FRP复合材料横担体系空间受力性能足尺试验研究

  马  辉，  刘云贺，  王振山，  郭宏超，  谭  蓉

 （1西安理工大学土木建筑工程学院，西安710048;2陕西省电力设计院，西安710054）

[摘要]  为研究FRP复合材料横担在三向荷载作用下的空间受力性能，结合某输电线路FRP复合材料塔架，对FRP复合材料横担进行了三向荷载作用下的足尺试验，观察了试验过程及现象，分析了FRP复合材料横担体系的荷载-位移关系曲线，并对横担梁和拉索中钢套管和FRP复合材料的应变变化规律进行了研究。结果表明：钢套管与FRP复合材料具有良好的粘结性，FRP复合材料之间出现轻微撕裂但并未发生破坏；横担梁中部截面外鼓变形，拉索侧向变形很明显。横担梁的荷载一位移关系基本成线性变化，FRP复合材料横担体系的荷载富余度系数约为4.0，表现出较好的受力性能。横担梁及拉索的钢套管应变均小于FRP复合材料的应变，FRP复合材料同一截面应变分布较为均匀。拉索较横担梁更容易发生破坏，设计时应对拉索进行一定的加强处理。研究结论将为FRP复合材料横担的推广应用提供技术参考。

0  引言

 FRP复合材料是采用湿法缠绕成型技术制造的玻璃纤维增强环氧树脂空心管，该材料具有轻质高强、绝缘性能好、耐腐蚀等优点，在输电塔架结构中具有广阔的应用前景。基于FRP复合材料的诸多优点，陕西省电力设计院在330kV输电线路项目中将FRP复合材料应用在杆塔结构中，不仅将其作为一种结构性材料，更利用其良好的绝缘性来优化杆塔的电气性能，具有良好的社会和经济效益。由于横担是输电塔架结构中一个十分重要的构件，其承受的荷载也相对较为复杂，为了解FRP复合材料横担在多向荷载作用下的受力性能和进一步推广复合材料杆塔结构在我国输电线路中的应用，通过足尺试验研究复合材料横担体系在多向荷载作用下的受力性能，研究结果将为我国FRP复合材料杆塔结构的设计与应用提供相关依据和技术参考。

1  工程背景

 陕西省电力设计院330kV输电线路项目复合杆塔塔头部分采用FRP复合材料，塔腿、塔身及地线支架采用钢结构。FRP复合材料横担采用套管式节点，采用胶接和螺栓混合连接方式，金属件与复合材料之间采用胶接，其余部分采用螺栓或卸扣连接，该变电站输电塔构架示意图如图l所示。针对FRP复合材料横担的特点，选择输电塔构架中典型B相复合材料横担作为研究对象，并对FRP复合材料横担体系进行过载足尺试验，以了解其在多向荷载作用下的受力性能。

2  试验概况

 针对FRP复合材料横担的特征，并结合实际工程设计情况，对该复合材料横担体系进行实际荷载作用下的足尺试验研究。根据试验结果，重点分析横担梁及拉索的受力过程、承载力、位移变形能力以及应变分布规律等。

2.1复合材料横担体系试件

 B相复合材料横担体系具有三个挂线端，承受V3，T3，L3三个互相垂直方向的荷载，如图1所示。该复合材料横担在T3加载方向的水平长度为3. 75m，L3加载方向宽度为3.0m，V3加载方向高度为2.0m；横担梁直径为200mm；拉索直径为30mm。复合材料横担体系是由两个复合材料横担梁和两个复合材料拉索组合成的空间构架，横担梁与拉索采用卸扣连接。横担梁和拉索的FRP复合材料主要材料力学性能指标见表1。

