。

圖2 纖維繩索變形量計(jì)算示意圖Fig.2 Diagram of Fiber Rope Deformation Calculation

式中：L0—達(dá)到預(yù)張力時(shí)的標(biāo)距，mm；L1—達(dá)到預(yù)張力時(shí)，標(biāo)距段左側(cè)a 到拉力機(jī)左側(cè)觀測(cè)端c 距離，mm；L2—達(dá)到75%最小破斷力時(shí)，標(biāo)距段左側(cè)a′到拉力機(jī)左側(cè)觀測(cè)端c′距離，mm；L3—達(dá)到預(yù)張力時(shí)，標(biāo)距段右側(cè)b 到拉力機(jī)右側(cè)觀測(cè)端d距離，mm；L4—達(dá)到75%最小破斷力時(shí)，標(biāo)距段右側(cè)b′到拉力機(jī)右側(cè)觀測(cè)端d′的距離，mm；ΔL—伸長(zhǎng)量，mm。

式中：ε—應(yīng)變；ΔL—伸長(zhǎng)量，mm；L0—達(dá)到預(yù)張力時(shí)的標(biāo)距，mm。

式中：σ（ε）—應(yīng)力，MPa；ε—應(yīng)變；E（ε）—彈性模量，MPa。

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《繩索 有關(guān)物理和機(jī)械性能的測(cè)定》（GB/T 8834-2006/ISO 2307：1990）的基本要求，結(jié)合纖維繩索特點(diǎn)，確定試驗(yàn)方法如下[11]：

（1）將纖維繩索試樣安裝在拉力試驗(yàn)機(jī)上，以60mm/min 的拉伸速率加載到額定最低斷裂強(qiáng)力的20%，持荷120min 卸載。

（2）維持空載狀態(tài)1h，然后施加相應(yīng)的預(yù)加張力。

（3）當(dāng)試樣處于預(yù)加張力下時(shí)，用鋼卷尺在纖維繩索中間段處量取500mm 作為標(biāo)距段，并在標(biāo)距段兩端做標(biāo)記。在標(biāo)距段內(nèi)任意取2 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用游標(biāo)卡尺在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)不同方向進(jìn)行3 次直徑測(cè)量，取算數(shù)平均值作為纖維繩索的最終直徑值。

（4）在標(biāo)距段兩端處懸掛激光測(cè)距反射板。以60mm/min 的加載速率拉伸試樣，同時(shí)記錄載荷—時(shí)間曲線及激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)，直至拉力值到達(dá)纖維繩索額定斷裂強(qiáng)力的75%，并保持1min，直至破斷。

（5）做出應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量—載荷曲線。

3.3 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)布置，如圖3 所示。將纖維繩索樣品兩端繩套分別固定在拉力機(jī)動(dòng)力端和固定端。在纖維繩中間500mm 標(biāo)距段處懸掛左右反射板。將兩臺(tái)激光測(cè)距儀分別固定在纖維繩樣品正下方左右兩側(cè)試驗(yàn)平臺(tái)上，確保發(fā)射出的激光與纖維繩索軸向平行，并通過信號(hào)線使其與左右側(cè)激光測(cè)距儀電腦記錄端聯(lián)通，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 試驗(yàn)布置Fig.3 Diagram of Test Arrangement

3.4 試驗(yàn)用儀器設(shè)備

3.4.1 激光測(cè)距儀

在纖維繩索非線性本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)中應(yīng)用的激光測(cè)距儀，如圖4 所示。

圖4 激光測(cè)距儀Fig.4 Laser Range Finder

激光測(cè)距儀主要性能參數(shù)，如表1 所示。

表1 激光測(cè)距儀性能參數(shù)Tab.1 Performance Parameter of Laser Range Finder

3.4.2 拉力試驗(yàn)機(jī)

纖維繩索非線性本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)中所用的拉力機(jī)，如圖5 所示。拉力試驗(yàn)機(jī)的主要性能參數(shù)，如表2 所示。

