碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)輸電鐵塔腐蝕受損地腳螺栓的試驗(yàn)研究

馬君鵬，王永強(qiáng)，池永斌，岳賢強(qiáng)

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102； 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210008；3. 武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司, 湖北 武漢 430000)

0 引言

高壓輸電線(xiàn)路在服役過(guò)程中長(zhǎng)期暴露在各種腐蝕環(huán)境下，尤其是穿越鹽堿地和地處海洋氣候的輸電線(xiàn)路，其桿塔的地腳螺栓在腐蝕介質(zhì)長(zhǎng)期侵蝕作用下產(chǎn)生腐蝕損傷，造成有效受力截面減小，不能滿(mǎn)足線(xiàn)路運(yùn)行強(qiáng)度要求。嚴(yán)重時(shí)，地腳螺栓發(fā)生斷裂，造成倒塔事故，嚴(yán)重危害高壓輸電線(xiàn)路和電網(wǎng)安全[1-2]。因此，需要定期對(duì)運(yùn)行年限較長(zhǎng)或地處重腐蝕環(huán)境的輸電線(xiàn)路桿塔地腳螺栓進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，評(píng)估其腐蝕受損程度和耐受應(yīng)力安全狀態(tài)，對(duì)受損超標(biāo)地腳螺栓進(jìn)行損傷補(bǔ)強(qiáng)。

地腳螺栓損傷補(bǔ)強(qiáng)的方法有多種，主要有金屬補(bǔ)強(qiáng)和碳纖維復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)補(bǔ)強(qiáng)兩大類(lèi)。金屬補(bǔ)強(qiáng)通過(guò)焊接型鋼或螺栓連接實(shí)現(xiàn)，存在施工困難、施工周期長(zhǎng)、抗腐蝕性差、耐久性差、須改變結(jié)構(gòu)物形狀等問(wèn)題。補(bǔ)強(qiáng)后還會(huì)存在焊接缺陷、殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等問(wèn)題，影響設(shè)備安全使用，且運(yùn)行中還會(huì)產(chǎn)生新的腐蝕損傷。碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)充分利用了碳纖維的比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性好、施工方便等優(yōu)勢(shì)，克服了金屬補(bǔ)強(qiáng)方法的諸多缺點(diǎn)，能夠獲得良好的補(bǔ)強(qiáng)效果，在鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中得到了廣泛的應(yīng)用[3-5]。

對(duì)于棒型構(gòu)件而言，采取碳纖維復(fù)合材料方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，其方法相對(duì)簡(jiǎn)單，在損傷部位直接粘貼一定厚度的碳纖維材料即可。碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)形式主要有：1)在損傷部位粘貼兩片半圓弧型碳纖維材料構(gòu)成一個(gè)圓筒。這種形式應(yīng)用較多，效果較好；2)在損傷部位纏繞碳纖維布然后浸膠[6]。這種補(bǔ)強(qiáng)形式效果最好，但現(xiàn)場(chǎng)施工困難、不易實(shí)施；3)在損傷部位安裝一個(gè)橡膠套筒，在套筒內(nèi)灌注碳纖維樹(shù)脂膠泥。這種補(bǔ)強(qiáng)形式效果能滿(mǎn)足對(duì)構(gòu)件金屬損傷的補(bǔ)強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)施工方便、快捷、特別適用于異形部位的補(bǔ)強(qiáng)，是FRP補(bǔ)地腳螺栓很有效的方法，近年來(lái)引起廣泛關(guān)注和研究[7]。

高壓輸電鐵塔地腳螺栓屬于棒型構(gòu)件，完全適合利用碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。目前，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)具體應(yīng)用案例，因此應(yīng)從上述3種補(bǔ)強(qiáng)形式中優(yōu)選一種最適合于地腳螺栓現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施的補(bǔ)強(qiáng)形式?？紤]地腳螺栓修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)施工空間限制和操作難易程度，采用上述第一種粘貼兩片半圓弧型碳纖維材料的補(bǔ)強(qiáng)形式是最優(yōu)方法。這種方法受現(xiàn)場(chǎng)施工影響小，且碳纖維套筒耐腐蝕，可以保護(hù)碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體免受腐蝕介質(zhì)的侵蝕，延緩其老化進(jìn)程，提高其耐久性。

