中波塔高強瓷絕緣柱腳性能研究

方茜孫永良馬人樂劉玉海

1.同濟大學土木工程學院,上海2000922.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海2000923.東營市河口區(qū)水利局,山東東營257200

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中波塔高強瓷絕緣柱腳性能研究

方茜1*,孫永良2,馬人樂1,劉玉海3

1.同濟大學土木工程學院,上海200092
2.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海200092
3.東營市河口區(qū)水利局,山東東營257200

摘要:本文提出了一種新型柱腳設計方案，將非金屬預應力筋安裝在柱腳，運用施加預應力的方法改變柱腳應力性質，使其不僅易于抗壓，也易于抗彎和抗拉，改善了高強絕緣陶瓷的脆性特性，提高其韌性。針對該新型柱腳設計方案，以一實際工程為算例，進行了AFRP張拉錨固方法探究試驗以及瓷絕緣柱腳抗彎試驗。通過試驗，總結了AFRP筋施加預拉力的方法，并分析了該新型柱腳的受力性能。

關鍵詞:AFRP筋;絕緣陶瓷;預應力;抗彎試驗

一般中波塔的塔體下端必須采用底座絕緣子，其采用耐高電壓的高頻絕緣陶瓷制造，且必須承受塔體的壓力及拔力[1]。但是，傳統(tǒng)的中波塔塔底絕緣有如下缺點：(1)只能抗壓，抗拉、彎能力較差，危險系數(shù)大；(2)維修費用大，不經濟。針對上述情況，本文提出了一種新型柱腳，在對新型材料進行研究的基礎上，將非金屬預應力筋中的一種——AFRP預應力筋[2]安裝在柱腳陶瓷絕緣子中，運用施加預應力的方法改變柱腳應力性質，使其不僅易于抗壓，也易于抗彎和抗拉。

本文分別針對非金屬預應力筋及其和絕緣陶瓷的組合體設計、制作一批試件并完成相關的試驗工作。其中非金屬預應力筋試驗為張拉錨固試驗，主要探究對非金屬預應力筋張拉錨固的方法；組合體試驗為抗彎試驗，主要探究新型柱腳的受力性能。

1　新型高強瓷絕緣柱腳構造特征與組成

新型高強瓷絕緣柱腳由兩部分組成：非金屬預應力筋和圓筒形瓷絕緣體。其中，非金屬預應力筋采用聚酯筋的形式。圓筒形高強瓷絕緣體是具有高強度、高電阻率、低高頻損耗和高抗電強度的陶瓷材料絕緣體，較經濟。如圖1所示。

圖1　高強瓷絕緣柱腳簡圖Fig.1 High-strength ceramic insulating column foot sketch

安裝時，首先將帶孔的圓筒形高強瓷絕緣子夾在加壓板（連同塔柱）和絕緣瓷底板（連同過渡段）之間，并對準孔中心；之后在加壓板和絕緣瓷底板之間套入雙頭螺栓，頂緊絕緣子；再將高強AFRP筋穿入高強瓷絕緣體的孔中并使加壓板套入上部；然后張拉高強AFRP筋并固定即可。

更換該高強瓷絕緣柱腳時，首先安裝好4M42臨時固定螺栓，張拉AFRP筋使之松弛，拆卸AFRP筋，拆卸瓷體，更換新瓷體及AFRP筋，張拉新AFRP筋并固定，拆卸臨時固定螺栓即可。

2　高強瓷絕緣柱腳性能研究

本文提出的新型高強瓷絕緣柱腳主要由AFRP預應力筋[3]和陶瓷絕緣子組成，對該柱腳的性能的研究主要有兩方面：對AFRP筋張拉錨固方法的探究試驗[4]和對瓷絕緣柱腳的抗彎試驗。

2.1AFRP筋張拉錨固方法探究試驗

AFRP筋是一種可施加預拉力的筋材。由于國內外關于AFRP筋的張拉體系研究很不成熟，所以本文提出一種新的張拉設計方法，為鋼套管加膠、加銷軸型張拉設計方法。

圖2為鋼套管加膠、加銷軸型張拉設計方法。預拉力試驗最終加到約272 kN，筋材張拉端滑移。試驗結果見圖3。

圖2　AFRP筋示意圖Fig.2 AFRP tendon

圖3　相對滑移圖Fig.3 Relative slip

根據試驗的結果，可得出如下結論：(1)AFRP筋鋼套管加膠、加銷軸型張拉方法最大可以張拉到272 kN；(2)該方案安裝簡單、制作費用較低，但是工廠加工技術性較強。從實驗數(shù)據來看，該方法基本達到本文所需要的預拉力要求，后續(xù)可以再對該方法進行適當調整后可達到更高的要求。

2.2瓷絕緣柱腳抗彎試驗

實際工程中，瓷絕緣柱腳處于拉-剪復合作用以及壓-剪復合作用的情況下，同時由于受剪力的作用，絕緣柱腳底部出現(xiàn)受彎的情況。對構件施加的荷載根據實際工程中一高76 m、基本風壓?=0.45 kN/m2的三邊形塔在柱腳所受力施加，根據實際情況，塔底受拉625 kN，受壓730 kN，受剪30 kN(均為設計值)。