圖5 拉力試驗(yàn)機(jī)Fig.5 Tensile Testing Machine

表2 拉力試驗(yàn)機(jī)性能參數(shù)Tab.2 Performance Parameter of Tensile Testing Machine

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

主要針對(duì)懸索式跨越架承載索常用的Φ12、Φ20、Φ22三種規(guī)格超高分子量聚乙烯纖維繩和封網(wǎng)繩常用的Φ10、Φ12、Φ14三種規(guī)格聚酯纖維繩進(jìn)行非線性本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)，得到試驗(yàn)樣品的載荷值、應(yīng)力值、應(yīng)變值和彈性模量值，部分試驗(yàn)結(jié)果，如表3、表4 所示。

表3 超高分子量聚乙烯纖維繩部分試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test Results of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fiber Ropes

表4 聚酯纖維繩部分試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test Results of Polyester Ropes

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

Φ12、Φ20、Φ22超高分子量聚乙烯纖維繩得出的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和彈性模量—載荷曲線，如圖6、圖7 所示。Φ10、Φ12、Φ14聚酯纖維繩得出的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和彈性模量—載荷曲線，如圖8、圖9所示。

圖6 超高分子量聚乙烯纖維繩應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖Fig.6 Diagramof the Strain-Stress of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fiber Ropes

圖7 超高分子量聚乙烯纖維繩彈性模量—載荷曲線圖Fig.7 Diagram of the Elastic Modulus-Load of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fiber Ropes

圖8 聚酯纖維繩應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖Fig.8 Diagram of the Strain-Stress of Polyester Ropes

圖9 聚酯纖維繩彈性模量—載荷曲線圖Fig.9 Diagram of the Elastic Modulus-Load of Polyester Ropes

從圖6 和圖8 可知，Φ12、Φ20、Φ22規(guī)格的超高分子量聚乙烯纖維繩和Φ10、Φ12、Φ14規(guī)格的聚酯纖維繩應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出顯著地非線性本構(gòu)關(guān)系。

從圖7 中可知，在拉力試驗(yàn)機(jī)施加載荷達(dá)到纖維繩額定破斷力75%過程中，Φ12、Φ20、Φ22三種規(guī)格超高分子量聚乙烯纖維繩彈性模量隨著載荷增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的變化，出現(xiàn)的彈性模量最大峰值隨著直徑增大而減小。從圖9 可知，Φ10、Φ12、Φ14三種規(guī)格聚酯纖維繩在載荷加載到（0～15）kN 之間，彈性模量變化不顯著，加載到15kN 以后，彈性模量隨著載荷的增大而呈現(xiàn)顯著地增大，出現(xiàn)的彈性模量最大峰值隨著直徑增大而減小。

從圖7 和圖9 還可看出，兩種纖維繩索彈性模量呈非線性變化與原有經(jīng)驗(yàn)推薦值存在很大誤差，原有經(jīng)驗(yàn)推薦值完全不能夠滿足現(xiàn)有仿真計(jì)算需求。

5 結(jié)論

通過對(duì)懸索式跨越架用纖維繩索非線性本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果分析，可得以下結(jié)論：

（1）Φ12、Φ20、Φ22超高分子量聚乙烯纖維繩和Φ10、Φ12、Φ14聚酯纖維繩呈現(xiàn)出顯著地非線性本構(gòu)關(guān)系。

（2）在拉力試驗(yàn)機(jī)施加載荷達(dá)到纖維繩額定破斷力75%過程中，Φ12、Φ20、Φ22超高分子量聚乙烯纖維繩和Φ10、Φ12、Φ14聚酯纖維繩出現(xiàn)的彈性模量最大值都隨著直徑增大而減小。

（3）超高分子量聚乙烯纖維繩和聚酯纖維繩彈性模量原有推薦的經(jīng)驗(yàn)值與試驗(yàn)得出的彈性模量值存在很大差異，完全不能夠滿足現(xiàn)有仿真計(jì)算需求。

（4）本試驗(yàn)得出的兩種纖維繩索的應(yīng)力—應(yīng)變曲線和彈性模量—載荷曲線為各施工單位今后的仿真計(jì)算提供有利的參數(shù)依據(jù)。