張平,龍玉成,孫清,王虎長,趙雪靈
(1.西安交通大學(xué),西安市 710049;2.西北電力設(shè)計(jì)院,西安市 710075)
隨著電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展,出現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)、西電東送、南北互供的建設(shè)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(chǎn)資源和能源,在一定程度上加劇了生態(tài)環(huán)境破壞。并且,線路桿塔采用全鋼制結(jié)構(gòu),存在質(zhì)量大、施工運(yùn)輸和運(yùn)行維護(hù)困難等問題。因此,采用新型環(huán)保材料取代鋼材建造輸電桿塔得到了輸電行業(yè)的關(guān)注。
玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(E-glass fiber/ epoxy reinforced polymer,E-GFRP)具有高強(qiáng)輕質(zhì)、耐腐蝕、耐久性能和電絕緣性好、易維護(hù)、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、性能可設(shè)計(jì)、環(huán)境友好等特點(diǎn),成為輸電桿塔結(jié)構(gòu)理想的材料[1-5],日益受到國內(nèi)外電力行業(yè)的關(guān)注。目前,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced ploymer,F(xiàn)RP)輸電桿塔由于其優(yōu)良的綜合性能已在日本和歐美地區(qū)得到應(yīng)用,其中美國的研究開發(fā)和應(yīng)用較為成熟[6-8],已制定了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),美國土木工程師學(xué)會已制定了輸電桿塔中FRP產(chǎn)品的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。近年來,隨著FRP技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)輸電桿塔缺陷的逐步顯露,我國電力行業(yè)開始重視對FRP桿塔的應(yīng)用研究,部分單位和學(xué)者對此進(jìn)行了研究[9-11]。
在輸電桿塔中推廣應(yīng)用復(fù)合材料不僅能減少對礦產(chǎn)資源的破壞、保護(hù)環(huán)境,而且易于解決輸電線路的風(fēng)偏和污閃事故,提高線路安全運(yùn)行水平;同時減小塔頭尺寸,降低線路的維護(hù)成本。但應(yīng)用復(fù)合材料的輸電線路跨越距離長、塔體結(jié)構(gòu)高、整體結(jié)構(gòu)柔性強(qiáng),兼有塔狀高聳結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn),對風(fēng)、雨和凍雨等環(huán)境荷載反映敏感。在風(fēng)載長期作用下輸電桿塔易產(chǎn)生振動,這種持續(xù)反復(fù)振動會引起桿塔結(jié)構(gòu)或節(jié)點(diǎn)連接處的疲勞,導(dǎo)致桿塔結(jié)構(gòu)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(fù)合材料構(gòu)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(jìn)行了E-GFRP桿塔拉桿的疲勞性試驗(yàn)研究。針對輸電桿塔用GFRP構(gòu)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(yīng)用提供依據(jù)。
疲勞試驗(yàn)的拉桿材料為E-GFRP,采用的玻璃鋼纖維型號為9600TEX,環(huán)氧樹脂為特種環(huán)氧樹脂,具有良好的耐熱、耐老化和電絕緣性能。
疲勞試驗(yàn)使用的拉桿試件(編號FLG)是從節(jié)點(diǎn)上取下的拉桿,共計(jì)8個;未經(jīng)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。
試驗(yàn)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(huán)次數(shù)為105次,應(yīng)力循環(huán)對稱系數(shù)為0.1。試驗(yàn)過程中記錄各試件施加的荷載大小及試驗(yàn)結(jié)果、試件破壞時的加載次數(shù)以及試件加載過程中的最大和最小位移量。
1.3.1 試驗(yàn)設(shè)備
本次試驗(yàn)采用MTS810±250疲勞試驗(yàn)機(jī),如圖3所示。該試驗(yàn)機(jī)共有4個檔位:250、150、100、50 kN,最大可進(jìn)行250 kN的疲勞試驗(yàn)。
圖3 MTS810±250疲勞試驗(yàn)機(jī)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(huán)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(chǔ)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(chǔ)上增加50 kN;循環(huán)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(chǔ)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(chǔ)上增加12.5 kN;循環(huán)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(chǔ)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(chǔ)上增加12.5 kN;循環(huán)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(chǔ)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(chǔ)上增加12.5 kN;循環(huán)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。
取8個拉桿材料平均拉伸強(qiáng)度的平均值,可得拉桿材料試件LL的平均拉伸強(qiáng)度為769.28 MPa,計(jì)算得試件最大承載力約292.28 kN,其破壞形態(tài)見圖5。拉桿試件LG破壞的原因?yàn)槔瓧U與夾具的粘結(jié)破壞。當(dāng)加載到試件的極限荷載后,拉桿與鋼套管突然拉
試驗(yàn)過程中采集到的部分位移數(shù)值見表3。
表3 疲勞試驗(yàn)位移Tab.3Displacement of fatigue test
從表3可以看出:
(1)試件疲勞試驗(yàn)過程中位移幅值為3.8~4.9 mm。
(2)位移幅值隨加載次數(shù)增加而增加。
(1)在105次循環(huán)荷載作用下,試件疲勞極限應(yīng)力為246.75 MPa,對應(yīng)極限荷載為93.75 kN。
(2)試件位移幅值隨加載次數(shù)的增加而增加,各試件疲勞試驗(yàn)過程中位移幅值為3.8~4.9 mm。
(3)由于試件連接處強(qiáng)度小于復(fù)合材料本身強(qiáng)度,試件疲勞破壞均為連接處破壞,設(shè)計(jì)時應(yīng)重點(diǎn)考慮連接處強(qiáng)度是否滿足疲勞要求。
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(編輯:張磊)