玻璃纖維復(fù)合套管拉壓連接性能研究

王振山,王煥郎,劉云賀,王育路,郭宏超,馬　輝

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.國網(wǎng)陜西省電力公司,陜西 西安 710048;3.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,陜西 西安 710065)

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玻璃纖維復(fù)合套管拉壓連接性能研究

王振山1,王煥郎2,劉云賀1,王育路3,郭宏超1,馬輝1

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.國網(wǎng)陜西省電力公司,陜西 西安 710048;3.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,陜西 西安 710065)

玻璃纖維復(fù)合材料(簡稱GFRP材料)憑借質(zhì)量輕、強(qiáng)度高以及耐腐蝕等優(yōu)勢(shì),在工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。其連接性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要一環(huán),實(shí)際工程中常采用鋼套管連接形式。對(duì)于Φ200×10規(guī)格鋼套管的連接性能進(jìn)行研究,為了避免“尺寸效應(yīng)”的影響,試件均為足尺模型。通過試驗(yàn)裝置,對(duì)其軸心抗壓與抗拉性能進(jìn)行研究,得到了GFRP復(fù)合鋼套管的荷載-位移曲線和應(yīng)變分布規(guī)律,分析了其極限承載力、變形能力和破壞形式的影響因素。

玻璃纖維; 套管連接; 極限承載力; 破壞形式

玻璃纖維復(fù)合材料(簡稱GFRP)主要是由樹脂和纖維或其織物組成[1],常用成型工藝方法有纏繞成型法、拉擠成型法和模壓成型法等[2];GFRP材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高,同時(shí)耐腐蝕性較好,在加固結(jié)構(gòu)、地下、海洋等工程中應(yīng)用越來越廣泛。GFRP復(fù)合材料強(qiáng)度高、耐污,尤其絕緣性好,可有效降低雷擊和污閃引起的線路跳閘故障概率,國外輸電工程已開始采用。本文依托330 kV和750 kV變電站構(gòu)架項(xiàng)目,在輸電塔架接頭部位與橫擔(dān)結(jié)構(gòu)中使用該種材料。GFRP材料對(duì)溫度以及紫外線較敏感,在自然條件下耐久性較低,但表面經(jīng)防腐隔熱處理后,其耐久性大大提高,可滿足工程應(yīng)用要求。目前,國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)其受力性能展開研究[3-11],主要集中在復(fù)合材料的制備以及材性性能方面,具體為:GFRP復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、變形能力、泊松比和破壞形式等。對(duì)復(fù)合桿件的整體受力以及連接性能研究較少,這對(duì)GFRP復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用帶來一定影響。復(fù)合套管由GFRP管和鋼套管兩部分構(gòu)成,其端部法蘭鋼套管主要起到連接其它構(gòu)件作用,GFRP管與鋼套管之間采用高強(qiáng)粘結(jié)劑固定。本文針對(duì)玻璃纖維復(fù)合套管連接的極限承載力和破壞形式進(jìn)行研究,對(duì)該材料的推廣應(yīng)用具有積極的意義。

1　試驗(yàn)介紹

1.1試件設(shè)計(jì)

根據(jù)GFRP復(fù)合材料的優(yōu)良特性,計(jì)劃在330 kV和750 kV輸電塔架橫擔(dān)結(jié)構(gòu)中采用GFRP復(fù)合管。

由于國內(nèi)對(duì)其連接的受力性能研究較少,缺乏試驗(yàn)資料,項(xiàng)目對(duì)GFRP復(fù)合鋼套管的連接性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)工程要求,復(fù)合套管尺寸為Φ200×10,GFRP管采用濕法纏繞成型法生產(chǎn),節(jié)點(diǎn)形式為高強(qiáng)螺栓鋼法蘭連接,法蘭與復(fù)合管之間采用高強(qiáng)膠進(jìn)行固定,形成GFRP復(fù)合套管連接構(gòu)件,具體形式見圖1,幾何尺寸見表1。根據(jù)材性試驗(yàn)結(jié)果,GFRP材料和高強(qiáng)粘結(jié)劑參數(shù)見表2和表3。