試驗時，將柱腳橫放，兩端和反力架鉸接，模擬一簡支梁。在跨中施加一集中荷載，力為柱腳所受剪力的兩倍。根據力傳遞原理，絕緣子兩側面受力為實際剪力大小。此時瓷絕緣子整體受彎。根據瓷絕緣子的設計荷載進行豎向集中力（剪力）加載，觀測瓷絕緣子的受力情況和變形特性[5]。

試驗的試件包括陶瓷絕緣子和工廠加工的鋼套管加膠、加銷軸型的AFRP筋。其中，陶瓷絕緣子已經事先做過抗壓試驗，試驗結果表明，當壓力達到1800 kN時陶瓷仍未損壞。采用一個反力架，頂部設一個50 t的千斤頂，施加豎向集中力(圖4)。

試驗中需要量測應變。在陶瓷絕緣子頂部、側面和底面中心，布置單向應變片A1/A2/A3(圖5)。

圖4　加載方案簡圖Fig.4 Loading scheme sketch

圖5　絕緣陶瓷應變片布置圖Fig.5 Stain gauge arrangement on the insulating ceramic

先進行AFRP筋材的張拉，需要對稱分級張拉AFRP筋，防止受力不均。實際工程中對AFRP筋施加預拉力為230 kN，柱腳拉力為625 kN，由于試驗設備限制，考慮抵消該外拉力引起的絕緣瓷體的預壓緊力，則本實驗單根筋材需要施加的預拉力為：則每根筋加95 kN預拉力。絕緣陶瓷上A1、A2、A3各點荷載-應變最終擬合曲線如圖6所示。

圖6　絕緣陶瓷各測點荷載-應變曲線Fig.6 Load-stain curve of every point on the insulating ceramic

可見該瓷絕緣子符合平截面假定原則，在受力狀態(tài)下上下鋼板始終緊貼中間絕緣瓷體，陶瓷受力面（頂面）受壓，對立面（底面）受拉，側面因為位于中性軸上，應力始終為0。并且瓷絕緣柱腳在此純彎狀態(tài)下應變較小，受力性能良好。需要注意的是，圖6中陶瓷的應變?yōu)橄鄬儯捎诮畈氖┘恿?5 kN的預拉力，在陶瓷相對應變?yōu)?時，其絕對應變?yōu)樨撝?，即受壓，壓應變約為：

將該應變值和圖6中應變值進行疊加，發(fā)現(xiàn)陶瓷在力施加過程中始終處于受壓狀態(tài)，可見AFRP筋施加預應力后可以壓緊陶瓷，抵消其拉應力。

3　結論

本文分別針對AFRP筋，AFRP筋和陶瓷絕緣子的組合體設計、制作了一批試件并完成了相關的試驗工作。其中AFRP筋試驗為張拉錨固方法探究試驗，組合體試驗為抗彎試驗，更能反映構件的本質受力特性。本文提出的新型高強瓷絕緣柱腳主要有以下優(yōu)點：1.該新型絕緣柱腳在實際受力情況下表現(xiàn)出典型的整體彈性性能，可以受壓，也可以受彎、受拉，多向受力；2.構造簡單，傳力直接，有抗沖擊能力。3.維修更換方便，工程經濟性強。

通過瓷絕緣柱腳抗彎試驗，驗證了本課題提出的新型瓷絕緣柱腳的優(yōu)點，即在受壓狀態(tài)下，依靠陶瓷抗力；在受拉狀態(tài)下，依靠施加了預應力的AFRP筋抗力，保證各材料性能的最優(yōu)利用。

本文的研究雖然取得了初步的成功，但依然任重道遠，尚有許多有待進一步深入進行的研究工作，這里擇其要者簡要討論如下：1.在瓷絕緣柱腳抗彎試驗中以一個實際工程為算例，今后如果遇到其他工程塔底受力更大，對筋材的預拉力要求更高，還需繼續(xù)做單根筋材的預拉試驗；2.陶瓷絕緣子的尺寸較大，可以按照實際受力情況加以減??；3.對于AFRP筋的預應力松弛情況還需要進一步研究，包括蠕變影響等。

參考文獻

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Study on the Performance of High-strength Ceramic Insulating Column Foots in Medium Wave Towers

FANG Qian1*, SUN Yong-liang2, MARen-le1,LIU Yu-hai3

1. School of Civil Engineering/Tongji University, Shanghai 200092, China
2. Tongji Architecture Design (Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China
3. Water Bureau of Hekou District Dongying City, Dongying 257200, China

Abstract:In this paper, a new type of column foot was proposed. The non-metallic prestressed tendons were installed into the column foot, whose stress properties were changed using the prestressed method making it not only easy to resist to pressure, but also easy to resist to bending and tensile strength, and the brittleness of high-strength insulating ceramics was changed, the ductility was improved. Then prestressed test of AFRP tendons and bending tests of the combination of AFRP tendons and ceramics were designed to make and finish towards the new column foot on a practical project. According to the tests, the prestressed methods of AFRP tendons were concluded, and mechanical performance of the new column foot was analyzed.

Keywords:AFRP tendons; insulating ceramic; prestress; bending test

*通訊作者:Author for correspondence. E-mail:tjfangqian@126.com

作者簡介:方茜(1990-),女,在讀碩士研究生,主要從事高聳結構的研究. E-mail:tjfangqian@126.com

收稿日期:2015-04-02修回日期: 2015-04-23

中圖法分類號:TU359

文獻標識碼:A

文章編號:1000-2324(2015)04-0581-03