FRP復(fù)合材料橫擔(dān)體系空間受力性能足尺試驗(yàn)研究
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馬 輝， 劉云賀， 王振山， 郭宏超， 譚 蓉
（1西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，西安710048;2陜西省電力設(shè)計(jì)院，西安710054）
[摘要] 為研究FRP復(fù)合材料橫擔(dān)在三向荷載作用下的空間受力性能，結(jié)合某輸電線路FRP復(fù)合材料塔架，對(duì)FRP復(fù)合材料橫擔(dān)進(jìn)行了三向荷載作用下的足尺試驗(yàn)，觀察了試驗(yàn)過程及現(xiàn)象，分析了FRP復(fù)合材料橫擔(dān)體系的荷載-位移關(guān)系曲線，并對(duì)橫擔(dān)梁和拉索中鋼套管和FRP復(fù)合材料的應(yīng)變變化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：鋼套管與FRP復(fù)合材料具有良好的粘結(jié)性，F(xiàn)RP復(fù)合材料之間出現(xiàn)輕微撕裂但并未發(fā)生破壞；橫擔(dān)梁中部截面外鼓變形，拉索側(cè)向變形很明顯。橫擔(dān)梁的荷載一位移關(guān)系基本成線性變化，F(xiàn)RP復(fù)合材料橫擔(dān)體系的荷載富余度系數(shù)約為4.0，表現(xiàn)出較好的受力性能。橫擔(dān)梁及拉索的鋼套管應(yīng)變均小于FRP復(fù)合材料的應(yīng)變，F(xiàn)RP復(fù)合材料同一截面應(yīng)變分布較為均勻。拉索較橫擔(dān)梁更容易發(fā)生破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)拉索進(jìn)行一定的加強(qiáng)處理。研究結(jié)論將為FRP復(fù)合材料橫擔(dān)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。
0 引言
FRP復(fù)合材料是采用濕法纏繞成型技術(shù)制造的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂空心管，該材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、絕緣性能好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在輸電塔架結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景。基于FRP復(fù)合材料的諸多優(yōu)點(diǎn)，陜西省電力設(shè)計(jì)院在330kV輸電線路項(xiàng)目中將FRP復(fù)合材料應(yīng)用在桿塔結(jié)構(gòu)中，不僅將其作為一種結(jié)構(gòu)性材料，更利用其良好的絕緣性來優(yōu)化桿塔的電氣性能，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。由于橫擔(dān)是輸電塔架結(jié)構(gòu)中一個(gè)十分重要的構(gòu)件，其承受的荷載也相對(duì)較為復(fù)雜，為了解FRP復(fù)合材料橫擔(dān)在多向荷載作用下的受力性能和進(jìn)一步推廣復(fù)合材料桿塔結(jié)構(gòu)在我國輸電線路中的應(yīng)用，通過足尺試驗(yàn)研究復(fù)合材料橫擔(dān)體系在多向荷載作用下的受力性能，研究結(jié)果將為我國FRP復(fù)合材料桿塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供相關(guān)依據(jù)和技術(shù)參考。
1 工程背景
陜西省電力設(shè)計(jì)院330kV輸電線路項(xiàng)目復(fù)合桿塔塔頭部分采用FRP復(fù)合材料，塔腿、塔身及地線支架采用鋼結(jié)構(gòu)。FRP復(fù)合材料橫擔(dān)采用套管式節(jié)點(diǎn)，采用膠接和螺栓混合連接方式，金屬件與復(fù)合材料之間采用膠接，其余部分采用螺栓或卸扣連接，該變電站輸電塔構(gòu)架示意圖如圖l所示。針對(duì)FRP復(fù)合材料橫擔(dān)的特點(diǎn)，選擇輸電塔構(gòu)架中典型B相復(fù)合材料橫擔(dān)作為研究對(duì)象，并對(duì)FRP復(fù)合材料橫擔(dān)體系進(jìn)行過載足尺試驗(yàn)，以了解其在多向荷載作用下的受力性能。
