復(fù)合材料電桿荷載試驗(yàn)研究

汪德敏，樊　勇，阮少林，王躍輝

(1.云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明650051；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明650011)

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復(fù)合材料電桿荷載試驗(yàn)研究

汪德敏1，樊勇1，阮少林1，王躍輝2

(1.云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明650051；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，云南 昆明650011)

摘要：依據(jù)使用條件設(shè)計(jì)了兩種復(fù)合材料電桿，并進(jìn)行電桿真型荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證了復(fù)合材料桿在主要控制工況下的安全性和可靠性，得出了復(fù)合材料電桿設(shè)計(jì)承載力、變形和破壞特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：電桿P-△效應(yīng)產(chǎn)生的附加彎矩較大；電桿破壞特征為距離桿底4.0 m處外邊緣玻璃纖維斷裂和桿端擠壓破壞；拉線對復(fù)合材料電桿變形約束有限，建議拉線復(fù)合材料電桿在設(shè)計(jì)中考慮電桿變形影響。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料電桿;荷載試驗(yàn);承載力;P-△效應(yīng);附加彎矩

0引言

目前國內(nèi)大面積實(shí)施農(nóng)網(wǎng)改造、城網(wǎng)改造和光纖通訊全覆蓋等工程，低電壓等級電網(wǎng)建設(shè)多采用水泥桿、鋼管桿和鐵塔架設(shè)；傳統(tǒng)桿塔在電網(wǎng)長期運(yùn)行中存在易開裂、腐蝕、耐侯性差等缺點(diǎn)，威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1，2]；西南地區(qū)以山區(qū)地形為主，電網(wǎng)往往建設(shè)在高山大嶺中，桿塔材料運(yùn)輸費(fèi)用占電網(wǎng)建設(shè)投資比重大且建設(shè)周期長。

復(fù)合材料電桿是一種新型式桿塔，有耐候性、耐腐蝕性和絕緣性好的特點(diǎn)，同時復(fù)合材料電桿質(zhì)量輕[3，4]，其密度為鋼結(jié)構(gòu)1/4～1/3，一根復(fù)合材料電桿重量180～350 kg,采用分段連接、可拆卸，大大減少運(yùn)輸成本，縮短建設(shè)周期；復(fù)合材料電桿具有良好力學(xué)特性和可設(shè)計(jì)性優(yōu)勢，因此復(fù)合材料電桿可應(yīng)用于輸電線路工程[5]。

但復(fù)合材料電桿也存在一定的缺陷，如材料彈性模量小、結(jié)構(gòu)變形大，節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度低等問題[6]。為解決復(fù)合材料電桿在電網(wǎng)運(yùn)行中存在的力學(xué)問題，本文展開復(fù)合材料電桿真型荷載試驗(yàn)研究；本文通過復(fù)合材料電桿[7-9]在撓度驗(yàn)算工況、安裝工況、斷線工況以及覆冰工況下真型荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證復(fù)合材料電桿在主要控制工況下的安全性和可靠性，量測復(fù)合材料電桿撓度、電桿邊緣應(yīng)力，得出復(fù)合材料電桿設(shè)計(jì)承載力、變形和破壞特征。

1試驗(yàn)概況

本文復(fù)合材料電桿設(shè)計(jì)風(fēng)速25 m/s、設(shè)計(jì)覆冰10 mm，LGJ-240/30導(dǎo)線，三角形排列，水平檔距100 m、垂直檔距150 m。進(jìn)行2根電桿真型荷載試驗(yàn)，1根直線桿和1根轉(zhuǎn)角桿。直線桿:桿長12 m，梢徑190 mm，錐度1/75，壁厚10 mm，重170 kg,埋深2.0 m；轉(zhuǎn)角桿:桿長12 m,梢徑190 mm,錐度1/75，壁厚15 mm, 重270 kg，埋深2.0 m,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角度為60°，導(dǎo)線方向?qū)?cè)拉線處理，拉線對地夾角為50°，拉線為100 mm2鋼絞線，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1 110 N/mm2，橫擔(dān)長1.7 m、M鐵和抱箍等均采用南方電網(wǎng)配網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2荷載試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)工況

根據(jù)荷載分解、試驗(yàn)工況分析，本試驗(yàn)選取主要控制工況進(jìn)行試驗(yàn)。電桿迎風(fēng)面積小，忽略桿身風(fēng)載影響；撓度驗(yàn)算工況及安裝工況線條風(fēng)載較小，試驗(yàn)時忽略線條風(fēng)載影響。