圖1　試件形式Fig.1　The specimen form

試件類型試件截面/mm試件長度/mm套管尺寸/mm復(fù)合管長度/mm受壓試件數(shù)量受拉試件數(shù)量連接形式1Φ200×10100020060032粘結(jié)套管

表2　GFRP材料力學(xué)性能參數(shù)

表3　粘結(jié)劑性能參數(shù)

1.2加載裝置

受壓試驗(yàn)在長柱壓力機(jī)上完成,試驗(yàn)裝置如圖2所示,現(xiàn)場情況如圖3所示。為了降低“端頭效應(yīng)”的影響,更準(zhǔn)確的反應(yīng)出復(fù)合套管在軸心壓力作用下的力學(xué)性能,試件的端部都帶有加載端,具體形式見圖4。加載端為帶加勁肋十字鋼盤,目的使得壓力施加更均勻。受拉試驗(yàn)在4 000 kN臥式拉力機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)裝置見圖5。試件放置于拉力機(jī)中部,呈水平狀;試件端頭帶有連接端板,液壓裝置通過夾緊的連接鋼板,對(duì)試件施加拉力。連接鋼板豎向放置,尺寸為450 mm×50 mm。試驗(yàn)現(xiàn)場情況見圖6。

圖2　軸心受壓試驗(yàn)裝置Fig.2　The axial compression test device

圖3　軸心受壓試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.3　The scene of axial compression test

圖4　加載端形式Fig.4　The loading end form

圖5　受拉試驗(yàn)裝置Fig.5　The axial tensile test device

圖6　受拉試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.6　The scene of axial tensile test

1.3試驗(yàn)方案與加載制度

受壓試驗(yàn)方案:每個(gè)試件布置32個(gè)應(yīng)變片、6個(gè)位移計(jì),其中,鋼套管布置16個(gè)應(yīng)變片、復(fù)合管連接處布置8個(gè)、復(fù)合管身布置8個(gè)應(yīng)變片;位移計(jì)分別布置在構(gòu)件的頂部(2個(gè))、中部(2個(gè))、底部(2個(gè)),測(cè)定豎直方向以及平面外的位移變化。應(yīng)變片、位移計(jì)具體布置情況見圖7。加載形式采用荷載控制方式,具體步驟見表4。

圖7　受壓試件應(yīng)變片和位移計(jì)分布Fig.7　Strain gauge and displacement meter distribution of compression specimen

方案步驟荷載/kN加載速率/(kN/min)10～10005021000持荷60s31000～13003041300～200010

受拉試驗(yàn)方案:每個(gè)試件布置14個(gè)應(yīng)變片和2個(gè)位移計(jì);具體為:鋼套管上布置8個(gè)應(yīng)變片,套管粘結(jié)處布置4個(gè),復(fù)合管中部布置2個(gè)應(yīng)變片。位移計(jì)分別布置在試件的端部,具體情況見圖8。加載形式采用荷載控制方式,具體步驟見表5。

圖8　受拉試件應(yīng)變片和位移計(jì)分布Fig.8　Strain gauge and displacement meter distribution of tensile specimen

加載步驟荷載/kN加載速率/(kN/30s)10～500302500持荷60s3500～800204800持荷60s5800～破壞10

2　試驗(yàn)過程及現(xiàn)象

2.1受壓試驗(yàn)現(xiàn)象

1)試件1

試驗(yàn)初期,無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;加載至320 kN時(shí),試件發(fā)出脆斷裂聲;320～1 100 kN,發(fā)生數(shù)次斷裂聲響;1 100～1 690 kN,無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生;加載至1 700 kN時(shí),突然發(fā)出巨大的斷裂聲響,試件破壞。破壞形式從套管連接處向下,與豎直方向呈斜下45°的截面發(fā)生斷裂,由于整個(gè)加載過程中,試件除了發(fā)生斷裂聲響外,無明顯變形;試件1發(fā)生脆性破壞,破壞形式見圖9。