2 試驗(yàn)概況
針對(duì)FRP復(fù)合材料橫擔(dān)的特征，并結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)情況，對(duì)該復(fù)合材料橫擔(dān)體系進(jìn)行實(shí)際荷載作用下的足尺試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)分析橫擔(dān)梁及拉索的受力過程、承載力、位移變形能力以及應(yīng)變分布規(guī)律等。
2.1復(fù)合材料橫擔(dān)體系試件
B相復(fù)合材料橫擔(dān)體系具有三個(gè)掛線端，承受V3，T3，L3三個(gè)互相垂直方向的荷載，如圖1所示。該復(fù)合材料橫擔(dān)在T3加載方向的水平長度為3. 75m，L3加載方向?qū)挾葹?.0m，V3加載方向高度為2.0m；橫擔(dān)梁直徑為200mm；拉索直徑為30mm。復(fù)合材料橫擔(dān)體系是由兩個(gè)復(fù)合材料橫擔(dān)梁和兩個(gè)復(fù)合材料拉索組合成的空間構(gòu)架，橫擔(dān)梁與拉索采用卸扣連接。橫擔(dān)梁和拉索的FRP復(fù)合材料主要材料力學(xué)性能指標(biāo)見表1。
2.2試驗(yàn)荷載
試驗(yàn)荷載的大小由工程設(shè)計(jì)資料確定，要求復(fù)合材料橫擔(dān)體系的荷載富余度按最大設(shè)計(jì)荷載值的400%考慮，即富余度系數(shù)為4.0。由于復(fù)合材料橫擔(dān)體系受到三向荷載作用，在足尺試驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)多向荷載同步加載很難，工作量較大且復(fù)雜。因此，為了便于研究，采用合力的方式對(duì)復(fù)合材料橫擔(dān)體系進(jìn)行加載，復(fù)合材料橫擔(dān)體系合力由其所受各向分力按力學(xué)原則進(jìn)行合成得到，包括荷載大小及方向。圖2為復(fù)合材料橫擔(dān)體系三個(gè)方向荷載合力的空間位置。由圖可知，B相復(fù)合材料橫擔(dān)體系合力與xoy平面（T3 -L3平面）夾角為58°，與zoy（V3-T3平面）平面夾角為32°，與xoz平面（V3 -L3平面）夾角為10°。表2為B相復(fù)合材料橫擔(dān)體系各加載方向的荷載及其合力大小。
2.3試驗(yàn)裝置
為了便于加載，將復(fù)合材料橫擔(dān)通過連接板固定在反力墻上，預(yù)先對(duì)反力墻進(jìn)行了尺寸實(shí)測，然后結(jié)合工程設(shè)計(jì)尺寸，對(duì)試驗(yàn)固定裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，試驗(yàn)裝置通過錨固梁將試件與反力架連接。圖3為B相復(fù)合材料橫擔(dān)足尺試驗(yàn)現(xiàn)場。
2.4測試方案及加載制度
2.4.1測試方案
為測量橫擔(dān)梁和拉索的典型截面應(yīng)變變化情況，在兩個(gè)橫擔(dān)梁上共布置18個(gè)應(yīng)變片，在兩根拉索上共布置20個(gè)應(yīng)變片。拉索和橫擔(dān)梁上的應(yīng)變片采用等間距布置原則，并在同一截面內(nèi)布置兩個(gè)應(yīng)變片，以監(jiān)測同一截面的應(yīng)變變化。復(fù)合材料橫擔(dān)梁和拉索的應(yīng)變片布置及編號(hào)分別如圖4，5所示。
在滑輪與試件的連接鋼絲之間布置50t的拉壓力傳感器，并在拉力傳感器下端頭上布置位移計(jì)，如圖6所示，以測量復(fù)合材料橫擔(dān)的荷載和位移的變化情況。
2.4.2加載制度
根據(jù)各個(gè)分力的大小和方向，確定合力的大小和方向，進(jìn)行加載方向定位，并采用4個(gè)設(shè)置在不同位置的定滑輪以改變合力的傳遞方向，使得合力傳遞方向?yàn)樗椒较颍罱K通過鋼絞線連接到MTS電液伺服作動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)加載。定滑輪的額定荷載為30t，鋼絞線直徑為24mm，定滑輪及鋼絲連接現(xiàn)場布置如圖3所示。
