玻璃纤维复合材料构件抗压性能研究

胡东晋， 王振山， 刘云贺， 王乾峰

(西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048)

玻璃纤维复合材料构件抗压性能研究

胡东晋， 王振山， 刘云贺， 王乾峰

(西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048)

玻璃纤维复合材料已被广泛应用于输电杆塔结构，但决定其性能和质量的因素复杂，目前缺乏相关结构性能的研究，给玻璃纤维复合材料的工程应用带来一定的影响。本文通过玻璃纤维复合材料与钢套管组合构件的轴心抗压试验，研究了玻璃纤维复合材料构件轴心抗压力学性能和破坏模式；基于正交各向异性材料强度理论，采用有限元方法分析了偏心率和径厚比对玻璃纤维复合材料构件的影响。结果表明：轴压破坏时，玻璃纤维复合材料构件发生脆性断裂，破坏形式为GFRP管节点处斜向断裂，其最大应力小于材料的抗压强度，在工程设计中应考虑折减；钢套管始终处于弹性应力状态。偏心受压时，构件的极限承载力随偏心率的增大而减小，减小幅度逐渐降低； 减小径厚比能提高构件极限承载力，径厚比减小20%，极限承载力增大20%。

玻璃纤维复合材料；有限元；偏心率；径厚比

随着我国智能电网的建设以及同塔多回线路、特高压线路等输电新技术的应用，输电杆塔的高度不断增加，荷载不断增大，输电走廊不断扩张[1]。传统的输电铁塔在强度等级、防腐耐污性能和电绝缘性能等方面都无法适应新的要求，正逐渐被环保、高强的新型材料取代[2]。玻璃纤维复合材料(GFRP)具有轻质高强、经济环保、绝缘性能好等优点[3]，是建设绿色电网的理想材料，拥有巨大的市场前景。开展相关的研究具有重要的理论和工程应用价值。国内外学者对GFRP材料性能及其破坏机理开展了具体的研究[4-12]。GFRP通常由各不相同的组分构成，存在各向异性，并存在明显的相界面，其性能是复合材料中各组分性能的综合体现，因此决定复合材料性能和质量的因素十分复杂。目前，关于玻璃纤维复合材料构件受力性能的研究成果较少，由于缺乏试验研究，给GFRP的工程应用带来一定的影响。

本文对玻璃纤维复合材料构件进行了轴心抗压性能试验，探讨了其力学性能和破坏模式，并采用数值模拟方法，分析了偏心率和径厚比等因素对玻璃纤维复合材料构件承载力的影响，为玻璃纤维复合材料在输电杆塔结构中的工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 构件设计

构件由GFRP管和钢套管组成，具体尺寸见图1，钢套管采用Q345B钢材，GFRP管采用湿法缠绕技术加工，其抗压强度为400 MPa。

1.2 加载装置及测点布置

[5]张磊，孙清，王虎长，等. E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究[J]. 电力建设，2010，31(9)：118-121.

采用5 000 kN长柱试验机对Φ200×10构件进行3组轴压试验，如图2所示，在构件端部设计加载端使构件受力均匀。采用TDS-630数据采集仪与扩展箱采集试验数据，测点布置见图2，构件共布置18个应变片(钢套管编号11～18，GFRP管编号21～30)，6个位移计。

1.3 加载方案

预加载分三级进行，每级加载取标准荷载的20%，使构件各部分接触良好，荷载与变形关系趋于稳定。

其中，i表示政策颁布的年份，y表示该年的第y项政策，N表示该年颁布的所有政策数量。PE表示一项政策的效力（Policy effectiveness），TPEi表示第i年的政策总效力，APEi表示第i年的年平均政策效力，pgy、pmy和pey分别代表该年第y项政策的政策目标（Policy goals）、政策措施（Policy means）和政策力度（Policy effects）的得分情况（蒋园园和杨秀云，2018［27］）。

1.4 试验结果

加载至1 000 kN前构件无明显变化，随荷载的增大，构件轴向变形不断增大，伴随数次纤维断裂声响；加载至1 700 kN前，构件无声响，无明显位移突变；加载至1 700 kN时，突然发出一声巨响，构件破坏。

在本小节中，我们通过具体的实验，将普通的纹理贴图、法线贴图和视差贴图三者的绘制效果进行对比来体现视差贴图的特点。

1) 在GFRP构件的轴压试验中，构件的荷载与位移呈线性关系，强度破坏前无明显征兆，属脆性破坏；钢套管始终处于弹性阶段。构件破坏时的最大应力小于GFRP的抗压强度，表明玻璃纤维复合材料用于套管构件时，其力学性能低于GFRP材性试验结果，在构件设计中应对其折减。

