馬輝， 劉云賀， 郭宏超， 王振山， 劉明放， 譚蓉

(1.西安理工大學 土木建筑工程學院，陜西 西安 710048； 2.陜西省電力設計院，陜西 西安 710054)

雙向荷載作用下FRP復合材料橫擔體系受力性能試驗研究

馬輝1， 劉云賀1， 郭宏超1， 王振山1， 劉明放2， 譚蓉2

(1.西安理工大學 土木建筑工程學院，陜西 西安 710048； 2.陜西省電力設計院，陜西 西安 710054)

為了解FRP復合材料橫擔在雙向掛線荷載作用下的力學性能，本文對其進行了模擬雙向荷載作用下的足尺試驗研究，觀察了復合橫擔試驗現(xiàn)象，分析了復合橫擔整體受力與位移關系曲線，并對橫擔梁和拉索的FRP復合材料及鋼套管的應變分布規(guī)律進行了深入分析。研究結果表明：復合橫擔體系在設計荷載作用下整體變形明顯，橫擔梁中部截面外鼓變形明顯，拉索側向位移較大；復合材料層間發(fā)生輕微撕裂現(xiàn)象，復合材料與鋼套管之間連接可靠，未發(fā)生粘結滑移破壞；荷載與位移之間基本呈線性變化，曲線沒有出現(xiàn)明顯的突變或拐點，復合橫擔基本處于彈性工作狀態(tài)，表現(xiàn)出較好的受力性能；橫擔梁復合材料應變大于其鋼套管應變，橫擔梁中部截面應變最大；拉索復合材料應變隨荷載的增大而迅速增大，且遠大于其鋼套管的應變；拉索受力大于橫擔梁，需對拉索采取一定的增強措施，以保證橫擔體系的整體受力要求。復合橫擔試驗荷載達到了工程設計要求。

橫擔； FRP復合材料； 雙向荷載； 受力性能； 輸電塔架

1 工程背景

本項目依托陜西省電力設計院330 kV輸電線路項目，該工程中線路復合桿塔塔頭部分(包括橫擔等)采用FRP復合材料，輸電塔腿、塔身及地線支架等均采用鋼結構，圖1為該輸電塔構架三維圖。圖2～圖3為橫擔體系節(jié)點區(qū)域連接方式，其中橫擔梁和拉索采用鋼套管式節(jié)點，采用膠接、螺栓及卸扣等混合連接方式，F(xiàn)RP復合材料與金屬件(鋼套管等)之間采用膠接，其余構件之間采用螺栓或卸扣連接。圖4為該330 kV輸電塔構架圖。針對復合橫擔特點，本文選擇具有兩個掛線端的B1相橫擔作為研究對象。

2 試驗概述

為了解B1相復合材料橫擔的力學性能，本文結合該橫擔的受力特征，對其進行雙向荷載作用下足尺試驗研究。依據(jù)該試驗，觀察分析B1相橫擔的試驗過程及試驗現(xiàn)象，重點分析該橫擔的荷載-位移關系曲線、橫擔梁及拉索各材料的應變分布規(guī)律等。在此基礎上，提出FRP復合材料橫擔相關設計建議，研究結論可為該復合材料橫擔的推廣應用提供技術參考。

2.1 復合材料橫擔試件

在實際工程中，B1相橫擔具有兩個掛線端，承受兩個相互垂直的荷載作用，如圖4所示，B1橫擔試件由江蘇神馬電力股份有限公司制作完成。該試件由一個橫擔梁和兩個拉索組裝而成，拉索與橫擔梁采用卸扣連接，其中橫擔梁和拉索直徑分別為200 mm、30 mm。橫擔體系在V4方向的高度為 2.0 m，T4方向的水平長度為 3.75 m；兩拉索間距為 1.8 m。采用 FRP 復合材料，其主要力學性能指標見表1。

2.2 確定試驗荷載

本次試驗荷載由實際工程設計荷載確定(見表2)。試驗荷載主要包括最大設計荷載和富余荷載，其中富余荷載按最大設計荷載的4倍考慮，即富余度系數(shù)為4.0。

考慮到B1橫擔在試驗中要保證兩個不同方向荷載同步加載較難實現(xiàn)，因此，為簡化試驗難度，本次試驗采用各向荷載的合力對橫擔試件進行加載，合力按分力合成原則得到，B1相橫擔的合力空間位置如圖5所示，其中加載合力與xoz平面(V4-L4平面)、zoy(V4-T4平面)、xoy平面 (T4-L4平面) 的夾角分別為0°、17°、73°。

