悬索式跨越架用纤维绳索非线性本构关系试验研究

夏拥军，贾 宁，万建成，胡院生

（中国电力科学研究院有限公司，北京100055）

1 引言

随着特高压直流输电工程的密集开工建设，张力架线跨越施工日益频繁。为保护张力架线跨越施工中的被跨越物，目前普遍采用搭设跨越架的方式。其中悬索式跨越架由于搭设方便在跨越电力线路架线施工中得到广泛应用。

悬索式跨越架的承载索及封网绳多采用纤维绳索，一般为聚酯纤维绳索或超高分子量聚乙烯纤维绳索。由于纤维绳索一般为编绳或复编绳，由纤维复丝经捻合编织而成，根据工程经验，在外加载荷作用下将表现出明显的非线性变形，即随着外加载荷的增加，纤维绳索的伸长变形呈非线性变化，但这一本构关系目前尚无标准规定或公开资料[1]。目前对悬索式跨越架进行工程设计和仿真计算时普遍采用固定弹性模量值来代替应力—应变曲线，计算结果与实际情况并不相符。为此，开展悬索式跨越架用纤维绳索的非线性本构关系试验研究，并进行相关试验，提出超高分子量聚乙烯纤维绳和聚酯纤维绳索的应力—应变关系等相关曲线，为悬索式跨越架工程设计和仿真计算提供参数依据。

2 悬索式跨越架及纤维绳索

2.1 悬索式跨越架

悬索式跨越架亦称无跨越架系统，是指在跨越档两端铁塔上设置临时性横梁或软索作为支承装置，在支承装置之间安装承载索并且敷设绝缘网和安装绝缘撑杆以保护被跨越物的安全[2]。如图1 所示，主要由支承装置、承载索和封网装置等部件组成，具有跨越距离远、结构简单、安装便捷、施工难度小等优点。

图1 悬索式跨越架示意图Fig.1 Diagram of Suspension Span

2.2 纤维绳索

纤维绳索在输电线路施工中应用广泛，按照使用纤维的不同，可分为天然纤维绳索和合成纤维绳索两大类。天然纤维绳索主要为麻绳，由抗拉、耐磨、耐腐蚀性能较优的剑麻茎纤维制造而成，主要应用于起重及捆扎作业。合成纤维绳索由各种高分子化学纤维制成，俗称化纤绳索，也称绝缘绳索。目前主要使用的化学纤维主要包括聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维等[3-4]。悬索式跨越架使用合成纤维绳索，其承载索主要采用超高分子量聚乙烯纤维绳索，俗称迪尼玛绳，《架空输电线路无跨越架不停电架线施工工艺导则》（DL/T 5301—2013）中给出的弹性模量推荐值为K=32GPa[2]；封网绳一般多采用聚酯纤维绳索，俗称涤纶绳或杜邦丝绳，弹性模量常取为K=9.8GPa[5-6]。

3 纤维绳索非线性本构关系试验

3.1 试验原理

开展悬索式跨越架工程设计时，需用到纤维绳索的非线性本构关系，即非线性应力—应变关系曲线。如图2 所示，将纤维绳索安装在拉力机两端，在实施加载前后，可知纤维绳L0标记a、b端到拉力机左右观测c、d 端之间距离的前后变化值，根据式（1）计算出标距段的伸长量ΔL 以及通过式（2）得出应变值ε；通过拉力机记录纤维绳索随着变形伸长所受的载荷值，并根据式（3）计算出纤维绳索的应力值σ，得出非线性应力—应变关系曲线，进一步根据式（4）进行一阶求导得出纤维绳索相应的弹性模量值E[7-10]。

图2 纤维绳索变形量计算示意图Fig.2 Diagram of Fiber Rope Deformation Calculation

式中：L0—达到预张力时的标距，mm；L1—达到预张力时，标距段左侧a 到拉力机左侧观测端c 距离，mm；L2—达到75%最小破断力时，标距段左侧a′到拉力机左侧观测端c′距离，mm；L3—达到预张力时，标距段右侧b 到拉力机右侧观测端d距离，mm；L4—达到75%最小破断力时，标距段右侧b′到拉力机右侧观测端d′的距离，mm；ΔL—伸长量，mm。

式中：ε—应变；ΔL—伸长量，mm；L0—达到预张力时的标距，mm。

式中：σ（ε）—应力，MPa；ε—应变；E（ε）—弹性模量，MPa。

3.2 试验方法

根据《绳索 有关物理和机械性能的测定》（GB/T 8834-2006/ISO 2307：1990）的基本要求，结合纤维绳索特点，确定试验方法如下[11]：

（1）将纤维绳索试样安装在拉力试验机上，以60mm/min 的拉伸速率加载到额定最低断裂强力的20%，持荷120min 卸载。

（2）维持空载状态1h，然后施加相应的预加张力。

（3）当试样处于预加张力下时，用钢卷尺在纤维绳索中间段处量取500mm 作为标距段，并在标距段两端做标记。在标距段内任意取2 个测量点，用游标卡尺在每个测量点不同方向进行3 次直径测量，取算数平均值作为纤维绳索的最终直径值。