4) 径厚比越小，偏心率对构件承载力的影响越大，对径厚比不同的构件应考虑不同的偏心率影响系数。

根据试验测得的极限荷载和各测点的变形情况，选择具有代表性的测点进行受力分析，构件的荷载-位移曲线见图4，钢套管应力-应变曲线(选择距钢套管内侧边缘2 cm轴向应变)见图5。

①确定系统的参考数列和比较数列。反映系统行为特征的数据序列，称为参考数列。由影响系统因素组成的数据序列，称为比较数列。

由图4可知，构件的荷载位移呈线性关系，构件的极限承载力平均值为1 616.67 kN，破坏位移14.17 mm，最大应力为274.50 MPa，小于材性试验测得的GFRP抗压强度400 MPa。因此在轴压作用时，构件承载能力低于材性试验结果，建议工程设计时考虑承载力折减。

GFRP管的上端截面应力应变呈线性关系，符合线弹性模型。由于钢套管的应力应变基本呈线性关系(见图5)，表明钢材始终处于弹性状态，其最大应力78.6 MPa，远未达到屈服强度，因此构件极限承载力按GFRP管取值。

2 有限元验证分析

2.1 模型的建立

利用有限元软件对玻璃纤维复合材料构件抗压性能试验进行数值模拟。

GFRP采用线弹性模型和最大应变强度准则，充分考虑了复合材料的横观各向同性，其材性指标取轴压试验结果，沿主轴方向的材料弹性常数为：E1=E2=10 GPa，E3=18 GPa，μ=0.25，G=6 GPa。Q345B钢套管采用双线性等向强化模型，屈服强度310 MPa，弹性模量206 GPa。钢套管与GFRP管的连接采用面面接触关系模拟，定义了法向行为和切向行为。

GFRP管和钢套管均采用 8节点缩减积分格式的三维实体单元 C3D8R，并通过结构优化网格划分技术进行网格划分，钢套管共计18 704个单元，GFRP管39 336 个单元，网格划分结果见图6。

边界条件参照试验情况，一端铰支(放松各向转角变形)，另一端放松z向(纵向)位移约束，其余自由度约束。在构件上端施加z向轴心压力，采用位移控制等幅加载直至破坏，位移增量0.001。根据试验结果，当应变达到0.016，构件发生破坏。试验模拟结果见图7、图8。

2.2 试验模型验证

“强国必先强教，强教必先强师”。只有教师的思想政治素质过硬、教师的职业道德水平够高，才能成为先进思想文化的传播者、引导者、践行者，才能把思想政治教育贯穿教书育人全过程。当前，学校仍是学生学习思政的重要场所，教师更是学生思政教育的主导力量。教师的能力如何、素质如何、态度如何等都直接影响到学生思政教育的效果。学校要善于转变思维，开拓思路，提高教师思政教育的能力和素质。

对比试验结果与数值模拟结果(见表1)发现，随着荷载的增加，构件端部位移逐渐增大，荷载位移呈线性关系，试验值与模拟值吻合较好。构件极限承载力的试验值小于模拟值，误差10.91%，这是由于数值模拟未考虑初始缺陷引起的。

构件破坏位置和变形特征与试验结果基本相符。分析图7、图8发现，GFRP管应力、应变分布由GFRP管外边缘向GFRP管与钢套管交界处逐渐增大，管身应变分布比较均匀。在钢套管和GFRP管交界处应力集中，应变值最大，当达到极限荷载时，构件在此处发生强度破坏，与试验破坏位置相同。

由图9可知，GFRP管上端的应力应变呈线性关系，符合线弹性模型，试验曲线在模拟曲线附近波动，误差较小。GFRP管跨中和下端应变与上端基本一致。数值模拟结果小于试验结果是由于试验中两端为固结，但压力机盖板有一定的转动能力，边界条件对结果有一定影响。

钢套管的应力应变也呈线性关系，钢套管应变分布由端板向构件中部逐渐减小，最大应力82.4 MPa，远未达到屈服强度，表明钢材始终处于弹性状态，与试验结果相差16.87%。

高中是我国教育体系中的重要组成部分，高中数学课堂教学情况已经引起了教育部门的高度重视。近几年，新课程教育体制改革与素质教育已经成为高中教育行业的热门名词，传统教学方法已经不适用于现代高中教育的发展。因此，教师在教授高中数学时，可以有效运用互动教学，加强师生间的互动沟通，促进学生间的合作探讨，提供充足的互动机会和丰富的互动方法。让学生在融洽和谐的学习氛围中分享交流、互动沟通，促进高中数学教学质量的提升。