采用MTS電液伺服系統(tǒng)分級(jí)施加荷載，分為兩個(gè)加載階段：第一階段為從開始加載至最大設(shè)計(jì)荷載；第二階段為從最大設(shè)計(jì)荷載加載至富余度荷載。復(fù)合材料橫擔(dān)體系最大設(shè)計(jì)荷載的合力約為41kN．富余度荷載的合力約為165 kN，根據(jù)上述荷載要求，復(fù)合材料橫擔(dān)體系的加載制度如下：最大設(shè)計(jì)荷載階段，每級(jí)荷載取最大設(shè)計(jì)荷載的10%。達(dá)到最大設(shè)計(jì)荷載后的富余度荷載階段：在富余度荷載的0~ 80%時(shí)，每級(jí)荷載取富余度荷載的10%；在達(dá)到富余度荷載的80 010以后，荷載級(jí)差調(diào)整為5%；荷載加載至170kN時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。每級(jí)荷載之間停留的時(shí)間為1min，典型截面的應(yīng)變由TDS-303數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集。
3 復(fù)合材料橫擔(dān)試驗(yàn)過程及現(xiàn)象
該復(fù)合材料橫擔(dān)足尺試驗(yàn)在西安理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。為保證橫擔(dān)中各構(gòu)件之間連接緊密及鋼絲繃直，對(duì)其先進(jìn)行預(yù)加載，以保證荷載傳遞。試驗(yàn)開始加載后，采用近距離觀測、拍照及現(xiàn)場記錄等方法對(duì)橫擔(dān)受力的整個(gè)試驗(yàn)過程及試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖7所示。復(fù)合材料橫擔(dān)試件加載前，對(duì)試件合力加載點(diǎn)區(qū)域作了一定的加強(qiáng)處理，即采用較厚的鋼板作為連接端頭且保證鋼板焊縫質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果表明：合力加載點(diǎn)局部在試驗(yàn)過程中變形非常小，滿足試驗(yàn)加載要求。
B相FRP復(fù)合材料橫擔(dān)體系的試驗(yàn)過程大致分為以下幾個(gè)階段：
(1)0~60kN階段：B相復(fù)合材料橫擔(dān)體系試件在該加載階段無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象，鋼絲在拉力作用下進(jìn)一步繃直，復(fù)合材料橫擔(dān)體系受力逐漸增大，鋼套管和復(fù)合材料各截面應(yīng)變相應(yīng)增加，此時(shí)橫擔(dān)梁及拉索均處于彈性受力狀態(tài)，整體變形不明顯；當(dāng)加載至60kN時(shí)，復(fù)合材料橫擔(dān)發(fā)出輕微的撕裂聲響，主要是由于在復(fù)雜荷載作用下，復(fù)合材料橫擔(dān)的復(fù)合材料之間發(fā)生拉扯而處于繃緊狀態(tài)，從而產(chǎn)生響聲，這表明復(fù)合材料之間處于傳力工作狀態(tài)。
(2)60~90kN階段：在該加載階段，復(fù)合材料橫擔(dān)梁伴隨有數(shù)次清脆的撕裂聲響，聲響較上個(gè)加載階段要多而且響亮，表明試件受力明顯。從試驗(yàn)照片及現(xiàn)場觀察可知，此時(shí)橫擔(dān)梁變形增大且中部略有外鼓，說明橫擔(dān)梁中部受力較大，這主要與加載方向有關(guān)。在加載方向一側(cè)的橫擔(dān)梁處于壓彎狀態(tài)，而另一側(cè)的橫擔(dān)梁處于拉彎狀態(tài)，此時(shí)加載端受力導(dǎo)致橫擔(dān)梁中部截面應(yīng)變最大，產(chǎn)生外鼓現(xiàn)象。拉索在荷載作用下朝加載方向發(fā)生整體位移，在加載方向一側(cè)的拉索處于壓彎狀態(tài)，而另一端拉索處于拉彎狀態(tài)，其各截面的應(yīng)變相應(yīng)增大；試件在該階段整體位移變形較為明顯。