直線桿試驗(yàn)控制工況分別為：撓度驗(yàn)算工況：5 m/s風(fēng)、無冰及年平均氣溫、90°風(fēng)向；安裝工況：10 m/s風(fēng)、雙倍起吊左右導(dǎo)線，上導(dǎo)線已安裝、90°風(fēng)向；斷線工況：斷上導(dǎo)線、無風(fēng)，共3種工況。

轉(zhuǎn)角桿試驗(yàn)控制工況分別為：撓度驗(yàn)算工況：5 m/s風(fēng)、無冰及年平均氣溫、90°風(fēng)向；安裝工況：10 m/s風(fēng)、臨檔上導(dǎo)線已掛線，掛前左右導(dǎo)線、90°風(fēng)向；覆冰工況：90°風(fēng)向，共2種工況。

2.2工況荷載

表1，2分別為復(fù)合材料直線桿、轉(zhuǎn)角桿100%設(shè)計(jì)荷載；表中H為水平荷載為導(dǎo)線張力和風(fēng)荷載合力，Z為導(dǎo)線垂直荷載。

表1　直線桿100%設(shè)計(jì)荷載　kN

注：因復(fù)合材料電桿擋風(fēng)面積較小且桿頂高度僅10 m,導(dǎo)線水平檔距100 m，因此水平方向風(fēng)荷載較小，不起控制作用，總水平風(fēng)荷載為3.6 kN。

表2　轉(zhuǎn)角桿100%設(shè)計(jì)荷載　kN

2.3加載方式

參照《架空線路桿塔結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)》(DL T899-2012)[11]，按以上工況進(jìn)行試驗(yàn)。該荷載試驗(yàn)為電桿直立加載，采用加載繩施加水平荷載，實(shí)現(xiàn)上導(dǎo)線和左右導(dǎo)線分別加載；采用懸吊混凝土塊施加垂直荷載，真實(shí)模擬垂荷在復(fù)合材料大變形后產(chǎn)生的P-△效應(yīng)；通過仿真模擬分析得出桿身變形較大部位，并標(biāo)記十字圈作為撓度觀測點(diǎn)和布置應(yīng)變傳感器觀測點(diǎn)；桿頂撓度采用拉線傳感器直接測量，桿身撓度采用全站儀對準(zhǔn)桿身十字圈標(biāo)記進(jìn)行量測。直線桿撓度觀測點(diǎn)位置分別為距離支座頂面0.0 m,1.2 m,4.2 m,6.7 m,10.0 m；轉(zhuǎn)角桿撓度觀測點(diǎn)位置分別為0.0 m，4.1 m,6.7 m,10.0 m。應(yīng)變值通過粘貼在應(yīng)變觀測點(diǎn)位置的應(yīng)變片傳感器直接在電腦上讀取，直線桿應(yīng)變觀測點(diǎn)位置分別為距支座頂面-0.25 m(即支座頂面以下0.25 m，為避免支座擠壓破壞應(yīng)變片)，4.0 m,7.5 m,8.8 m,9.4 m；轉(zhuǎn)角桿應(yīng)變觀測點(diǎn)位置分別為距支座頂面-0.25 m(即支座頂面以下0.25 m，為避免支座擠壓破壞應(yīng)變片)，4.0 m,7.5 m,9.15 m,9.75 m。

加載及測量方案實(shí)驗(yàn)圖如圖1所示，加載裝置實(shí)物圖如圖2所示。施加設(shè)計(jì)荷載的50%，75%，90%，95%，100%；超載加載：對直線桿進(jìn)行斷線工況超載加載，轉(zhuǎn)角桿進(jìn)行覆冰工況超載加載；加載至100%設(shè)計(jì)荷載后每級加載5%，電桿發(fā)生破壞或變形大不足以維持荷載。每級荷載加載誤差小于±1%,各加載繩的連接應(yīng)牢固可靠，連接處應(yīng)盡量靠近掛點(diǎn)、加載點(diǎn)；垂直荷載為100%設(shè)計(jì)垂荷。

圖1　加載及測量方案實(shí)驗(yàn)圖

圖2　加載裝置實(shí)物圖

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1復(fù)合材料直線桿

3.1.1撓度驗(yàn)算和安裝工況

在撓度驗(yàn)算和安裝工況下，復(fù)合材料直線桿在100%載設(shè)計(jì)值時桿頂撓度分別為57 mm和65 mm，不超過全高(不含埋深部分)的6/1 000，沒有發(fā)生電桿破壞或局部結(jié)構(gòu)破壞，電桿處于彈性狀態(tài)。