2.3 橫擔試件連接及安裝

結合實際輸電塔架工程情況，將復合材料橫擔梁和拉索按設計連接方式組裝成為橫擔體系，然后通過連梁將其整體安裝在鋼架反力墻上。在橫擔試件安裝之前，根據(jù)試件幾何尺寸，預先加工橫擔試件與反力墻的連梁裝置，最終實現(xiàn)橫擔體系的試驗安裝。圖6為B1相復合橫擔足尺試驗現(xiàn)場安裝照片。

2.4 測試方案及加載制度

2.4.1 測試方案

圖7和圖8為橫擔梁和拉索中鋼套管和復合材料應變測點布置。橫擔梁兩端鋼套管中部對稱截面各布置2個應變片，在其FRP復合材料均勻對稱布置三道應變，共6個應變片。拉索的應變片布置方式與橫擔梁應變片布置方式相同，每個拉索的應變片共10個。橫擔梁和拉索的應變片均采用等間距布置，且在同一截面對稱布置兩個應變片，以測試該截面的應變分布規(guī)律。橫擔試件各個截面的應變數(shù)據(jù)均由TDS-303數(shù)據(jù)采集儀自動采集。

2.4.2 加載制度

由于本次試驗采用合力形式對橫擔試件進行試驗加載，根據(jù)合力的大小和方向對試驗加載方向進行定位，并采用4個定滑輪改變合力的傳遞方向，最終通過鋼絲水平連接到MTS電液伺服作動器上，從而實現(xiàn)加載，其中鋼絞線直徑為 24 mm，定滑輪的額定荷載為 30 t，鋼絲及定滑輪連接布置如圖 6 和圖 9 所示。為測量復合橫擔加載端的合力與位移變化情況，本次試驗在定滑輪與試件加載端的連接鋼絲之間布置50 t 拉壓力傳感器，并且在橫擔試件加載端的合力方向布置相應的位移計，鋼絲末端與MTS連接作動器，如圖 9 和圖 10 所示。

本試驗加載共分為兩個加載階段，第一階段為從開始加載至最大設計荷載，其最大值為12.53 kN；第二階段為從最大設計荷載加載至富余度荷載，其最大值約為50.11 kN，試驗荷載均由MTS電液伺服系統(tǒng)分級施加。結合上述試驗荷載加載要求，復合橫擔試件的加載制度大致如下：第一加載階段中，每級試驗荷載為最大設計荷載的10%；第二加載階段中，在80%富余度荷載之前，每級試驗荷載取設計富余度荷載的10%，之后每級試驗荷載取設計富余度荷載的5%，直至試驗結束。

3 復合橫擔體系試驗過程及現(xiàn)象

本次復合橫擔受力性能足尺試驗在西安理工大學結構實驗室進行。試驗加載之前，對試驗儀器進行校核，以保證其正常工作；同時對橫擔試件進行預先加載，使橫擔中各組成構件之間連接拉緊，以保證荷載的傳遞。加載后，采用近距離拍照、觀測及現(xiàn)場記錄等方法對試件的試驗過程及現(xiàn)象進行觀察分析，圖11為 B1相橫擔的試驗現(xiàn)象。

該試驗過程可大致敘述如下。

1) 加載初期，橫擔試件無明顯試驗現(xiàn)象，其各截面應變逐漸增大，但應變值很小，橫擔梁及拉索均處于彈性狀態(tài)，即應變與荷載之間呈線性變化規(guī)律；當荷載加載至 25 kN時，橫擔試件發(fā)出輕微的撕裂聲響，應變值增加較快，試件整體位移變形逐漸增大。

2) 當試驗荷載加載至 45 kN時，橫擔試件發(fā)生數(shù)次撕裂聲響，表明試件內(nèi)力增加，其應變值增大；橫擔梁復合材料中部截面略有外鼓，變形較為明顯，說明橫擔梁中部受力最大，這主要由于橫擔梁在荷載作用下主要處于受彎狀態(tài)，使得橫擔梁中部截面受力變形最大，從而導致中部截面產(chǎn)生外鼓現(xiàn)象。此外，拉索在荷載作用下基本處于軸向受力狀態(tài)，其各截面的應變隨荷載的增大而不斷增大，試件整體位移變形較為明顯。