(3)90～130kN階段：復(fù)合材料橫擔(dān)體系在該加載階段發(fā)出較大的撕裂聲響，橫擔(dān)梁中部外鼓變形現(xiàn)象明顯，橫擔(dān)梁的復(fù)合材料表面出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，此時(shí)橫擔(dān)梁各截面的應(yīng)變迅速增加，表明其受力迅速增大；當(dāng)加載至130kN時(shí)，橫擔(dān)梁中部繼續(xù)外鼓變形，且發(fā)出清脆的撕裂響聲；拉索各截面應(yīng)變迅速增加，拉索整體繼續(xù)朝加載方向變形，位移變形很明顯。
(4)130～170kN階段：橫擔(dān)體系在該加載階段發(fā)出響亮的撕裂聲響，橫擔(dān)梁外鼓變形十分明顯，復(fù)合材料橫擔(dān)梁表面纏繞的纖維出現(xiàn)輕微凸起和斷裂、撕裂現(xiàn)象，且伴隨有撕裂聲。復(fù)合材料橫擔(dān)整體受力變形十分明顯。此時(shí)，試驗(yàn)荷載已到橫擔(dān)的富余度荷載（即4倍的最大設(shè)計(jì)荷載），試驗(yàn)?zāi)康囊堰_(dá)到，同時(shí)考慮到加載條件限制，結(jié)束試驗(yàn)。
4 復(fù)合材料橫擔(dān)試驗(yàn)結(jié)果分析
4.1復(fù)合材料橫擔(dān)荷載一位移曲線
B相復(fù)合材料橫擔(dān)體系荷載．位移曲線如圖8所示。由圖8可知，復(fù)合材料橫擔(dān)體系的承載力隨位移的增大而增大，且荷載與位移基本成線性變化，沒有出現(xiàn)突變或下降段，表明復(fù)合材料橫擔(dān)體系在整個(gè)加載階段基本處于彈性受力狀態(tài)。這主要是由于受限于試驗(yàn)加載條件，試驗(yàn)荷載沒有達(dá)到復(fù)合材料橫擔(dān)的極限承載力，但試驗(yàn)荷載已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際工程的最大設(shè)計(jì)荷載和富余度設(shè)計(jì)荷載，富余度系數(shù)為4.0，已達(dá)到了復(fù)合材料橫擔(dān)體系足尺試驗(yàn)的目的，滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。
此外，由于復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度很高，是一種脆性材料，故發(fā)生破壞時(shí)無明顯征兆，因此在復(fù)合材料達(dá)到其極限荷載時(shí)，其荷載與位移基本成線性變化，這與試驗(yàn)結(jié)果是相符的。
4.2橫擔(dān)梁及拉索荷載一應(yīng)變曲線
4.2.1橫擔(dān)梁荷載一應(yīng)變曲線
橫擔(dān)梁I的位置如圖4所示，橫擔(dān)梁I與拉索I位置在加載方向一側(cè)。橫擔(dān)梁I中鋼套管和復(fù)合材料典型截面的荷載-應(yīng)變曲線如圖9，10所示。
橫擔(dān)梁Ⅱ的位置如圖4所示，橫擔(dān)梁Ⅱ與拉索Ⅱ位置在加載方向另一側(cè)，橫擔(dān)梁Ⅱ中鋼套管和復(fù)合材料各截面處的荷載。應(yīng)變曲線如圖11，12所示。
由圖9～12可得出橫擔(dān)梁中鋼套管和復(fù)合材料的應(yīng)變變化規(guī)律具有如下特征：
(1)在整個(gè)加載過程中，橫擔(dān)梁中鋼套管應(yīng)變都很小，在加載端一側(cè)橫擔(dān)梁鋼套管的應(yīng)變要大于另一連接端一側(cè)鋼套管的應(yīng)變，表明加載端一側(cè)的鋼套管受力較大，但所有橫擔(dān)梁鋼套管的應(yīng)變均未超過500με，遠(yuǎn)未達(dá)到其屈服狀態(tài)，表明鋼套管在試驗(yàn)荷載作用下處于彈性階段，荷載和應(yīng)變成線性變化，處于良好的工作狀態(tài)。
(2)橫擔(dān)梁復(fù)合材料的應(yīng)變明顯大于鋼套管，說明橫擔(dān)梁在復(fù)合荷載作用下，復(fù)合材料為主要受力部位。在同一橫擔(dān)梁中，測點(diǎn)位置越靠近加載端，其應(yīng)變值越大，且同一截面上、下測點(diǎn)的應(yīng)變基本一致。橫擔(dān)梁I復(fù)合材料的最大應(yīng)變值超過了3 000με，明顯大于橫擔(dān)梁Ⅱ，說明橫擔(dān)梁I所受到的荷載大于橫擔(dān)梁Ⅱ，這一特點(diǎn)與橫擔(dān)梁I中部截面變形明顯大于橫擔(dān)梁Ⅱ的試驗(yàn)現(xiàn)象是一致的�？傮w上看，復(fù)合材料仍處于以彈性為主的工作狀態(tài)，其荷載與應(yīng)變基本成線性變化，未達(dá)到其塑性階段。