2.2试验荷载

 试验荷载的大小由工程设计资料确定，要求复合材料横担体系的荷载富余度按最大设计荷载值的400%考虑，即富余度系数为4.0。由于复合材料横担体系受到三向荷载作用，在足尺试验中要实现多向荷载同步加载很难，工作量较大且复杂。因此，为了便于研究，采用合力的方式对复合材料横担体系进行加载，复合材料横担体系合力由其所受各向分力按力学原则进行合成得到，包括荷载大小及方向。图2为复合材料横担体系三个方向荷载合力的空间位置。由图可知，B相复合材料横担体系合力与xoy平面（T3 -L3平面）夹角为58°，与zoy（V3-T3平面）平面夹角为32°，与xoz平面（V3 -L3平面）夹角为10°。表2为B相复合材料横担体系各加载方向的荷载及其合力大小。

2.3试验装置

 为了便于加载，将复合材料横担通过连接板固定在反力墙上，预先对反力墙进行了尺寸实测，然后结合工程设计尺寸，对试验固定装置进行设计加工，试验装置通过锚固梁将试件与反力架连接。图3为B相复合材料横担足尺试验现场。

2.4测试方案及加载制度

2.4.1测试方案

 为测量横担梁和拉索的典型截面应变变化情况，在两个横担梁上共布置18个应变片，在两根拉索上共布置20个应变片。拉索和横担梁上的应变片采用等间距布置原则，并在同一截面内布置两个应变片，以监测同一截面的应变变化。复合材料横担梁和拉索的应变片布置及编号分别如图4，5所示。

 在滑轮与试件的连接钢丝之间布置50t的拉压力传感器，并在拉力传感器下端头上布置位移计，如图6所示，以测量复合材料横担的荷载和位移的变化情况。

2.4.2加载制度

 根据各个分力的大小和方向，确定合力的大小和方向，进行加载方向定位，并采用4个设置在不同位置的定滑轮以改变合力的传递方向，使得合力传递方向为水平方向，最终通过钢绞线连接到MTS电液伺服作动器，从而实现加载。定滑轮的额定荷载为30t，钢绞线直径为24mm，定滑轮及钢丝连接现场布置如图3所示。

 采用MTS电液伺服系统分级施加荷载，分为两个加载阶段：第一阶段为从开始加载至最大设计荷载；第二阶段为从最大设计荷载加载至富余度荷载。复合材料横担体系最大设计荷载的合力约为41kN．富余度荷载的合力约为165 kN，根据上述荷载要求，复合材料横担体系的加载制度如下：最大设计荷载阶段，每级荷载取最大设计荷载的10%。达到最大设计荷载后的富余度荷载阶段：在富余度荷载的0~ 80%时，每级荷载取富余度荷载的10%；在达到富余度荷载的80 010以后，荷载级差调整为5%；荷载加载至170kN时试验结束。每级荷载之间停留的时间为1min，典型截面的应变由TDS-303数据采集仪自动采集。

3  复合材料横担试验过程及现象

 该复合材料横担足尺试验在西安理工大学结构实验室进行。为保证横担中各构件之间连接紧密及钢丝绷直，对其先进行预加载，以保证荷载传递。试验开始加载后，采用近距离观测、拍照及现场记录等方法对横担受力的整个试验过程及试验现象进行观察，试验现象如图7所示。复合材料横担试件加载前，对试件合力加载点区域作了一定的加强处理，即采用较厚的钢板作为连接端头且保证钢板焊缝质量，试验结果表明：合力加载点局部在试验过程中变形非常小，满足试验加载要求。

 B相FRP复合材料横担体系的试验过程大致分为以下几个阶段：

 (1)0~60kN阶段：B相复合材料横担体系试件在该加载阶段无明显试验现象，钢丝在拉力作用下进一步绷直，复合材料横担体系受力逐渐增大，钢套管和复合材料各截面应变相应增加，此时横担梁及拉索均处于弹性受力状态，整体变形不明显；当加载至60kN时，复合材料横担发出轻微的撕裂声响，主要是由于在复杂荷载作用下，复合材料横担的复合材料之间发生拉扯而处于绷紧状态，从而产生响声，这表明复合材料之间处于传力工作状态。