3.1.2斷線工況

圖3　直線桿斷線工況ω-H曲線

圖4　直線桿斷線工況變形圖

(1)斷線工況下，復(fù)合材料直線桿ω-H曲線如圖3,圖中ω為桿身撓度(mm)，H為桿高度(m)；直線桿斷線工況變形圖如圖4所示，通過圖3知：復(fù)合材料直線桿斷線工況，小于20%設(shè)計(jì)水平荷載時，ω-H曲線呈線性變化，桿頂撓度為0.339 m；大于40%設(shè)計(jì)水平荷載時，ω-H曲線呈雙線性變化,4.2 m處為直線桿撓度變形分界點(diǎn)(潛在塑性鉸)；4.2 m以下?lián)隙茸兓^小，4.2 m處100%設(shè)計(jì)水平荷載時撓度為0.425 m，135%設(shè)計(jì)水平荷載時0.565 m；4.2 m以上隨著荷載加大撓度劇增，10.0 m處100%荷載時1.833 m；135%荷載時2.564 m。

大于105%設(shè)計(jì)水平荷載時，復(fù)合材料桿外邊緣玻璃纖維發(fā)出響亮的斷裂聲，但能維持增載；大于105%設(shè)計(jì)水平荷載4.2 m以上桿身ω-H曲線增大幅度較??；至140%設(shè)計(jì)水平荷載時，桿底部出現(xiàn)破壞斷桿(見圖4)，說明復(fù)合材料桿在發(fā)生較大變形后，沒有明顯的屈服階段即發(fā)生破壞，呈脆性破壞特征；以外邊緣纖維斷裂前一級荷載作為設(shè)計(jì)承載力，故在承受垂直荷載20 kN時，其水平承載力設(shè)計(jì)值為8.1 kN。

圖5　直線桿斷線工況應(yīng)力-荷載曲線

(2)復(fù)合材料直線桿彈性模量E=21 GPa，根據(jù)測試應(yīng)變得出應(yīng)力-荷載曲線如圖5知：壓應(yīng)力側(cè)離支座頂面9.4 m，8.8 m測點(diǎn)處，因在水平加載點(diǎn)以上，該兩處應(yīng)力變化不大；7.5 m，4.0 m，-0.25 m處受壓側(cè)壓應(yīng)力隨荷載增大應(yīng)力呈線性增大趨勢；壓應(yīng)力側(cè)4.0 m處應(yīng)力大于其他高度處應(yīng)力，由于電桿變形時該處邊緣應(yīng)變最大；但在130%，140%設(shè)計(jì)水平時，-0.25 m處應(yīng)力略高于4.0 m處應(yīng)力，前者-124.6 MPa、后者-121.2 MPa，電桿在較大水平荷載時支座處電桿明顯擠壓造成。

拉應(yīng)力側(cè)4.0 m處應(yīng)力較大，加載到140%設(shè)計(jì)水平荷載時，應(yīng)力為141.3 MPa。-0.25 m處應(yīng)力隨荷載增大而增大，但大于135%設(shè)計(jì)水平荷載后應(yīng)力驟然減小，說明復(fù)合材料電桿已經(jīng)出現(xiàn)破壞。

水平側(cè)-0.25 m處，應(yīng)力隨著荷載增大而增大，整體應(yīng)力較小，140%設(shè)計(jì)水平荷載時，應(yīng)力為62.6 MPa,隨著支座處因復(fù)合材料電桿較大擠壓變形或破壞，導(dǎo)致復(fù)合材料電桿受力向側(cè)向轉(zhuǎn)移。

復(fù)合材料電桿在垂直荷載和水平荷載共同作用下，由于復(fù)合材料電桿桿頂撓度大，電桿的P-△效應(yīng)非常明顯，100%設(shè)計(jì)水平荷載時，附加彎矩為37.7 kN·m,桿端總彎矩為112.4 kN·m，附加彎矩占總彎矩的33.5%，破壞特征表現(xiàn)為電桿4 m處外邊緣纖維先于其他部位發(fā)生斷裂和桿端擠壓破壞。建議在承受水平力較大的復(fù)合材料電桿采用桿頂打拉線處理限制桿頂撓度、在桿端進(jìn)行加強(qiáng)處理防止發(fā)生擠壓破壞[12, 13]。