通過上述橫擔(dān)梁荷載．應(yīng)變曲線分析可知，鋼套管應(yīng)變值很小，處于彈性狀態(tài)，其應(yīng)變隨荷載的增大而增大；復(fù)合材料的應(yīng)變值較大，但仍近似處于彈性狀態(tài)，橫擔(dān)梁復(fù)合材料中同一截面上、下測點(diǎn)的應(yīng)變基本一致，呈對(duì)稱分布，且加載端處復(fù)合材料的應(yīng)變最大�？傮w來說復(fù)合材料橫擔(dān)梁的荷載與應(yīng)變基本成線性變化，表現(xiàn)出較好的受力性能。
4.2.2拉索荷載一應(yīng)變曲線
B相橫擔(dān)的拉索I的應(yīng)變布置位置如圖5所示，拉索I中鋼套管和復(fù)合材料各截面處的荷載一應(yīng)變曲線如圖13，14所示。
B相橫擔(dān)的拉索Ⅱ的應(yīng)變布置位置如圖5所示，拉索Ⅱ中鋼套管和復(fù)合材料各截面處的荷載，應(yīng)變曲線如圖15，16所示。
由圖13～16可得出拉索中鋼套管和復(fù)合材料的應(yīng)變變化規(guī)律具有如下特征：
(1)拉索鋼套管應(yīng)變值均小于1 000 με，未達(dá)到其屈服強(qiáng)度，即拉索鋼套管在整個(gè)加載過程中仍處于彈性狀態(tài)。同一拉索中，越靠近加載端，拉索的鋼套管應(yīng)變?cè)酱�，且在同一截面處鋼套管�?yīng)變基本一致。
(2)拉索復(fù)合材料的應(yīng)變與荷載基本成線性變化，在同一截面基本一致，且遠(yuǎn)大于鋼套管應(yīng)變。此外，拉索復(fù)合材料明顯大于橫擔(dān)梁復(fù)合材料的應(yīng)變，說明拉索在復(fù)雜荷載作用下應(yīng)變?cè)黾友杆伲瑧?yīng)力較大。此外，拉索Ⅱ上的應(yīng)變大于拉索I的，主要是由于橫擔(dān)受力后，拉索I在加載一側(cè)，而拉索Ⅱ處于另一側(cè)，故導(dǎo)致拉索Ⅱ受到的分力大于拉索I。在試驗(yàn)中，拉索的側(cè)向變形明顯大于橫擔(dān)梁的變形，較橫擔(dān)梁容易發(fā)生破壞，說明拉索的承載力決定了橫擔(dān)梁的極限承載力。
通過上述復(fù)合拉索荷載，應(yīng)變曲線分析可知，鋼套管和復(fù)合材料的應(yīng)變與荷載基本成線性變化，基本處于以彈性為主的工作狀態(tài)，受力狀態(tài)較好。但與橫擔(dān)梁相比，拉索復(fù)合材料在復(fù)雜荷載作用下的應(yīng)變很大，較復(fù)合材料橫擔(dān)梁容易發(fā)生破壞，因此，復(fù)合拉索的承載力決定了FRP復(fù)合材料橫擔(dān)體系的極限承載力。
5 結(jié)論
通過對(duì)B相復(fù)合材料橫擔(dān)進(jìn)行足尺試驗(yàn)，觀察其試驗(yàn)過程及現(xiàn)象，分析橫擔(dān)梁及拉索的應(yīng)變特征，進(jìn)而研究了復(fù)合材料橫擔(dān)受力性能特征，主要得到以下結(jié)論：
(1)在試驗(yàn)過程中，鋼套管與FRP復(fù)合材料之間未發(fā)生粘結(jié)破壞，兩者連接可靠，滿足承載力要求；復(fù)合材料受力后，復(fù)合材料之間出現(xiàn)輕微撕裂現(xiàn)象，但并未發(fā)生粘結(jié)滑移破壞。復(fù)合材料橫擔(dān)整體朝合力方向發(fā)生位移變形，橫擔(dān)梁中部外鼓變形，并伴有數(shù)次響聲；拉索受力后整體位移變形明顯。
(2)橫擔(dān)梁鋼套管應(yīng)變小于復(fù)合材料應(yīng)變，橫擔(dān)梁中部截面應(yīng)變最大；拉索復(fù)合材料的應(yīng)變大于其鋼套管的應(yīng)變，但遠(yuǎn)未達(dá)到其材料極限應(yīng)變；FRP復(fù)合材料桿件上、下測點(diǎn)應(yīng)變基本一致，說明試件的截面應(yīng)力一應(yīng)變分布較為均勻。
(3)拉索復(fù)合材料的應(yīng)變明顯大于橫擔(dān)梁的應(yīng)變，表明在鋼套管與復(fù)合材料粘結(jié)強(qiáng)度有保證的情況下，復(fù)合拉索容易發(fā)生破壞，復(fù)合拉索的承載力決定了復(fù)合材料橫擔(dān)體系的極限承載力。
(4)復(fù)合材料橫擔(dān)在最大設(shè)計(jì)荷載和富余度荷載作用下均近似為彈性受力狀態(tài)，其荷載富余度系數(shù)大于4.0，說明該復(fù)合材料橫擔(dān)能夠滿足工程設(shè)計(jì)實(shí)際要求。