（4）在标距段两端处悬挂激光测距反射板。以60mm/min 的加载速率拉伸试样，同时记录载荷—时间曲线及激光测距仪数据，直至拉力值到达纤维绳索额定断裂强力的75%，并保持1min，直至破断。

（5）做出应力-应变曲线、弹性模量—载荷曲线。

3.3 试验实施

试验布置，如图3 所示。将纤维绳索样品两端绳套分别固定在拉力机动力端和固定端。在纤维绳中间500mm 标距段处悬挂左右反射板。将两台激光测距仪分别固定在纤维绳样品正下方左右两侧试验平台上，确保发射出的激光与纤维绳索轴向平行，并通过信号线使其与左右侧激光测距仪电脑记录端联通，记录相关数据。

图3 试验布置Fig.3 Diagram of Test Arrangement

3.4 试验用仪器设备

3.4.1 激光测距仪

在纤维绳索非线性本构关系试验中应用的激光测距仪，如图4 所示。

图4 激光测距仪Fig.4 Laser Range Finder

激光测距仪主要性能参数，如表1 所示。

表1 激光测距仪性能参数Tab.1 Performance Parameter of Laser Range Finder

3.4.2 拉力试验机

纤维绳索非线性本构关系试验中所用的拉力机，如图5 所示。拉力试验机的主要性能参数，如表2 所示。

图5 拉力试验机Fig.5 Tensile Testing Machine

表2 拉力试验机性能参数Tab.2 Performance Parameter of Tensile Testing Machine

3.5 试验结果

主要针对悬索式跨越架承载索常用的Φ12、Φ20、Φ22三种规格超高分子量聚乙烯纤维绳和封网绳常用的Φ10、Φ12、Φ14三种规格聚酯纤维绳进行非线性本构关系试验，得到试验样品的载荷值、应力值、应变值和弹性模量值，部分试验结果，如表3、表4 所示。

表3 超高分子量聚乙烯纤维绳部分试验结果Tab.3 Test Results of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fiber Ropes

表4 聚酯纤维绳部分试验结果Tab.4 Test Results of Polyester Ropes

4 试验数据分析

Φ12、Φ20、Φ22超高分子量聚乙烯纤维绳得出的应力—应变曲线和弹性模量—载荷曲线，如图6、图7 所示。Φ10、Φ12、Φ14聚酯纤维绳得出的应力—应变曲线和弹性模量—载荷曲线，如图8、图9所示。

图6 超高分子量聚乙烯纤维绳应力—应变曲线图Fig.6 Diagramof the Strain-Stress of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fiber Ropes

图7 超高分子量聚乙烯纤维绳弹性模量—载荷曲线图Fig.7 Diagram of the Elastic Modulus-Load of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fiber Ropes

图8 聚酯纤维绳应力—应变曲线图Fig.8 Diagram of the Strain-Stress of Polyester Ropes

图9 聚酯纤维绳弹性模量—载荷曲线图Fig.9 Diagram of the Elastic Modulus-Load of Polyester Ropes

从图6 和图8 可知，Φ12、Φ20、Φ22规格的超高分子量聚乙烯纤维绳和Φ10、Φ12、Φ14规格的聚酯纤维绳应力—应变曲线呈现出显著地非线性本构关系。

从图7 中可知，在拉力试验机施加载荷达到纤维绳额定破断力75%过程中，Φ12、Φ20、Φ22三种规格超高分子量聚乙烯纤维绳弹性模量随着载荷增大而呈现出先增大后减小的变化，出现的弹性模量最大峰值随着直径增大而减小。从图9 可知，Φ10、Φ12、Φ14三种规格聚酯纤维绳在载荷加载到（0～15）kN 之间，弹性模量变化不显著，加载到15kN 以后，弹性模量随着载荷的增大而呈现显著地增大，出现的弹性模量最大峰值随着直径增大而减小。

从图7 和图9 还可看出，两种纤维绳索弹性模量呈非线性变化与原有经验推荐值存在很大误差，原有经验推荐值完全不能够满足现有仿真计算需求。

5 结论

通过对悬索式跨越架用纤维绳索非线性本构关系试验结果分析，可得以下结论：

（1）Φ12、Φ20、Φ22超高分子量聚乙烯纤维绳和Φ10、Φ12、Φ14聚酯纤维绳呈现出显著地非线性本构关系。

（2）在拉力试验机施加载荷达到纤维绳额定破断力75%过程中，Φ12、Φ20、Φ22超高分子量聚乙烯纤维绳和Φ10、Φ12、Φ14聚酯纤维绳出现的弹性模量最大值都随着直径增大而减小。

（3）超高分子量聚乙烯纤维绳和聚酯纤维绳弹性模量原有推荐的经验值与试验得出的弹性模量值存在很大差异，完全不能够满足现有仿真计算需求。

（4）本试验得出的两种纤维绳索的应力—应变曲线和弹性模量—载荷曲线为各施工单位今后的仿真计算提供有利的参数依据。