吳 雪朱洪民王 波金云東（.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 0008；.江蘇省送變電公司，江蘇 南京 008；.東南大學(xué)，江蘇 南京 0096）

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玄武巖纖維螺栓及其基本力學(xué)性能研究

吳 雪1朱洪民2王 波1金云東3
（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008；2.江蘇省送變電公司，江蘇 南京 210028；3.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096）

摘 要：本文針對(duì)輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)設(shè)施中大噸位塔基連接件加工運(yùn)輸困難等問(wèn)題，研究利用玄武巖纖維復(fù)合材料制備輕質(zhì)高強(qiáng)地腳螺栓，實(shí)現(xiàn)塔基高效的可靠連接。輸電塔基礎(chǔ)地腳螺栓主要承受了基礎(chǔ)上拔產(chǎn)生的拉力和風(fēng)載下的橫向剪力，對(duì)40mm玄武巖纖維螺桿進(jìn)行了抗拉承載力試驗(yàn)和純剪切試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：玄武巖纖維螺栓拉伸強(qiáng)度可達(dá)到720MPa以上，且試件拉伸強(qiáng)度較為接近，離散性較?。恍鋷r纖維螺栓剪切強(qiáng)度為231MPa，離散率1.56%。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維螺栓；抗拉承載力；抗剪承載力

地腳螺栓作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)、設(shè)備連接的重要工具，目前常用的地腳螺栓多采用鋼材制作，且由于輸電塔架多處于野外等較為復(fù)雜的環(huán)境中，存在混凝土中鋼筋銹蝕、螺栓上部握裹力及錨固可靠度不足、耐久性較低等情況。因?yàn)榈啬_螺栓埋在基礎(chǔ)中，上述情況發(fā)生在內(nèi)部，人們用肉眼難以看到內(nèi)部的錨固銹蝕的情況，因此地腳螺栓的腐蝕及錨固強(qiáng)度不足的情況往往沒(méi)有引起人們的重視。然而地腳螺栓通常埋置在混凝土構(gòu)件中，承受著介質(zhì)以及環(huán)境的雙重作用，其情況不容樂(lè)觀(guān)。利用玄武巖纖維筋的良好的耐酸堿鹽性能，使某些極端環(huán)境下的輸電塔基地腳螺栓獲得較高的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)輸電線(xiàn)路基礎(chǔ)設(shè)施中大噸位塔基連接件加工運(yùn)輸困難等問(wèn)題，研究利用玄武巖纖維復(fù)合材料制備輕質(zhì)高強(qiáng)地腳螺栓，實(shí)現(xiàn)塔基高效的可靠連接。

考慮到輸電塔基地腳螺栓主要承受拉力和剪力，因此對(duì)玄武巖纖維螺桿的抗拉、抗剪承載力進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試其性能，為玄武巖地腳螺栓的應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1　試件及拉伸裝置就位圖

圖2　玄武巖地腳螺栓錨固方式

圖3　剪切裝置

1.1 地腳螺栓抗拉承載力試驗(yàn)方案

地腳螺栓作為連接混凝土基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，其抗拉承載力是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。輸電線(xiàn)路鐵塔在風(fēng)載等水平力作用下的傾覆趨勢(shì)會(huì)對(duì)地腳螺栓產(chǎn)生上拔力，因此為保證玄武巖螺

1. 試驗(yàn)方案

栓在輸電線(xiàn)路鐵塔基礎(chǔ)中的應(yīng)用的安全性，需要對(duì)玄武巖地腳螺栓的抗拉承載力進(jìn)行測(cè)試。

玄武巖地腳螺栓具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，為了使其在輸電線(xiàn)路鐵塔基礎(chǔ)的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，本試驗(yàn)對(duì)3根40mm的玄武巖地腳螺栓進(jìn)行抗拉承載力測(cè)試。由于玄武巖纖維材料抗剪性能較弱的，無(wú)法采用夾片錨具直接對(duì)筋材進(jìn)行錨固，需要在玄武巖地腳螺栓的端部纏繞纖維布并浸潤(rùn)樹(shù)脂固化錨固。試件如圖1和圖2所示。

1.2 地腳螺栓抗剪承載力試驗(yàn)方案

在輸電線(xiàn)路鐵塔基礎(chǔ)中的地腳螺栓可能承受剪力作用，同時(shí)考慮到試驗(yàn)儀器的尺寸，因此本試驗(yàn)采用較小直徑的玄武巖地腳螺栓進(jìn)行純剪切試驗(yàn)，采用3點(diǎn)彎曲短梁試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)和理論評(píng)價(jià)玄武巖地腳螺栓抗剪承載力。