圖9　受壓試件1破壞現(xiàn)象Fig.9　Failure phenomena of compressed specimen 1

2)試件2

加載初期,無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;加載達(dá)到295～995 kN期間,伴隨發(fā)生數(shù)次斷裂聲響;995～1 530 kN:無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生;加載至1 530 kN時(shí),突然發(fā)出巨大斷裂聲,試件被壓壞,同時(shí),可聞到輕微的燒焦氣味;破壞形式為鋼套管與復(fù)合桿粘結(jié)處,與豎直方向呈斜下40°形成斷裂帶,與試件1破壞形式一致,試件2也為典型脆性破壞形式,具體形式見圖10。

圖10　受壓試件2破壞現(xiàn)象Fig.10　Failure phenomena of compressed specimen 2

3)試件3

試驗(yàn)初期,無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;加載至300 kN時(shí),試件連續(xù)發(fā)出斷裂聲響;300～1 060 kN期間不時(shí)發(fā)出斷裂聲響;加載至1 620 kN時(shí),試件破壞。試件3在破壞前有短暫輕微的預(yù)兆性響聲;破壞形式為鋼套管與復(fù)合桿粘結(jié)處,與豎直方向呈斜下45°截面被壓斷。試件3也為典型脆性破壞形式,破壞形式見圖11。

圖11　受壓試件3破壞現(xiàn)象Fig.11　Failure phenomena of compressed specimen 3

2.2受拉試驗(yàn)現(xiàn)象

1)試件1

試驗(yàn)初期,無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;加載至50 kN時(shí),試件發(fā)出幾聲清脆的斷裂聲;50～300 kN,無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;荷載達(dá)到300 kN時(shí),試件發(fā)出輕微脆斷裂聲響;當(dāng)荷載達(dá)到450 kN時(shí),試件發(fā)出較大的斷裂聲;加載繼續(xù)增大至560 kN時(shí),試件發(fā)生一聲較大的撕裂聲;560～715 kN,基本無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;荷載達(dá)到715 kN時(shí),試件發(fā)出巨大聲響,復(fù)合管被拉脫,試驗(yàn)結(jié)束。

圖12　受拉試件1破壞現(xiàn)象Fig.12　Failure phenomena of tensile specimen 1

2)試件2

0～60 kN階段;無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;當(dāng)荷載達(dá)到60 kN時(shí),試件發(fā)出清脆斷裂聲;80 kN時(shí),也發(fā)生同樣情況;加載至120 kN、240 kN、300 kN和350 kN時(shí),試件發(fā)出斷裂聲;350～450 kN,未見明顯試驗(yàn)現(xiàn)象;荷載達(dá)到450 kN時(shí),試件發(fā)生較大的撕裂聲;510 kN時(shí),也發(fā)生類似情況;荷載達(dá)到650 kN時(shí),試件連續(xù)發(fā)出較大的撕裂聲響;當(dāng)荷載達(dá)到680 kN時(shí),復(fù)合管被拉脫,并發(fā)出巨大的破壞聲,試件破壞。

圖13　受拉試件2破壞現(xiàn)象Fig.13　Failure phenomena of tensile specimen 2

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

GFRP復(fù)合套管的荷載-位移曲線見圖14(P為豎向壓力荷載,Δ為豎向變形量)。由圖可知,三個(gè)試件的荷載-位移曲線變化基本類似,為明顯的線性分布,基本無屈服階段,承載力達(dá)到峰值荷載后,即發(fā)生破壞。GFRP復(fù)合材料的強(qiáng)度較高,可與鋼材強(qiáng)度相比;該材料的塑性變性能力較差,整個(gè)曲線呈直線型,無下降段,一旦達(dá)到其極限荷載后,構(gòu)件即發(fā)生破壞。針對(duì)GFRP復(fù)合套管的設(shè)計(jì),應(yīng)嚴(yán)格限制在彈性范圍內(nèi),同時(shí)應(yīng)有較大的承載力裕度,以保證構(gòu)件的安全。