构件的承载能力、破坏位置和变形特征与试验结果相符，证明了有限元模型的正确性和有效性，可以在此基础上进行参数分析。

3 参数分析

在实际工程中，由于玻璃纤维复合材料构件存在安装偏差等问题，构件经常遭受偏心荷载作用[13]；而且在工程设计时需要选用多种截面形式的构件。本次试验未能全面考虑偏心率和径厚比对构件抗压性能的影响，因此有必要对偏心荷载作用下不同径厚比的构件进行数值模拟，以供工程参考。

法律制度是每个国家根据各国的经济文化与历史因素为背景制定的。全球的法律体系大致分为两类：英美法系与大陆法系。英美法系一般不通过立法做出具体会计规定，更多注重的是公允性与真实性，强调向社会大众反映真实的公司财务状况，其会计准则拥有更多的创造性，适应性与灵活性。相比大陆法系(中国，德国)，将会计准则纳入国家法律体系之中，涵盖方方面面的具体规则，更多地注重会计准则的合法性与准确性，灵活程度与市场适应能力也将会受到一定限制。

对照组选择阿斯利康制药有限公司制造的倍他乐克 琥珀酸美托洛尔缓释片(批准文号:国药准字J20150044),按照每天3次,每次25毫克进行口服治疗。联合组在对照组基础上选择山东步长制药股份有限公司生产的稳心颗粒(批准文号:国药准字Z10950026),按照每天3次,每次9克以温开水进行冲服。联合组及对照组均持续用药2个月。

共设计了三种径厚比不同的构件进行数值模拟，对每种构件分别施加六种不同偏心距的荷载进行对比。构件尺寸见表2(构件编号P10-0代表Φ200×10的轴压构件，P10-0.025代表Φ200×10偏心率为0.025的构件，以此类推)。

数值模拟结果见图10(以Φ200×10的构件为例)。通过对试验历程的模拟发现，偏心荷载作用下，构件受轴力和弯矩共同作用，产生轴向缩短和侧向弯曲变形。随荷载的增大，构件弯曲曲率和侧向变形逐渐增大，截面的偏心和弯矩不断变化。GFRP的最小应变范围从端板连接处向受拉区延伸，最大应变出现在GFRP管的受压侧与钢套管交界处。

作为教育事业的推动者，任何一个成功的教育举措都饱含着无数教师的积极努力。近些年，随着教师专业化的发展，教师身份研究成为一个独立的研究领域，并日益作为教师专业发展的一个研究视角进入研究者的视线。这一领域的发现，标志着教师研究范式的一大转变，即不再将教师看成是知识、技能的持有者，转而探索教师如何看待自己的角色身份，如何赋予其教育实践以意义，以及如何规划其职业发展，简言之重视个体教师在教学实践中的情感、承诺和勇气等因素。笔者在此对近十年内外教师专业研究做一个简要的文献述评，以期探究其中的研究新展与研究发现，从而寻求对我国教师专业发展的启示。

表3和图11给出了不同偏心率下Φ200×10构件的极限承载力和荷载-位移曲线。构件的荷载位移呈线性关系，随着偏心率的增大，构件的刚度和极限承载力减小，减小幅度逐渐降低，构件的极限位移也逐渐减小。偏心率为0.025时，构件极限承载力降低10%，偏心率对构件承载力影响显著，设计时应考虑相应的承载力折减系数。GFRP构件在安装时应严格对中，对中误差应控制在3%以内。

3.2 径厚比影响

房价问题已经成为困扰中国经济发展的重大问题，已经影响到了经济发展的各个方面。房价的持续高涨也引起了政府部门的高度重视，出台了一系列调控措施，虽然短时间内有一定的成效，但是房价依然居高不下。由于住房兼有居住和投资双重属性，与基本宏观经济环境有着密切的联系，合理的房价上涨应该以宏观经济的发展为基础。因此，短期的房价调控政策不仅无法实现房价的合理回归，也不利于建立促进房地产市场平稳健康发展的长效机制。

对表2给出的3种截面形式的构件进行对比分析，构件的应力应变云图见图12、图13。构件的破坏形式与试验相同，均为GFRP管端部剪切破坏。

图14表示不同径厚比构件的荷载位移关系，当荷载偏心率、GFRP管外径等因素相同时，GFRP 管径厚比减小，极限承载力提高，当径厚比减小20%，相应极限承载力增大20%。因此在输电杆塔结构设计时，应选择合理的截面尺寸，满足承载能力的要求。

