E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料输电杆塔拉杆的疲劳性能试验

张平，龙玉成，孙清，王虎长，赵雪灵

(1.西安交通大学，西安市 710049;2.西北电力设计院，西安市 710075)

0 引言

随着电网建设的快速发展，出现了全国联网、西电东送、南北互供的建设格局，输电线路工程日益增多，对钢材的需求越来越大，消耗了大量的矿产资源和能源，在一定程度上加剧了生态环境破坏。并且，线路杆塔采用全钢制结构，存在质量大、施工运输和运行维护困难等问题。因此，采用新型环保材料取代钢材建造输电杆塔得到了输电行业的关注。

玻璃纤维增强树脂基复合材料(E-glass fiber/ epoxy reinforced polymer，E-GFRP)具有高强轻质、耐腐蚀、耐久性能和电绝缘性好、易维护、温度适应性强、性能可设计、环境友好等特点，成为输电杆塔结构理想的材料［1-5］，日益受到国内外电力行业的关注。目前，纤维增强复合材料(fiber reinforced ploymer，FRP)输电杆塔由于其优良的综合性能已在日本和欧美地区得到应用，其中美国的研究开发和应用较为成熟［6-8］，已制定了相关的产业标准，美国土木工程师学会已制定了输电杆塔中FRP产品的应用标准。近年来，随着FRP技术的飞速发展和传统输电杆塔缺陷的逐步显露，我国电力行业开始重视对FRP杆塔的应用研究，部分单位和学者对此进行了研究［9-11］。

在输电杆塔中推广应用复合材料不仅能减少对矿产资源的破坏、保护环境，而且易于解决输电线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平;同时减小塔头尺寸，降低线路的维护成本。但应用复合材料的输电线路跨越距离长、塔体结构高、整体结构柔性强，兼有塔状高耸结构和大跨度结构的共同特点，对风、雨和冻雨等环境荷载反映敏感。在风载长期作用下输电杆塔易产生振动，这种持续反复振动会引起杆塔结构或节点连接处的疲劳，导致杆塔结构破坏，引起倒塌事故［12-13］。为保证输电杆塔能够长期正常工作，需要研究复合材料构件的疲劳特性［14-15］。

本文依托±660 kV银川东换流站—红柳沟接地极线路工程，进行了E-GFRP杆塔拉杆的疲劳性试验研究。针对输电杆塔用GFRP构件的疲劳性能分析，采用升降法测定拉杆试件条件疲劳荷载，分析了试件的条件疲劳荷载和疲劳位移，为GFRP输电杆塔的工程应用提供依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

疲劳试验的拉杆材料为E-GFRP，采用的玻璃钢纤维型号为9600TEX，环氧树脂为特种环氧树脂，具有良好的耐热、耐老化和电绝缘性能。

1.2 试件设计

疲劳试验使用的拉杆试件(编号FLG)是从节点上取下的拉杆，共计8个;未经过疲劳处理的拉杆试件(编号LG)4个，拉杆材料材性试件(编号LL)8个。拉杆试件型式见图1，试件尺寸见表1，试件见图2。

1.3 试验方案

试验采用升降法测定试件条件疲劳极限荷载，其加载频率为1 Hz，额定循环次数为105次，应力循环对称系数为0.1。试验过程中记录各试件施加的荷载大小及试验结果、试件破坏时的加载次数以及试件加载过程中的最大和最小位移量。

1.3.1 试验设备

本次试验采用MTS810±250疲劳试验机，如图3所示。该试验机共有4个档位:250、150、100、50 kN，最大可进行250 kN的疲劳试验。

图3 MTS810±250疲劳试验机Fig.3MTS810±250 fatigue testing machine

1.3.2 加载方式

(1)试件1:第1次加载峰值50 kN，循环加载105次。

(2)试件2:如果试件1破坏，则荷载峰值在试件1荷载峰值的基础上减小25 kN;如果试件1未破坏，则荷载峰值在试件1荷载峰值的基础上增加50 kN;循环加载105次。

(3)试件3:如果试件2破坏，则荷载峰值在试件2荷载峰值的基础上减小12.5 kN;如果试件2未破坏，则荷载峰值在试件2荷载峰值的基础上增加12.5 kN;循环加载105次。

