E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張 磊，孫 清，王虎長(zhǎng)，趙雪靈，胡建民，管順清

（1.西安交通大學(xué)，西安市，710049；2.西北電力設(shè)計(jì)院，西安市，710075）

0 引言

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)，疲勞性能、耐久性能和電絕緣性能好等特點(diǎn)，是較理想的輸電桿塔結(jié)構(gòu)材料[1-2]。目前，復(fù)合材料輸電桿塔已在歐美和日本得到應(yīng)用，其中以美國的研究開發(fā)和應(yīng)用最為成熟[3-5]。我國在20世紀(jì)50年代對(duì)復(fù)合材料電桿進(jìn)行過研究，鑒于當(dāng)時(shí)材料性能和制造工藝的限制，復(fù)合材料電桿未能得到推廣使用。近年來，隨著復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)輸電桿塔的缺陷逐步顯露，電力行業(yè)開始重視復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研究[6-9]；但目前研究多集中于復(fù)合材料桿塔應(yīng)用可行性的理論探討，試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐均較少。

本文以±660 kV銀川東換流站—紅柳溝接地極線路工程為依托，展開E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。考慮到該復(fù)合材料為各向異性材料，應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)不能用單向性能參數(shù)確定[10]，因此對(duì)該復(fù)合材料順纖維方向和垂直纖維方向的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別進(jìn)行了研究。最后，將該復(fù)合材料與輸電桿塔結(jié)構(gòu)中常用鋼材進(jìn)行了力學(xué)性能和成本對(duì)比分析，探討該復(fù)合材料在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

采用的E玻璃鋼纖維為9600TEX，纖維含量70%，環(huán)氧樹脂為特種環(huán)氧樹脂，具有良好的耐熱、耐老化和電絕緣性能。

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)試件按照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》規(guī)定設(shè)計(jì)，由鞍山遠(yuǎn)達(dá)電網(wǎng)工程有限公司采用拉擠工藝制作。試件型式和尺寸分別見圖1、表1。

根據(jù)玻璃纖維布置方法不同，本次共制作了2種試件：第1種試件僅沿長(zhǎng)度方向布置玻璃纖維（以下簡(jiǎn)稱“單向纖維試件”）；第2種試件除沿長(zhǎng)度方向布置玻璃纖維外，橫向45°及135°方向也布置了玻璃纖維（以下簡(jiǎn)稱“多向纖維試件”）。另外，為了測(cè)試復(fù)合材料垂直纖維方向的力學(xué)性能，制作了垂直纖維方向的試件。匯總后的試件數(shù)量及編號(hào)見表2。

表1 試件尺寸Tab. 1 Dimensions of specimens mm

表2 試件數(shù)量及編號(hào)Tab. 2 Details of specimens

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)按照GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》和GB/T 1447—2005標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試驗(yàn)前按標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行分類、編號(hào)，并測(cè)量工作段內(nèi)任意3點(diǎn)的寬度、厚度，取算術(shù)平均值。

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)備

拉伸試驗(yàn)采用上海華龍WDW-300D型材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)精度可達(dá)0.5級(jí)，試驗(yàn)中可直接記錄荷載、位移等數(shù)據(jù)。

應(yīng)變采集儀器為北戴河電子儀器廠生產(chǎn)的CML-1H型應(yīng)變和應(yīng)力綜合測(cè)試儀。應(yīng)變花采用中航電測(cè)儀器股份有限公司生產(chǎn)的BE120-3BC型正交應(yīng)變花。應(yīng)變花用快干502膠粘貼在試件正中位置，見圖2。

1.3.2 加載方法

為防止試件滑移，本次試驗(yàn)專門制作了相應(yīng)的夾具，如圖3所示。安裝時(shí)首先將準(zhǔn)備好的試件扣上夾具安裝在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，使試件中心線和鉗口里的中心線吻合。試驗(yàn)連續(xù)緩慢加載，加載速率控制為2 mm/min，間隔一定時(shí)間采集1次試件應(yīng)變。在試驗(yàn)過程中隨時(shí)觀察記錄試驗(yàn)現(xiàn)象，最終記錄試件的極限破壞荷載及其破壞形態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)加載情況見圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過程及破壞特征