图15给出了不同径厚比的构件在不同偏心率荷载下的极限承载力关系。随着径厚比的减小，曲线的曲率逐渐增大，表明构件径厚比越小，偏心率对构件承载力的影响越大，构件越容易发生破坏。因此，在工程设计时，对于不同径厚比的试件，应当考虑不同的偏心率影响系数。

4 结 论

构件破坏形式为距钢套管与GFRP管交界面2 cm处，GFRP管斜向剪切断裂。构件破坏前无明显征兆，属脆性破坏。构件破坏情况见图3。

2) GFRP构件的数值模拟表明，偏心受压构件的极限承载力随偏心率的增大而减小，减小幅度逐渐降低，建议偏心率不宜大于0.025。

正式加载采用荷载控制。按50 kN/min载荷速率加载，至1 000 kN后按30 kN/min加载，达到1 300 kN后(极限荷载理论值的80%)改为10 kN/min继续加载，直至破坏。

3) 对截面径厚比的分析表明，减小径厚比能提高构件极限承载力，径厚比减小20%，极限承载力增大20%。

（3）工匠精神与高校党建思政研究工作融合的发展方向是改革创新、与时俱进。理论创新的基础上是中国经济社会改革和发展中的特色、亮点和成果。反之，理论创新又不断推动社会改革的深化和发展。理论研究是为了发现未知、探索未来，必须坚持解放思想，开展创新性研究，体现理论的探索性和创新性。在党建和思想政治理论研究中，要大力弘扬求真务实精神，树立强烈的问题意识和创新意识，不断研究新问题、探索新情况、总结新经验、进行新概括，积极回答高校附属医院工作实践中迫切需要解决的重大问题,不断丰富和完善党建理论。

由于GFRP纵向强度为横向强度的8倍以上，横纵力学性能差异较大，在轴向压力的作用下，钢套管对GFRP管的横向变形具有一定的横向约束作用，导致GFRP管斜向剪切断裂。

[1]刘振亚，张启平. 国家电网发展模式研究[J]. 中国电机工程学报，2013，33(7):1-10，25.

Liu Zhenya，Zhang Qiping.Study on the development mode of national power grid of China[J]. Journal of Chinese Electrical Engineering Science，2013，33(7): 1-10，25.

[2]李茂华，杨靖波，刘思远. 输电杆塔结构用材料最新进展[J].武汉大学学报：工学版，2011，44(S1)：191-195.

Li Maohua，Yang Jingbo，Liu Siyuan.Development of structural steel materials for transmission tower[J]. Engineering Journal of Wuhan University，2011，44(S1): 191-195.

[3]倪礼忠，周权著. 高性能树脂基复合材料[M]. 上海：华东理工大学出版社，2010.

[4]师俊平，刘协会，肖华. 复合材料扁壳的层间应力分析[J]. 西安理工大学学报，2001，17(2)：127-132.

Shi Junping, Liu Xiehui，Xiao Hua.An analysis of interlaminar stresses in composite partial shell[J].Journal of Xi’an University of Technology，2001，17(2)：127-132.

微藻油脂含量测定：取适量藻液稀释，调节使体系OD680=0.1。然后取1.5 mL稀释藻液，加入480 μL DMSO，20 μL 150 μg/mL 尼罗红染液，混匀后于 45 ℃水浴3 min，以480 nm为激发波长，580 nm为吸收波长测定荧光值。由标准曲线计算得到油脂含量。油脂百分比及油脂产量计算公式如下：

Zhang Lei，Sun Qing，Wang Huchang，et al. Experimental study on the mechanical properties of E-glass fiber/epoxy[J]. Electric Power Construction，2010，31(9)：118-121.

[6]吴斌峰，孙清，李亮，等. E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料剪切性能[J]. 电力建设，2014，35(11):79-84.

3.1 偏心率影响

Wu Binfeng，Sun Qing，Li Liang，et al.Shear property of E-Glass fiber reinforced polymer[J]. Electric Power Construction，2014，35(11):79-84.

[7]张平，龙玉成，孙清，等. 输电杆塔玻璃钢纤维增强复合材料抗老化性试验研究[J]. 电力建设，2012，33(9)：67-71.

Zhang Ping，Long Yucheng，Sun Qing，et al. Experimental study on ageing resistance of glass fiber reinforced polymer in transmission tower[J]. Electric Power Construction，2012，33(9)：67-71.

[8]张平，龙玉成，孙清，等. 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[J]. 电力建设，2012，33(8)：88-91.