(4)试件4:如果试件3破坏，则荷载峰值在试件3荷载峰值的基础上减小12.5 kN;如果试件3未破坏，则荷载峰值在试件3荷载峰值的基础上增加12.5 kN;循环加载105次。

(5)试件5:如果试件4破坏，则荷载峰值在试件4荷载峰值的基础上减小12.5 kN;如果试件4未破坏，则荷载峰值在试件4荷载峰值的基础上增加12.5 kN;循环加载105次。

试件6～8的加载方法同试件5，疲劳加载情况见图4。

2 试验结果与分析

2.1 拉杆材料试件LL和拉杆试件LG

取8个拉杆材料平均拉伸强度的平均值，可得拉杆材料试件LL的平均拉伸强度为769.28 MPa，计算得试件最大承载力约292.28 kN，其破坏形态见图5。拉杆试件LG破坏的原因为拉杆与夹具的粘结破坏。当加载到试件的极限荷载后，拉杆与钢套管突然拉

2.4 疲劳试件位移分析

试验过程中采集到的部分位移数值见表3。

表3 疲劳试验位移Tab.3Displacement of fatigue test

从表3可以看出:

(1)试件疲劳试验过程中位移幅值为3.8～4.9 mm。

(2)位移幅值随加载次数增加而增加。

3 结论

(1)在105次循环荷载作用下，试件疲劳极限应力为246.75 MPa，对应极限荷载为93.75 kN。

(2)试件位移幅值随加载次数的增加而增加，各试件疲劳试验过程中位移幅值为3.8～4.9 mm。

(3)由于试件连接处强度小于复合材料本身强度，试件疲劳破坏均为连接处破坏，设计时应重点考虑连接处强度是否满足疲劳要求。

［1］车剑飞，黄清霞，杨娟.复合材料及其应用［M］.北京:机械出版社，2006.

［2］Jia J H，Thomas E B，Charles E B.Durability evaluation of glass fiber reinforced-polymer-concretebondedinterfaces［J］.Journalof Composites for Construction，2005，9(4):348-359.

［3］Brahim B，Peng W，Tan M T.Durability of glass fiber-reinforced polymer reinforcing bars in concrete environment［J］.Journal of Composites for Construction，2002，6(3):143-153.

［4］Antonella C，Roberto D M.Glass fiber reinforced polymer pultruded members:constitutive model and stability analysis［J］.Journal of Engineering Mechanics，2004，130(8):961-970.

［5］Shahi A，West J S，Pandey M D.Strengthening of gulfport 230 kV wooden transmission structures with glass-fiber-reinforced polymer wrap［J］.Journal of Composites for Construction，2011，15(3): 364-373.

［6］Richard S.Pultruded poles carry power［J］.Reinforced Plastic，2003 (1):20-24.

［7］Sherif I，Dimos P，Sherif K H.Development of glass fiber reinforced plastic poles for transmission and distribution lines［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2000，27(5):850-858.

［8］陈博.意大利玻璃钢工业技术考察报告［J］.玻璃钢，1996(2): 36-42.

［9］孙仲齐，陈关甫，黄李烟.采用新模式复合杆塔解决输电系统闪络跳闸问题［J］.电网与清洁能源，2008，24(4):23-26.

［10］夏开全.复合材料在输电杆塔中的研究与应用［J］.高科技纤维及应用，2005，30(5):19-23.

［11］张磊，孙清，赵雪灵，等.纤维增强树脂基复合材料输电杆塔材料选型［J］.电力建设，2011，32(2):1-5.

［12］李杨，白海峰.架空输电线路环境荷载响应与设计理论得研究［J］.电力建设，2008，29(9):38-41.

［13］杨靖波.输电线路钢管塔微风振动及其对结构安全性的影响［J］.电力建设，2008，29(2):11-14.

［14］邓京兰，王继辉，郭月琴.复合材料层板疲劳损伤寿命的预测［J］.武汉工业大学学报，1997，19(3):142-145.

［15］沈军，谢怀勤.航空用复合材料的研究与应用进展［J］.玻璃钢/复合材料，2006(5):48-54.

(编辑:张磊)