玄武巖地腳螺栓的純剪切試驗(yàn)主要依據(jù)美國(guó)規(guī)范ACI 440.3R-04，參照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T13686-92，采用橫向剪切試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)試玄武巖纖維剪切性能。

剪切裝置如圖3所示，試樣在剪切裝置中就位如圖4所示，通過(guò)裝置上、下刃的相對(duì)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)剪切。剪切裝置和試驗(yàn)機(jī)的連接如圖5所示。

試樣及裝置就位后即可開(kāi)始加載。加載速率應(yīng)使剪切面上剪應(yīng)力增速控制在△τ=30～60MPa/min，每個(gè)試樣加載時(shí)間控制在2～3min為宜，本試驗(yàn)取△τ=60MPa/min。記試樣名義橫截面積為A，則加載速率△P=2A×△τ。

試樣的剪切強(qiáng)度按式（1）計(jì)算：

式中：

τu=剪切強(qiáng)度，MPa；

Ps=最大破壞荷載，N；

A=試件橫截面積，mm2。

2. 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 地腳螺栓抗拉承載力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)采用40mmBFRP筋材，均獲得有效數(shù)據(jù)，各次試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　BFRP螺栓拉伸強(qiáng)度結(jié)果

圖4　試樣在剪切裝置中就位

圖5　剪切裝置與加載裝置連接

圖6　試樣剪斷面形態(tài)

由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知玄武巖地腳螺栓拉伸強(qiáng)度可達(dá)到720MPa以上，且3個(gè)試件拉伸強(qiáng)度較為接近，離散性較小，滿(mǎn)足地腳螺栓的拉伸強(qiáng)度要求。

2.2 地腳螺栓抗剪承載力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

因?yàn)槊扛嚰袃蓚€(gè)剪切面，剪斷面為被剪斷的剪切面，可以明顯地看到纖維撕裂的情況，即剪斷面有一部分凸起，另一部分較為平整或稍微凹陷，被剪斷的兩段試樣可以比較緊密地咬合拼接起來(lái)，如圖6所示。剪斷面上纖維撕裂的現(xiàn)象印證了在剪切面上不僅存在剪應(yīng)力，還作用有正應(yīng)力，剪切強(qiáng)度中應(yīng)有纖維的貢獻(xiàn)。

圖7　直徑對(duì)BFRP筋剪切強(qiáng)度的影響

表2　玄武巖地腳螺栓剪切強(qiáng)度

玄武巖地腳螺栓剪切強(qiáng)度為231MPa，離散率1.56%，見(jiàn)表2。其強(qiáng)度指標(biāo)與前期研究測(cè)得的小直徑BFRP筋材的剪切強(qiáng)度接近（如圖7所示），同時(shí)也證明了其剪切強(qiáng)度與直徑無(wú)關(guān)，與纖維復(fù)合材料基體強(qiáng)度關(guān)系不大，其強(qiáng)度主要由纖維強(qiáng)度決定，對(duì)于不同直徑的筋材其剪切強(qiáng)度基本可達(dá)到200MPa以上。該強(qiáng)度對(duì)于保證玄武巖地腳螺栓在混凝土結(jié)構(gòu)中作為螺栓抗剪具有重要作用。

結(jié)論

（1）本次試驗(yàn)測(cè)試了40mm玄武巖地腳螺栓的抗拉承載力，其平均值能達(dá)到720MPa，且離散率很低，可滿(mǎn)足普通鐵塔中地腳螺栓的抗拔要求，且玄武巖地腳螺栓輕質(zhì)高強(qiáng)，在山區(qū)和搶修工程中應(yīng)有很好的應(yīng)用前景。

（2）進(jìn)行了玄武巖地腳螺栓的抗剪試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖地腳螺栓的橫向抗剪強(qiáng)度能到達(dá)231MPa，結(jié)合之前不同直徑玄武巖筋橫向剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其剪切強(qiáng)度與直徑關(guān)系不大。對(duì)于不同的筋材直徑其剪切強(qiáng)度基本可達(dá)到200MPa以上，該強(qiáng)度對(duì)于保證玄武巖地腳螺栓在混凝土結(jié)構(gòu)中作為螺栓抗剪具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類(lèi)號(hào)：TQ327

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