 (2)60~90kN阶段：在该加载阶段，复合材料横担梁伴随有数次清脆的撕裂声响，声响较上个加载阶段要多而且响亮，表明试件受力明显。从试验照片及现场观察可知，此时横担梁变形增大且中部略有外鼓，说明横担梁中部受力较大，这主要与加载方向有关。在加载方向一侧的横担梁处于压弯状态，而另一侧的横担梁处于拉弯状态，此时加载端受力导致横担梁中部截面应变最大，产生外鼓现象。拉索在荷载作用下朝加载方向发生整体位移，在加载方向一侧的拉索处于压弯状态，而另一端拉索处于拉弯状态，其各截面的应变相应增大；试件在该阶段整体位移变形较为明显。

 (3)90～130kN阶段：复合材料横担体系在该加载阶段发出较大的撕裂声响，横担梁中部外鼓变形现象明显，横担梁的复合材料表面出现撕裂现象，此时横担梁各截面的应变迅速增加，表明其受力迅速增大；当加载至130kN时，横担梁中部继续外鼓变形，且发出清脆的撕裂响声；拉索各截面应变迅速增加，拉索整体继续朝加载方向变形，位移变形很明显。

 (4)130～170kN阶段：横担体系在该加载阶段发出响亮的撕裂声响，横担梁外鼓变形十分明显，复合材料横担梁表面缠绕的纤维出现轻微凸起和断裂、撕裂现象，且伴随有撕裂声。复合材料横担整体受力变形十分明显。此时，试验荷载已到横担的富余度荷载（即4倍的最大设计荷载），试验目的已达到，同时考虑到加载条件限制，结束试验。

4  复合材料横担试验结果分析

4.1复合材料横担荷载一位移曲线

 B相复合材料横担体系荷载．位移曲线如图8所示。由图8可知，复合材料横担体系的承载力随位移的增大而增大，且荷载与位移基本成线性变化，没有出现突变或下降段，表明复合材料横担体系在整个加载阶段基本处于弹性受力状态。这主要是由于受限于试验加载条件，试验荷载没有达到复合材料横担的极限承载力，但试验荷载已经达到了实际工程的最大设计荷载和富余度设计荷载，富余度系数为4.0，已达到了复合材料横担体系足尺试验的目的，满足实际工程应用要求。

 此外，由于复合材料的抗拉强度很高，是一种脆性材料，故发生破坏时无明显征兆，因此在复合材料达到其极限荷载时，其荷载与位移基本成线性变化，这与试验结果是相符的。

4.2横担梁及拉索荷载一应变曲线

4.2.1横担梁荷载一应变曲线

 横担梁I的位置如图4所示，横担梁I与拉索I位置在加载方向一侧。横担梁I中钢套管和复合材料典型截面的荷载-应变曲线如图9，10所示。

 横担梁Ⅱ的位置如图4所示，横担梁Ⅱ与拉索Ⅱ位置在加载方向另一侧，横担梁Ⅱ中钢套管和复合材料各截面处的荷载。应变曲线如图11，12所示。

 由图9～12可得出横担梁中钢套管和复合材料的应变变化规律具有如下特征：

 (1)在整个加载过程中，横担梁中钢套管应变都很小，在加载端一侧横担梁钢套管的应变要大于另一连接端一侧钢套管的应变，表明加载端一侧的钢套管受力较大，但所有横担梁钢套管的应变均未超过500με，远未达到其屈服状态，表明钢套管在试验荷载作用下处于弹性阶段，荷载和应变成线性变化，处于良好的工作状态。