3) 加載至約 55 kN時，橫擔試件發(fā)出數(shù)次清脆的撕裂聲響，橫擔梁中部外鼓變形明顯；橫擔梁的復合材料表面出現(xiàn)細微撕裂現(xiàn)象，此時橫擔梁各截面的應變迅速增加；拉索各截面應變隨荷載的增加迅速增加，試件整體位移變形很明顯。

4) 加載至約 65 kN時，橫擔試件仍伴隨有清脆的撕裂響聲，橫擔中部外鼓變形繼續(xù)增大，且現(xiàn)象十分明顯；復合材料面層撕裂現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生且伴隨有輕微撕裂聲；試件整體位移變形十分明顯。

5) 加載至約 75 kN時，橫擔整體位移變形進一步增大，橫擔梁中部截面變形十分明顯。此時，試驗荷載已到橫擔最大設計荷載和富裕度荷載，結束試驗。

4 橫擔試驗結果分析

4.1 橫擔荷載-位移曲線

圖12為B1相復合橫擔試件的荷載-位移關系曲線。由圖12可知，隨著位移的增加，橫擔試件的承載力逐漸增大，且試驗荷載與位移變形之間基本呈線性變化規(guī)律，曲線在試驗荷載加載范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的突變或拐點，表明 B1相復合橫擔試件在試驗荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的受力性能。試驗荷載大小已到達其最大設計荷載和富裕度設計荷載的要求，其富余度系數(shù)接近于6.0，大于該工程設計規(guī)定的富裕度系數(shù)4.0，達到了復合橫擔在雙向荷載作用下足尺試驗研究目的，該橫擔滿足實際工程需要，可應用于輸電塔架結構中。

4.2 橫擔梁及拉索荷載-應變曲線

4.2.1 橫擔梁荷載-應變曲線

橫擔梁中鋼套管和復合材料各典型截面的荷載-應變曲線如圖13和14所示。

由圖13～圖14可得出復合橫擔梁各典型截面應變變化具有如下特征。

1) 橫擔梁的鋼套管應變值很小，鋼套管最大應變值約為400 με，遠低于其屈服應變，且荷載與應變呈線性變化規(guī)律，說明鋼套管處于彈性受力階段。同時也表明，加載端處的橫擔梁鋼套管應變值大于另一端橫擔梁鋼套管的應變值，即加載端一側的鋼套管在雙向荷載作用下受力較大。

2) 測點位置越靠近橫擔梁加載端，則橫擔梁復合材料應變值越大。橫擔梁復合材料的最大應變值大于3000 με，明顯大于鋼套管的應變，表明橫擔梁復合材料在雙向荷載作用下為主要受力部位。在整個試驗加載過程中，橫擔梁復合材料仍處于以彈性受力為主，未進入其深度塑性階段。

由上述分析可知，鋼套管應變值較小，其應變隨荷載的增大而增大；復合材料的應變值較鋼套管大，復合材料同一截面上、下測點的應變基本一致，且加載端處復合材料應變最大。總體上看，橫擔梁處于彈性受力狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的受力性能。

4.2.2 拉索荷載-應變曲線

B1相橫擔中拉索I和拉索II的位置如圖8所示，拉索I中各典型截面的荷載-應變曲線如圖15和16所示。拉索II各典型截面的荷載-應變曲線如圖17和18所示。由圖15～圖18可知，復合橫擔體系中拉索的各典型截面應變分布具有如下特征。

1) 在雙向荷載作用下，在同一拉索構件中，越靠近試件加載端的鋼套管應變值越大，且在同一截面上、下測點鋼套管應變基本相同，分布較為均勻。兩個拉索的鋼套管應變值較小，其應變最大值約為600 με，遠未達到其屈服狀態(tài)，且應變與荷載之間近似呈線性變化，表明拉索鋼套管近似處于彈性受力狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的工作性能。

2) 每個拉索中部復合材料應變最大，越靠近兩端的復合材料應變越小，且同一截面上下測點應變值基本一致，表明截面應變分布均勻。拉索復合材料的應變值遠大于拉索鋼套管應變值，兩個拉索中復合材料最大應變值為 3 600 με，該值大于橫擔梁復合材料應變值，表明試件在雙向荷載作用下，拉索構件的受力大于橫擔梁。拉索復合材料應變與荷載近似呈正比例關系，即復合材料處于彈性工作狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的受力性能。此外，拉索II復合材料的應變大于拉索I，這主要是由于橫擔試件在雙向荷載作用下拉索II受力大于拉索I受力導致的?？傮w上看，與橫擔梁相比，拉索的側向變形較大，表明拉索在多向荷載作用下較橫擔梁容易發(fā)生破壞。