Zhang Ping，Long Yucheng，Sun Qing，et al. Experimental study of fatigue performance of E-glass fiber /epoxy reinforced polymer in transmission tower bars[J]. Electric Power Construction，2012，33(8)：88-91.

[9]钱鹏，冯鹏，叶列平.GFRP管轴心受压性能的试验研究[J].天津大学学报，2007，40(1)：19-23.

施工单位在进行操作时，会将工程造价总体施工材料六成以上算作甲方供应，用来控制投资的数额。而且对采购的规格数量、以及材料的性能都要有着严格标准要求，一边进行全面的市场调查，选择性价比最优的供应商。另一边要根据具体工程需求情况，建立供应商的数据库，这将有利于及时的掌握好市场工程材料价格的波动问题，这对于加强工程造价的管理，具有着重要性的作用。而且同时，应当在进行施工前做好详细采购的计划，以及与施工之间的衔接，把握好材料到达的质量与情况，避免出现延误工程的工期现象。

Qian Peng，Feng Peng，Ye Lieping.Experimental study on GFRP pipes under axial compression[J]. Journal of Tianjin University，2007，40(1)：19-23.

[10]薛晓敏，孙清，王虎长，等.玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料受压管件稳定性试验及理论研究[J].工程力学，2013，30(9)：251-258.

Xue Xiaomin，Sun Qing，Wang Huchang, et al.Experimental and theoretical study on stability of slender components made from glass fibre/expoxy composite material[J].Engineering Mechanics，2013，30(9)：251-258.

[11]侯炜，张兴虎，冯海潮.GFRP轴心受压构件的稳定性能[J].建筑材料学报，2010，13(4)：441-445.

合理安排文字和相关视觉元素，能使浏览者感受平衡和稳定的感觉；同时，运用多种文字造型按照独特的排布规律，使界面产生活跃的动感，具备节奏和韵律，也有利于网页内容的协调统一[2]。

Hou Wei，Zhang Xinghu，Feng Haichao.Stability of axial compression members of glass fiber-reinforced plastic(GFRP) [J]. Journal of Building Materials，2010， 13(4)： 441-445.

[12]胡毅，刘庭，刘凯，等. 110 kV输电线路复合材料杆塔特性试验研究[J]. 高电压技术，2011，37(4)：801-808.

Hu Yi，Liu Ting，Liu Kai，et al.Experimental research on performance of composite materials pole of 110 kV transmission line[J].High Voltage Engineering，2011，37(4)：801-808.

[13]陈绍蕃. 塔架交叉斜杆考虑屈曲相关性的稳定承载力[J]. 土木工程学报，2011，44(1)：19-28.

Chen Shaofan.Stability capacity of tower cross-bracing staking account of interaction in buckling[J].China Civil Engineering Journal，2011，44(1)：19-28.

(责任编辑 周蓓)

Research on compression performance of glass fiber composite material

HU Dongjin， WANG Zhenshan， LIU Yunhe， WANG Qianfeng

(Faculty of Civil Engineering and Architecture，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

Glass fiber reinforced plastic material is widely used in the transmission line tower structure, but the factors in determining its performance and quality are complex, and the lack of related structure research brings certain influence. Through the axial compressive test of glass fiber reinforced plastic material and steel casing composite member, the axial compressive mechanical properties and failure mode of glass fiber composite component are studied in this paper; Based on the strength theory of transversely orthotropic material, finite element method is used to analyze the influence of eccentricity ratio and diameter-thickness ratio on glass fiber composite component. Results show that brittle failure occurs in glass fiber composite component, and the failure mode is oblique fracture in the node, and the maximum stress of glass fiber composite component is less than the compressive strength of material, so that reduction should be considered in engineering design; Steel casing remains in the state of elastic stress.The ultimate bearing capacity of eccentric compression member decreases with an increase in eccentricity ratio, and the decrease extent reduces gradually; The reduction of diameter-thickness ratio can improve the ultimate bearing capacity of components; when diameter-thickness ratio decreases by 20%, ultimate bearing capacity will increase by 20%.

glass fiber reinforced plastic material； finite element； eccentricity ratio； diameter-thickness ratio

1006-4710(2015)02-0207-07

2014-12-20

国家自然科学基金资助项目(51179154)。

胡东晋，男，硕士生，研究方向为结构抗震、防震减灾。E-mail:hudongjin7@163.com。

刘云贺，男，教授，博导，博士，研究方向为结构抗震、防震减灾。E-mail:liuyunhe1968@163.com。

TU599

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