 (2)横担梁复合材料的应变明显大于钢套管，说明横担梁在复合荷载作用下，复合材料为主要受力部位。在同一横担梁中，测点位置越靠近加载端，其应变值越大，且同一截面上、下测点的应变基本一致。横担梁I复合材料的最大应变值超过了3 000με，明显大于横担梁Ⅱ，说明横担梁I所受到的荷载大于横担梁Ⅱ，这一特点与横担梁I中部截面变形明显大于横担梁Ⅱ的试验现象是一致的。总体上看，复合材料仍处于以弹性为主的工作状态，其荷载与应变基本成线性变化，未达到其塑性阶段。

 通过上述横担梁荷载．应变曲线分析可知，钢套管应变值很小，处于弹性状态，其应变随荷载的增大而增大；复合材料的应变值较大，但仍近似处于弹性状态，横担梁复合材料中同一截面上、下测点的应变基本一致，呈对称分布，且加载端处复合材料的应变最大。总体来说复合材料横担梁的荷载与应变基本成线性变化，表现出较好的受力性能。

4.2.2拉索荷载一应变曲线

 B相横担的拉索I的应变布置位置如图5所示，拉索I中钢套管和复合材料各截面处的荷载一应变曲线如图13，14所示。

 B相横担的拉索Ⅱ的应变布置位置如图5所示，拉索Ⅱ中钢套管和复合材料各截面处的荷载，应变曲线如图15，16所示。

 由图13～16可得出拉索中钢套管和复合材料的应变变化规律具有如下特征：

 (1)拉索钢套管应变值均小于1 000 με，未达到其屈服强度，即拉索钢套管在整个加载过程中仍处于弹性状态。同一拉索中，越靠近加载端，拉索的钢套管应变越大，且在同一截面处钢套管应变基本一致。

 (2)拉索复合材料的应变与荷载基本成线性变化，在同一截面基本一致，且远大于钢套管应变。此外，拉索复合材料明显大于横担梁复合材料的应变，说明拉索在复杂荷载作用下应变增加迅速，应力较大。此外，拉索Ⅱ上的应变大于拉索I的，主要是由于横担受力后，拉索I在加载一侧，而拉索Ⅱ处于另一侧，故导致拉索Ⅱ受到的分力大于拉索I。在试验中，拉索的侧向变形明显大于横担梁的变形，较横担梁容易发生破坏，说明拉索的承载力决定了横担梁的极限承载力。

 通过上述复合拉索荷载，应变曲线分析可知，钢套管和复合材料的应变与荷载基本成线性变化，基本处于以弹性为主的工作状态，受力状态较好。但与横担梁相比，拉索复合材料在复杂荷载作用下的应变很大，较复合材料横担梁容易发生破坏，因此，复合拉索的承载力决定了FRP复合材料横担体系的极限承载力。

5  结论

 通过对B相复合材料横担进行足尺试验，观察其试验过程及现象，分析横担梁及拉索的应变特征，进而研究了复合材料横担受力性能特征，主要得到以下结论：

 (1)在试验过程中，钢套管与FRP复合材料之间未发生粘结破坏，两者连接可靠，满足承载力要求；复合材料受力后，复合材料之间出现轻微撕裂现象，但并未发生粘结滑移破坏。复合材料横担整体朝合力方向发生位移变形，横担梁中部外鼓变形，并伴有数次响声；拉索受力后整体位移变形明显。

 (2)横担梁钢套管应变小于复合材料应变，横担梁中部截面应变最大；拉索复合材料的应变大于其钢套管的应变，但远未达到其材料极限应变；FRP复合材料杆件上、下测点应变基本一致，说明试件的截面应力一应变分布较为均匀。

 (3)拉索复合材料的应变明显大于横担梁的应变，表明在钢套管与复合材料粘结强度有保证的情况下，复合拉索容易发生破坏，复合拉索的承载力决定了复合材料横担体系的极限承载力。

 (4)复合材料横担在最大设计荷载和富余度荷载作用下均近似为弹性受力状态，其荷载富余度系数大于4.0，说明该复合材料横担能够满足工程设计实际要求。