3.2復(fù)合材料轉(zhuǎn)角桿

考慮到轉(zhuǎn)角桿承受較大的水平荷載，為滿足復(fù)合材料桿承載力及撓度要求，在距桿頂1.5 m處采用抱箍連接2根拉線。復(fù)合材料轉(zhuǎn)角桿彈性模量E=32 GPa。

3.2.1撓度驗(yàn)算工況

在撓度驗(yàn)算工況下，復(fù)合材料轉(zhuǎn)角桿在100%載設(shè)計(jì)值時桿頂撓度分別為198 mm，不超過全高的2/100，最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力分別為28 MPa，11 MPa，沒有發(fā)生電桿破壞或局部結(jié)構(gòu)破壞，電桿處于彈性狀態(tài)。

3.2.2安裝工況

(1) 安裝工況下，復(fù)合材料轉(zhuǎn)角桿ω-H曲線圖如圖6，轉(zhuǎn)角桿安裝工況變形圖如圖7，通過圖6知：施加小于40%設(shè)計(jì)水平荷載時，ω-H曲線呈線性變化，撓度較小；大于 40%設(shè)計(jì)水平荷載時，ω-H曲線呈雙線性變化；4.1 m處為撓度變形分界點(diǎn)(潛在塑性鉸)，4.1 m以下電桿撓度變化較小， 4.1 m以上電桿撓度呈線性變化、呈彈性變形，ω-H曲線斜率隨荷載加大而增大，10.0 m處40%荷載時0.159 m，100%荷載時0.504 m。

圖6　轉(zhuǎn)角桿安裝工況ω-H曲線

圖7　轉(zhuǎn)角桿安裝工況變形圖

(2)根據(jù)測試應(yīng)變得出應(yīng)力-荷載曲線如圖8知:9.75 m，9.15 m測點(diǎn)處，因在水平加載點(diǎn)以上，該兩處應(yīng)力隨荷載增大而不變化；-0.25 m支座處，拉線平衡了大部分水平荷載，導(dǎo)致傳遞到支座處的水平荷載大大減小，故該點(diǎn)應(yīng)力較?。?.5 m，4.0 m處受壓測應(yīng)力隨荷載增大，應(yīng)力呈線性增大趨勢。4.0 m處應(yīng)力大于其他高度處應(yīng)力， 100%設(shè)計(jì)水平荷載時，壓應(yīng)力為61.9 MPa、拉應(yīng)力42.0 MPa，沒有發(fā)生電桿破壞或局部結(jié)構(gòu)破壞，電桿處于彈性狀態(tài)。

3.2.3覆冰工況

圖8　轉(zhuǎn)角桿安裝工況應(yīng)力-荷載曲線

圖9　轉(zhuǎn)角桿覆冰工況ω-H曲線

圖10　轉(zhuǎn)角桿覆冰工況變形圖

(1) 覆冰工況下，復(fù)合材料轉(zhuǎn)角桿ω-H曲線圖如圖9，轉(zhuǎn)角桿覆冰工況變形圖如圖10，通過圖9知：施加小于40%設(shè)計(jì)水平荷載時，ω-H曲線呈線性變化，撓度較小。大于40%設(shè)計(jì)水平荷載時ω-H曲線呈雙線性變化，以4.1 m處為撓度分界點(diǎn)(潛在塑性鉸)，4.1 m以上電桿撓度呈線性變化，說明4.1 m以上桿呈整體線彈性變形，直線斜率隨荷載加大而增大，4.1 m以下電桿撓度變化較??；4.1 m以下?lián)隙妊馗叨茸兓^小(105%設(shè)計(jì)水平荷載時4.1 m處撓度為0.142 m)，4.1 m以上隨著荷載加大，撓度增大趨勢劇烈，10.0 m處40%，100%水平荷載時桿頂撓度分別為0.328 m，0.831 m。

(2)根據(jù)測試應(yīng)變得出應(yīng)力-荷載曲線如圖11知：9.75 m，9.15 m測點(diǎn)處，因在水平加載點(diǎn)以上，該兩處應(yīng)力較??；因拉線平衡絕大部分水平荷載-0.25 m處(支座頂面附近處)應(yīng)力變化較?。?.5 m，4.0 m處受壓側(cè)、受拉側(cè)應(yīng)力隨荷載增大，應(yīng)力呈線性增大趨勢。4.0 m處應(yīng)力相對于其他高度處應(yīng)力較大， 100%設(shè)計(jì)水平荷載時壓應(yīng)力為-101.7 MPa；90%設(shè)計(jì)水平荷載時拉應(yīng)力57.7 MPa，因該處應(yīng)變較大。水平側(cè)拉應(yīng)力整體較小，主要因拉線作用，導(dǎo)致桿承受較小的荷載；電桿沒有發(fā)生電桿破壞或局部結(jié)構(gòu)破壞。