加載初期試件外觀等沒有明顯變化，加載過程中始終伴隨“噼啪”的纖維斷裂聲，當(dāng)加載到試件的極限荷載時(shí)試件破壞，此時(shí)玻璃鋼纖維大部分被拉斷，只有小部分相連。試件破壞典型形態(tài)見圖4。

2.2 順纖維方向力學(xué)性能

該復(fù)合材料順纖維方向拉伸典型荷載-位移曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、橫向-縱向應(yīng)變曲線分別見圖5、6、7。

由于初始加載階段夾具與試件出現(xiàn)滑移，在圖5中2.5 kN處出現(xiàn)了1段水平線。當(dāng)試件滑移量達(dá)0.5 mm后，夾具與試件夾持良好，其后未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

圖6中的應(yīng)力為名義應(yīng)力，利用荷載值除以試件截面面積得到，后文中的名義應(yīng)力均采用本方法計(jì)算。

該復(fù)合材料順纖維方向拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、泊松比試驗(yàn)結(jié)果見表3，CV表示離散系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)差/均值）。其中拉伸強(qiáng)度σt按式（1）計(jì)算：

式中：F為最大載荷；b為試件寬度；d為試件厚度。

表3 順纖維方向試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Test results of specimens(Longitudinal)

拉伸彈性模量Et按式（2）計(jì)算：

式中：σ''為應(yīng)變?chǔ)?'時(shí)對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)力值；σ'為應(yīng)變?chǔ)?時(shí)對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)力值。

泊松比μ按式（3）計(jì)算：

式中ε1、ε2分別為縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

從表3可以看出，2種試件順纖維方向拉伸強(qiáng)度有一定差異，達(dá)13.9%，主要是由于布置橫向纖維使多向纖維試件承載力增加。2者拉伸模量、泊松比十分接近，說明布置橫向纖維對(duì)彈性模量、泊松比影響很小。

2.3 垂直纖維方向力學(xué)性能

該復(fù)合材料垂直纖維方向拉伸典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線、橫向-縱向應(yīng)變曲線分別見圖8、9、10。

該復(fù)合材料垂直纖維方向拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從表4可以看出，該復(fù)合材料垂直纖維方向拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、泊松比均大幅下降，與多向纖維試件相比下降幅度分別為89.0%、68.3%、68.3%。

表4 垂直纖維方向試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Test results of specimens(Transverse)

由上述圖表可得到該復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn)：

（1）沒有明顯拉伸屈服點(diǎn)，破壞征兆不明顯，屬于脆性材料。

（2）彈性性能良好，直到破壞前，應(yīng)力-應(yīng)變基本成線性關(guān)系。

（3）順纖維方向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)超過垂直纖維方向。

鑒于上述特點(diǎn)，本文對(duì)該復(fù)合材料在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提出如下建議：

（1）對(duì)于輸電桿塔結(jié)構(gòu)中僅承受拉力的構(gòu)件，可以僅沿長(zhǎng)度方向布置玻璃纖維制成實(shí)心圓形拉桿。

（2）對(duì)于輸電桿塔結(jié)構(gòu)中既承受拉力又承受壓力的構(gòu)件，除在長(zhǎng)度方向布置玻璃纖維外，可以在橫向45°和135°方向布置玻璃纖維制作成空心圓管。

3 與常用鋼材的力學(xué)性能和成本對(duì)比分析

輸電桿塔常用鋼材牌號(hào)為Q345、Q420等，該復(fù)合材料與上述鋼材的力學(xué)性能和成本綜合對(duì)比見表5。

表5 力學(xué)性能和成本對(duì)比分析Tab.5 Contrastive analysis of mechanical property and cost