本文針對(duì)輸電線(xiàn)路地腳螺栓碳纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)方法和效果進(jìn)行研究。首先根據(jù)地腳螺栓的直徑和受損部位的形狀和尺寸確定套管的長(zhǎng)度和直徑，進(jìn)而確定碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的尺寸；然后對(duì)補(bǔ)強(qiáng)后地腳螺栓進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得其力學(xué)性能的相關(guān)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證補(bǔ)強(qiáng)效果；同時(shí)通過(guò)觀察碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體在受力過(guò)程中的變化，確定補(bǔ)強(qiáng)所需碳纖維管長(zhǎng)度和灌注碳纖維樹(shù)脂膠泥厚度等關(guān)鍵參數(shù)的閾值。

1 補(bǔ)強(qiáng)材料及試驗(yàn)

1.1 補(bǔ)強(qiáng)材料

本次補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)選用規(guī)格為M20×550mm、材質(zhì)為Q235的地腳螺栓加工缺陷模擬試樣。采用目前工程中常用的3種規(guī)格碳纖維管，分別為φ24mm×2mm、φ26mm×3mm、φ28mm×8mm。補(bǔ)強(qiáng)碳纖維選用T300絲材，補(bǔ)強(qiáng)黏結(jié)樹(shù)脂選用專(zhuān)用纖維黏結(jié)劑。各項(xiàng)材料的力學(xué)性能指標(biāo)如表1-表4所示。

選用的專(zhuān)用纖維黏結(jié)劑具有黏度低、浸潤(rùn)性好、固化后有較高的強(qiáng)度和韌性等優(yōu)點(diǎn)，能夠和碳纖維協(xié)同工作提升補(bǔ)強(qiáng)效果，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固中。

表1 Q235地腳螺栓的力學(xué)性能參數(shù)

表2 碳纖維管力學(xué)性能

表3 T300碳纖維絲力學(xué)性能

表4 纖維黏結(jié)劑性能指標(biāo)

1.2 試樣設(shè)計(jì)

1) 缺陷設(shè)計(jì)

地腳螺栓的損傷主要是腐蝕造成的表面蝕坑或均勻減薄。其中，由于蝕坑存在顯著的應(yīng)力集中，危險(xiǎn)性更大。因此在地腳螺栓模擬試樣上加工模擬蝕坑缺陷，缺陷深度按直徑腐蝕缺失20%確定，試樣直徑為20mm，缺陷深度對(duì)應(yīng)為4mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為10mm。

2) 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)體的尺寸設(shè)計(jì)與選取

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)體主要由碳纖維管和碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體兩部分組成。其中碳纖維管的管徑和厚度可按照安全性和經(jīng)濟(jì)性原則在常用規(guī)格中選取。碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的厚度由碳纖維管的尺寸確定，長(zhǎng)度與碳纖維管一致?？傮w來(lái)看，影響碳纖維補(bǔ)強(qiáng)體補(bǔ)強(qiáng)效果的主要參數(shù)為碳纖維補(bǔ)強(qiáng)體的長(zhǎng)度和碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的厚度。

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)體長(zhǎng)度的選取一是要考慮缺陷尺寸，二是要考慮缺陷的影響范圍。根據(jù)圣維南原理，對(duì)于棒型工件而言，缺陷的影響范圍相當(dāng)于其直徑的1～1.5倍，考慮安全裕量按2倍計(jì)算，因此碳纖維補(bǔ)強(qiáng)體長(zhǎng)度為缺陷長(zhǎng)度與4倍螺栓直徑長(zhǎng)度之和。按照以上原則，本實(shí)驗(yàn)T300碳纖維復(fù)合管的長(zhǎng)度選為90mm，如圖1所示。

碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的厚度為試樣外徑和T300碳纖維復(fù)合管的內(nèi)徑之差。因此，選擇不同內(nèi)徑的碳纖維復(fù)合管，就可獲得不同厚度的碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體。為了比較并優(yōu)化確定碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的最佳尺寸，本試驗(yàn)T300碳纖維復(fù)合管選取3種尺寸，分別為φ24mm×90mm×2mm、φ26mm×90mm×3mm、φ28mm×90mm×8mm，對(duì)應(yīng)的碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體尺寸為90mm×2mm、90mm×3mm、90mm×4mm。將所選補(bǔ)強(qiáng)碳纖維管切割成兩個(gè)半圓型，置于Q235材質(zhì)地腳螺栓模擬缺陷之上，灌注碳纖維樹(shù)脂膠泥，并震動(dòng)使其密實(shí)化和固化，如圖2、圖3所示。每種尺寸的試樣各制備兩根，徹底干燥后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖1 碳纖維管

圖2 碳纖維管補(bǔ)強(qiáng)試件

圖3 碳纖維膠泥填充后補(bǔ)強(qiáng)試件

1.3 試驗(yàn)加載設(shè)備及試驗(yàn)過(guò)程

拉伸試驗(yàn)在1000kN材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將制備好的試樣正確安裝在試驗(yàn)機(jī)的夾具內(nèi)，使試件中心線(xiàn)和鉗口里的中心線(xiàn)吻合，如圖4所示。試驗(yàn)連續(xù)緩慢加載，加載速率控制為0.5kN/s。在試驗(yàn)過(guò)程中，觀察記錄碳纖維補(bǔ)強(qiáng)部位在加載過(guò)程的變化情況及其破壞形態(tài)。

圖4 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)試件拉伸試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過(guò)程及破壞特征

在拉伸試驗(yàn)加載初期，試件外觀等均無(wú)明顯變化，當(dāng)荷載加到屈服極限σs的70%以后，2mm厚碳纖維補(bǔ)強(qiáng)試件出現(xiàn)少許波動(dòng)和異響，最后試件斷裂于未補(bǔ)強(qiáng)鋼桿處。3mm及以上厚度的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)試件拉伸過(guò)程中未出現(xiàn)該現(xiàn)象，試件均斷裂于未補(bǔ)強(qiáng)鋼桿處。對(duì)拉斷后的所有試件碳纖維補(bǔ)強(qiáng)部位進(jìn)行剝離，采用10倍放大鏡進(jìn)行觀察，在2mm厚碳纖維補(bǔ)強(qiáng)試件的碳纖維管和碳纖維樹(shù)脂膠泥上發(fā)現(xiàn)呈45°的微小裂紋，3mm及以上厚度的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)試件未見(jiàn)此情況。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有碳纖維補(bǔ)強(qiáng)試樣均斷裂于母材部位，未發(fā)生斷裂在補(bǔ)強(qiáng)部位的情況，其拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)與無(wú)缺陷地腳螺栓的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)相近，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明選擇的所有補(bǔ)強(qiáng)尺寸均達(dá)到了補(bǔ)強(qiáng)的強(qiáng)度要求。

圖5 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)地腳螺栓拉伸曲線(xiàn)

在加載過(guò)程中，試樣補(bǔ)強(qiáng)部分的外觀均沒(méi)有明顯變化，但2mm厚碳纖維補(bǔ)強(qiáng)試件會(huì)出現(xiàn)異響。通過(guò)對(duì)所有補(bǔ)強(qiáng)試件拉斷后補(bǔ)強(qiáng)部位的觀察，2mm厚碳纖維補(bǔ)強(qiáng)試件的補(bǔ)強(qiáng)部位會(huì)出現(xiàn)微小裂紋，3mm及以上厚的碳纖維管可以保證碳纖維管增強(qiáng)體不產(chǎn)生微裂紋等可能影響安全使用的欠缺，見(jiàn)圖6。因此，3mm及以上厚度的T300碳纖維復(fù)合管能夠取得良好的補(bǔ)強(qiáng)效果，且能保證補(bǔ)強(qiáng)后的安全使用。