圖14　受壓試件荷載-位移曲線Fig.14　P-Δ curves of compressed specimens

試件鋼套管應(yīng)變情況見圖15。由圖可見,連接處鋼套管應(yīng)變值較小,曲線基本呈直線型分布。試件鋼套管最大應(yīng)變?yōu)?80左右,處于彈性階段。由于GFRP復(fù)合管與鋼管采用高強(qiáng)粘結(jié)劑進(jìn)行粘連,粘連部位的強(qiáng)度與剛度得到較大提高,應(yīng)變值較小。

圖15　受壓試件鋼套管應(yīng)變Fig.15　The strain of steel casings of compressed specimens

試件復(fù)合管身應(yīng)變情況見圖16。由圖可知,曲線基本呈直線狀變化,三個(gè)試件的應(yīng)變情況差別不大。試件復(fù)合管極限應(yīng)變值大約為14 000左右。GFRP復(fù)合管的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于端部鋼管的應(yīng)變值,可見,鋼管對(duì)核心GFRP管的約束效果較好,兩者形成了較大的強(qiáng)度。從復(fù)合管身應(yīng)變來看,線性變化說明GFRP材料難以形成屈服,進(jìn)入彈塑性階段(無強(qiáng)化階段),更難以進(jìn)入退化階段。

圖16　受壓試件復(fù)合管應(yīng)變Fig.16　The strain of composite pipes of compressed specimens

GFRP復(fù)合套管在軸心壓力作用下,產(chǎn)生縱向變形,受材料泊松比影響,同時(shí)產(chǎn)生一定的橫向變形。復(fù)合套管端部GFRP管與鋼套管共同作用,其變形量相對(duì)較小;由于端部橫向變形較小,鋼套管在連接處對(duì)GFRP管產(chǎn)生一定的橫向擠壓作用,由于玻璃纖維橫向抗壓性能較低,在縱向與橫向雙向擠壓作用下,連接處發(fā)生破壞,形成斜向下斷裂帶。

3.2受拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

復(fù)合套管受拉試驗(yàn)荷載-位移曲線見圖17。試驗(yàn)測(cè)得試件的極限承載力大約為700 kN,位移大約為7.8 mm;試件的破壞形式為典型的脆性破壞,具體為復(fù)合管脫落,構(gòu)件失效前,無明顯試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生。試件的粘結(jié)面積為5 966 mm2,經(jīng)計(jì)算,粘結(jié)劑與鋼套管的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度大約為6.5 MPa;相關(guān)研究表明,該粘結(jié)劑的抗剪強(qiáng)度為38 MPa。試件的破壞形式為復(fù)合管脫落,而非斷裂,表明用于粘結(jié)鋼套管與復(fù)合管的粘結(jié)劑連接強(qiáng)度不足,導(dǎo)致復(fù)合管被拉脫。上述分析可見,對(duì)GFRP復(fù)合套管進(jìn)行抗拉設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)按粘結(jié)劑的連接強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,并保有足夠的安全裕度,以防止構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂。

試件鋼套管應(yīng)變情況見圖18,復(fù)合套管應(yīng)變分布見圖19。

圖17　受拉試件荷載-位移曲線Fig.17　P-Δ curves of tensile specimens

由圖18和圖19可知,鋼套管最大應(yīng)變大約為250左右,復(fù)合管應(yīng)變?yōu)? 000左右。應(yīng)變曲線基本呈線性變化,試件1、2的極限荷載和位移相差不大,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也差別不顯著。由于試件的抗拉強(qiáng)度由節(jié)點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)度決定,復(fù)合管應(yīng)變值較小,其承載力潛力較大。從另一個(gè)方面看,對(duì)于GFRP材料造成一定浪費(fèi),實(shí)際工程中,可適當(dāng)減少復(fù)合管厚度,以提高經(jīng)濟(jì)性。