從表5可以看出：

（1）該材料順纖維方向拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼材屈服強(qiáng)度，多向纖維試件拉伸強(qiáng)度約為Q235鋼材屈服強(qiáng)度的3.8倍。

（2）該材料順纖維方向彈性模量約為鋼材彈性模量的1/4，在相同荷載下，復(fù)合材料桿塔將發(fā)生較大變形。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)本身變形控制。為滿足設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)桿塔撓度的要求，可以采用空心管狀結(jié)構(gòu)加大復(fù)合材料桿塔的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

（3）該材料順纖維方向泊松比與鋼材十分接近。

（4）該材料成本約為鋼材的4倍。但是該材料在以下方面可以顯著節(jié)約工程造價(jià)：1）該材料制作的桿塔重量?jī)H為鋼塔重量的1/2；2）該材料制作的桿塔可以大大節(jié)省安裝費(fèi)用；3）由于該材料絕緣性能較好，輸電線路結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)的更為緊湊，可以降低桿塔高度，相應(yīng)降低工程造價(jià)；4）緊湊型復(fù)合材料桿塔減小了線路走廊所需要的寬度，減少了土地使用費(fèi)用；5）在桿塔使用年限期間，復(fù)合桿塔要求的維護(hù)比鋼塔將大大減少[11]。因此，從工程項(xiàng)目全生命周期考慮，該復(fù)合材料的綜合經(jīng)濟(jì)效益較好。

4 結(jié)論

（1）多向纖維試件拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別為899.274 MPa，45.105 GPa，0.287。單向纖維試件拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別為774.330 MPa，44.638 GPa，0.281。該復(fù)合材料垂直纖維方向拉伸強(qiáng)度、彈性模量、泊松比分別為99.033 MPa，14.316 GPa，0.091。

（2）該復(fù)合材料基本力學(xué)性能和綜合經(jīng)濟(jì)效益較好，適宜在輸電桿塔結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。

（3）應(yīng)盡量將該復(fù)合材料沿纖維方向制作成拉桿或管材形式，以充分利用其優(yōu)異的抗拉性能。

（4）在相同荷載下，使用該復(fù)合材料制造的桿塔將發(fā)生較大變形，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)本身變形控制。為滿足設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)桿塔撓度的要求，可以采用空心管狀結(jié)構(gòu)加大復(fù)合材料桿塔的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

[1]車劍飛，黃清霞，楊 娟.復(fù)合材料及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械出版社，2006.

[2]沈觀林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3]Stewart R.Pultruded poles carry power[J].Reinforced plastic，2003（1）：20-24.

[4]Ibrahim S，Polyzois D，Hassan S K.Development of glass fiber reinforced plastic poles for transmission and distribution lines[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2000，27（5）：850-858.

[5]陳 博.意大利玻璃鋼工業(yè)技術(shù)考察報(bào)告[J].玻璃鋼，1996（2）：36-42.

[6]孫仲齊，陳關(guān)甫，黃李煙.采用新模式復(fù)合桿塔解決輸電系統(tǒng)閃絡(luò)跳閘問題[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（4）：23-26.

[7]夏開全.復(fù)合材料在輸電桿塔中的研究與應(yīng)用[J].高科技纖維及應(yīng)用，2005，30（5）：19-23.

[8]方東紅，韓建平，曹翠玲.復(fù)合材料輸電桿應(yīng)用進(jìn)展[J].玻璃纖維，2008（6）：31-35.

[9]但小容，陳軒恕，劉 飛，等.復(fù)合絕緣桿塔的發(fā)展前景及應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2009（36）：90-91.

[10]王習(xí)術(shù)，李 春.材料各向異性力學(xué)行為試驗(yàn)研究方法探討[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2006（4）：1-7.

[11]胡定超.一種加強(qiáng)型輸電桿塔[J].四川電力技術(shù)，2005（2）：49-50.