圖6 拉伸后的碳纖維增強(qiáng)體

2.3 綜合分析

補(bǔ)強(qiáng)后的地腳螺栓在受力時(shí)，一部分載荷通過(guò)碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體黏結(jié)界面及黏結(jié)劑的剪切變形來(lái)傳遞到外層的碳纖維管上，從而降低了地腳螺栓的名義應(yīng)力。地腳螺栓的材質(zhì)及表面狀態(tài)、碳纖維管的種類(lèi)、碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的長(zhǎng)度與厚度等因素都會(huì)影響補(bǔ)強(qiáng)效果[8]。

T300碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于常用結(jié)構(gòu)鋼，如Q235、Q345、35#、45#等鋼材，只要碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度足夠，補(bǔ)強(qiáng)部位就不會(huì)發(fā)生斷裂。因此，補(bǔ)強(qiáng)效果取決于碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度。碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的強(qiáng)度可以通過(guò)增加厚度來(lái)提高；黏結(jié)強(qiáng)度可以通過(guò)增加地腳螺栓表面粗糙度、增加碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體與地腳螺栓和與T300碳纖維復(fù)合管的接觸表面積來(lái)提高，而增加T300碳纖維復(fù)合管的長(zhǎng)度即可實(shí)現(xiàn)接觸面積的增加。采用砂輪打磨地腳螺栓可使其表面粗糙，可進(jìn)一步增大黏接表面積。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，碳纖維樹(shù)脂膠泥補(bǔ)強(qiáng)體的厚度>3mm，碳纖維補(bǔ)強(qiáng)體長(zhǎng)度>90mm即可很好滿(mǎn)足補(bǔ)強(qiáng)要求。

實(shí)際上，高壓輸電線(xiàn)路桿塔用地腳螺栓有多種規(guī)格尺寸，需選用不同規(guī)格的碳纖維管，根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，提出一種碳纖維管尺寸選取原則：

1) 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)管長(zhǎng)度應(yīng)大于地腳螺栓腐蝕缺陷軸向長(zhǎng)度與4倍地腳螺栓直徑之和，補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施時(shí)應(yīng)保證于缺陷部位兩端各外延≥2倍地腳螺栓直徑長(zhǎng)度。

2) 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)管直徑不小于地腳螺栓直徑與碳纖維補(bǔ)強(qiáng)管壁厚的1.15倍之和。

3) 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)管壁厚不小于地腳螺栓直徑的15%。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)綜合分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施適用性、補(bǔ)強(qiáng)體強(qiáng)度性能、抗腐蝕性和耐久性等各種因素，提出通過(guò)粘貼碳纖維管對(duì)輸電線(xiàn)路地腳螺栓腐蝕缺陷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)的方法。

2) 通過(guò)對(duì)厚度分別為2mm、3mm、4mm的碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，驗(yàn)證和比較了不同厚度碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體的補(bǔ)強(qiáng)效果。結(jié)果表明，通過(guò)灌注碳纖維樹(shù)脂膠泥粘貼碳纖維管的方法補(bǔ)強(qiáng)腐蝕受損地腳螺栓能夠滿(mǎn)足安全使用的強(qiáng)度要求，且碳纖維樹(shù)脂膠泥增強(qiáng)體厚度≥3mm時(shí)可以達(dá)到良好效果。

3) 針對(duì)灌注碳纖維樹(shù)脂膠泥粘貼碳纖維管補(bǔ)強(qiáng)方法具體工程應(yīng)用時(shí)碳纖維補(bǔ)強(qiáng)管長(zhǎng)度、厚度、直徑等關(guān)鍵參數(shù)的選取問(wèn)題，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果提出了推薦性的選取原則，有利于指導(dǎo)工程實(shí)踐。