圖18　受拉試件鋼套管應(yīng)變Fig.18　The strain of steel casings of tensile specimens

圖19　受拉試件復(fù)合管應(yīng)變Fig.19　The strain of composite pipes of tensile specimens

GFRP復(fù)合套管在軸心拉力作用下,產(chǎn)生縱向變形,由于GFRP管與鋼套管采用高強(qiáng)粘結(jié)劑連接,連接強(qiáng)度主要由粘結(jié)劑抗剪強(qiáng)度以及粘結(jié)面積決定。從試件的破壞形式看,GFRP管與鋼套管的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于玻璃纖維材料的抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致連接處發(fā)生脫落,而主體桿件未發(fā)生破壞。

4　結(jié)　論

1)軸心壓力作用下復(fù)合套管破壞形式為鋼套管與GFRP管交界處,與豎直方向呈大約45°度截面發(fā)生斷裂;GFRP復(fù)合套管塑性變性能力較差,無屈服階段,試件斷裂前無明顯變形,破壞形式為脆性破壞,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠的安全裕度,該種形式復(fù)合套管設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)建議取值280 MPa。

2)軸心拉力作用下GFRP套管的破壞形式為GFRP管與鋼套管之間發(fā)生脫落,屬于脆性破壞,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保證足夠的安全裕度。復(fù)合套管的承載力由粘結(jié)劑與鋼套管的粘結(jié)強(qiáng)度決定,粘結(jié)強(qiáng)度建議取值6.5 MPa。

3)根據(jù)材性試驗(yàn)結(jié)果,GFRP管件的受壓或受拉承載力大約為2 300 kN,GFRP套管試件的極限受壓承載力大約為1 650 kN;極限抗拉承載力為700 kN。套管的端部擠壓作用使得軸壓承載力下降28.3%;鋼套管膠結(jié)強(qiáng)度不足使得管件受拉承載力降低69.6%?？傮w上看,GFRP復(fù)合套管的極限抗壓承載力可達(dá)到極限抗拉承載力的2倍以上。

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(責(zé)任編輯李斌，王緒迪)

Research on the tensile and compressive resistance connection property of glass fiber composite material casing

WANG Zhenshan1,WANG Huanlang2,LIU Yunhe1, WANG Yulu3,GUO Hongchao1,MA Hui1

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China;2.State Grid Shaanxi Electric Power Company,Xi’an 710048,China;3.State Grid Shaanxi Electric Power Company Economic Research Institute,Xi’an 710065,China)

Glass fiber composite material (Referred to as the GFRP material)with light weight,high strength,corrosion resistance and other advantages has been more extensively used in structure engineering,whose connection properties for the whole structure are very important,for instance steel casing connection is often used in the practical engineering.In this paper,the tensile and compressive resistance connection property of the Φ200×10 with steel casing bonding are studied.In order to avoid the “size effect”,specimens are full scale model.The axial compression and tensile properties of the device are studied by means of test device,so as to obtain the load-displacement curves and strain distribution of GFRP composite steel casing,and the ultimate bearing capacity,deformation capacity and failure modes etc.are analyzed.

glass fiber; casing connection; ultimate bearing capacity; failure mode

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.008

2014-12-25

陜西省科技廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃-青年人才資助項(xiàng)目(2015JQ5166);西安市建設(shè)科技資助項(xiàng)目(SJW2014025);西安理工大學(xué)博士啟動(dòng)金資助項(xiàng)目(107-400211408);陜西省教育廳專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(15JK1534)

王振山,男,博士,講師,研究方向鋼結(jié)構(gòu)及鋼混組合結(jié)構(gòu)抗震。E-mail:wangdayuwang@126.com

TU38

A

1006-4710(2016)01-0039-07