圖11　轉(zhuǎn)角桿覆冰工況應(yīng)力-荷載曲線

(3)桿頂附近采用拉線處理后，在100%設(shè)計(jì)水平荷載時，桿頂撓度仍為0.831 m,因此在較大水平荷載下拉線對撓度控制是有限的，主要原因?yàn)閺?fù)合材料桿彈性模量較小、屬柔性桿，在垂直荷載及拉線垂向分力作用下，桿身產(chǎn)生壓縮和彎曲變形，且抱箍有一定的下移，從而導(dǎo)致拉線松弛，在水平力作用下以潛在塑性鉸為圓心，桿頂發(fā)生較大撓度，故在工程設(shè)計(jì)中，不可采用《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》(DL/T 5154-2012)中簡支形式的撓度計(jì)算圖式。

4結(jié)論

(1)在撓度驗(yàn)算和安裝工況下，復(fù)合材料電桿撓度和應(yīng)力較小，電桿沒有發(fā)生電桿破壞或局部結(jié)構(gòu)破壞；撓度驗(yàn)算工況下直線桿、轉(zhuǎn)角桿撓度分別不超過全高的6/1000，2/100。

(2)斷線工況下，復(fù)合材料直線桿ω-H曲線呈雙線性，4.2 m處為撓度變形分界點(diǎn)，4.2 m以下?lián)隙茸兓^小，4.2 m以上隨著荷載加大撓度劇增，10.0 m處100%荷載時1.833 m，135%荷載時2.564 m。復(fù)合材料桿在發(fā)生較大變形后，沒有明顯的屈服階段即發(fā)生破壞，呈脆性破壞特征，以外邊緣纖維斷裂前一級荷載作為設(shè)計(jì)承載力，其水平承載力設(shè)計(jì)值約為8.1 kN。

(3)斷線工況下，復(fù)合材料直線桿桿頂撓度大，電桿的P-△效應(yīng)明顯，附加彎矩占總彎矩的33.5%，破壞特征表現(xiàn)為電桿4.0 m處外邊緣纖維發(fā)生斷裂和桿端擠壓破壞。建議在承受水平力較大的復(fù)合材料電桿采用桿頂打拉線處理限制桿頂撓度、在桿端進(jìn)行加強(qiáng)處理防止發(fā)生擠壓破壞。

(4)覆冰工況下，復(fù)合材料轉(zhuǎn)角桿在100%設(shè)計(jì)荷載時，桿頂撓度為0.831 m，說明桿頂附近拉線對桿頂撓度控制是有限的，主要因復(fù)合材料桿彈性模量較小、垂直荷載及拉線垂向分力作用下，桿身產(chǎn)生壓縮和彎曲變形和抱箍有一定的下移，造成桿頂發(fā)生較大撓度，故在工程設(shè)計(jì)中，不可采用《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》(DL/T 5154-2012)中簡支形式的撓度計(jì)算圖式。

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WANG Demin1, Fan Yong1, RUAN Shaolin1， WANG Yuehui2

(1. Yunnan Electric Power Design Institute，Kunming650051,China;2. Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming650011,China)

Abstract：According to working conditions, two types of composite material poles are designed for load tests, and the results verify the safety and reliability of the poles under the main control conditions and obtain the bearing capacity，deformation and failure characteristics of the pole. The results show that the P-△ influence can generate large additional bending moment. The pole failure characteristics is the edge breakage of glass fiber at 4.0 m above the bottom and crushing failure at the root, and the pulling steel wires have little effect on controlling the deformation of the pole, therefore, it suggests taking into account the pole deformation of anchor pole in designing.

Keywords：composite material pole; load tests; bearing capacity; P-△influence; additional bending moment

中圖分類號:TM751

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.013

作者簡介：汪德敏(1983-)，男，工程師，從事輸電線路設(shè)計(jì)與研究，E-mail:wangdemin1234@163.com。

基金項(xiàng)目：中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(K-YN2014-002)。

收稿日期：2015-08-15。