從上述分析可知，在雙向荷載作用下，橫擔梁和拉索近似呈彈性受力階段，表現(xiàn)出良好的工作狀態(tài)。滿足實際工程設計要求。此外，由于拉索受力最大，故須對其采取加強措施以提高橫擔體系的受力性能。

5 結 論

本文對 B1相復合材料橫擔體系進行了雙向荷載作用下足尺試驗研究，觀察其試驗過程及現(xiàn)象，分析復合橫擔梁及拉索的應變特征，研究復合橫擔體系的受力性能特征，得到以下主要結論。

1) 隨著位移的增加，復合橫擔的承載力逐漸增大，荷載與位移之間基本呈線性變化規(guī)律，試驗曲線沒有出現(xiàn)明顯的突變或拐點，表明 B1相復合橫擔在雙向荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)，表現(xiàn)出較好的受力性能。

2) 復合橫擔梁中部外鼓變形明顯，復合拉索側移變形較大。復合材料與鋼套管之間連接可靠，未出現(xiàn)粘結強度破壞，滿足荷載傳遞要求。FRP復合材料在雙向荷載作用下出現(xiàn)輕微撕裂現(xiàn)象，但復合材料層間未發(fā)生粘結滑移破壞，可共同抵制外荷載作用。

3) 復合橫擔梁以受彎狀態(tài)為主，橫擔梁中FRP復合材料應變遠大于鋼套管應變，橫擔梁中部截面應變最大，即該部位受力最大；拉索構件以受拉狀態(tài)為主，復合材料應變隨荷載的增大而迅速增大，且遠大于拉索鋼套管的應變。

4) 在雙向荷載作用下橫擔梁的應變明顯小于拉索，即拉索受力大于橫擔梁，故在實際工程設計中，需對拉索采取一定的增強措施，以保證復合橫擔體系的整體承載力。

5) 復合橫擔試驗荷載達到了工程最大設計荷載和富裕度荷載要求，富裕度系數(shù)約為6.0，大于該工程設計規(guī)定富裕度系數(shù)4.0，表明該復合橫擔能夠滿足實際工程設計要求，可應用于輸電塔架結構中。

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(責任編輯 王衛(wèi)勛)

Experimental research on mechanical properties of cross arm system using FRP composite material under two-way loads

MA Hui1, LIU Yunhe1, GUO Hongchao1, WANG Zhenshan1, LIU Mingfang2, TAN Rong2

(1.Faculty of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048，China;2.Shaanxi Electric Power Design Institute, Xi’an 710054，China)

In order to understand the mechanical properties of FRP composite cross arm under bidirectional hanged line load, the full scale experimental study of the FRP composite cross arm under two-way loads is performed. The experiment phenomenon of the composite cross arm is observed in detail. The resultant force-displacement curves and the strain distribution laws of composite material and steel casing in the cross arm beam and inhaul cables are also analyzed in depth. The results show that the overall deformation of cross arm system under the designed loading is very obvious. The middle cross-section’s deformation of the cross arm beam is larger than other parts in this test. Meanwhile, the lateral displacement of inhaul cables is also obvious. A slight avulsion phenomenon between the FRP material layers has been observed. And the bond-slip failure has not happened between the composite materials and the steel casing, which reveals that the connection area is reliable. The linear variation is obtained in the load and displacement curve and it does not appear to have obvious mutation or an inclined point in the curve, which shows that the composite cross arm is in elastic working state and shows a good mechanical performance under two-way loads. The strain values of composite materials is larger than that in the steel casing in the cross arm beam and the middle cross-section’s strain of the cross arm beam is the largest in all the strain values. In addition, the strain values of composite materials in the inhaul cables increase with an increase in magnitude of test loads, which is larger than the steel casting’ strain. According to the test, the load that the inhaul cable suffered is larger than that of the cross arm beam. Therefore, in order to ensure the bearing capacity of cross arm system, some strengthening measures should be adopted in the transmission tower. The test load of cross arm has met the requirements of engineering design and the research result has a great significance for the application of composite cross arm.

cross arm; FRP composite material; multi-way loading; mechanical properties; transmission tower

1006-4710(2015)02-0164-07

2014-10-09

國家自然科學基金資助項目(51408485);陜西電力設計院資助項目。

馬輝，男，講師，博士，研究方向為鋼與混凝土組合結構及再生混凝土結構。E-mail:mahuiwell@163.com。

TM753

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