小角度纏繞聚氨酯基復(fù)合材料電力桿塔的材料力學(xué)性能研究

李若谷，俞 俊

（南京電力金具設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210000）

0 前言

目前我國(guó)架空線路用桿塔以水泥桿塔和鋼管桿塔為主，但水泥桿塔和鋼管桿塔普遍存在重量重、易腐爛、銹蝕或開(kāi)裂等特點(diǎn)［1］；隨著新材料技術(shù)及其制備工藝的發(fā)展，伴隨著國(guó)家電網(wǎng)推廣的“兩型三新”政策，用復(fù)合材料桿塔替代現(xiàn)有水泥桿塔和鋼管桿塔成為了可能。

復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、電絕緣性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)［2］。早年在電力工程中普遍使用的環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂由于脆性大、耐老化性差、不可鉆孔等原因在一定程度上制約了復(fù)合材料桿塔的發(fā)展；而近年來(lái)新研發(fā)的聚氨酯基復(fù)合材料具有耐腐蝕、耐老化、韌性好、絕緣性好、可鉆孔等特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)樹(shù)脂的不足［3～7］。聚氨酯基復(fù)合材料桿塔可以提高線路運(yùn)行的可靠性，降低維護(hù)頻率，質(zhì)量輕，施工運(yùn)輸方便，應(yīng)用前景非常廣闊。

國(guó)外研究復(fù)合材料桿塔已經(jīng)有50 多年歷史，美國(guó)、加拿大、荷蘭等國(guó)家都有成功應(yīng)用的案例，并具有一定的規(guī)?；瘧?yīng)用［8,9］。我國(guó)從2009 年開(kāi)始進(jìn)行了一系列的復(fù)合材料桿塔示范工程，并取得了一定的進(jìn)展，為日后大規(guī)模應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)［10～12］。

1 研究目的

復(fù)合材料桿塔分為拉擠型、纏繞型、拉擠纏繞一體型，本項(xiàng)目研究的10 kV配網(wǎng)輸電桿塔主要采用的是纏繞工藝成型的單桿塔結(jié)構(gòu)?？紤]到復(fù)合材料的各項(xiàng)異性特性，需對(duì)復(fù)合材料的纖維鋪層方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。復(fù)合材料是由樹(shù)脂和纖維共同受力，纖維作為受力的主體，樹(shù)脂只是起著傳遞力的作用，所以復(fù)合材料沿著纖維方向的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直于纖維方向的強(qiáng)度和模量。復(fù)合材料單桿塔主要受力方向是軸向彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸及剪切，所以目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料單桿塔普遍采用的是小角度纏繞工藝，以增加其軸向方向的力學(xué)性能。小角度纏繞工藝成型的復(fù)合材料桿塔其主要結(jié)構(gòu)層的纖維方向與軸向的夾角在±5°～10°左右，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)合材料的研究測(cè)試報(bào)道主要集中在0°或90°單向鋪層、0°、90°交錯(cuò)鋪層、±45°鋪層。且對(duì)聚氨酯基復(fù)合材料的相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)報(bào)道甚少。為了系統(tǒng)地研究聚氨酯基復(fù)合材料桿塔的力學(xué)性能，對(duì)復(fù)合材料桿塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，必須對(duì)結(jié)構(gòu)層的小角度纏繞復(fù)合材料進(jìn)行系統(tǒng)的材料方面的力學(xué)性能測(cè)試。

根據(jù)國(guó)標(biāo)的制樣標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合材料試樣都是制成板狀，進(jìn)行切割加工制成標(biāo)準(zhǔn)試樣條，考慮到在真型塔上截取制樣會(huì)造成試樣中纖維被大量破壞，測(cè)出的數(shù)據(jù)偏低，所以本項(xiàng)目采取模擬小角度鋪層結(jié)構(gòu)，用手工制成與軸向成一定夾角的交錯(cuò)層壓板，進(jìn)行切削加工測(cè)試。

2 制樣

2.1 制樣數(shù)量及規(guī)格

根據(jù)GB/T1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》、GB/T1448-2005 纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》、GB/T1449-2005 纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》、ISO14130-1997《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料 用短試片法測(cè)定表觀層間粘合剪切強(qiáng)度》、GB/T1454-2005《夾層結(jié)構(gòu)測(cè)壓性能試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行材料的制樣：

（1）制作纖維鋪層與軸向夾角±5°～10°的層壓板，共鋪4 層，厚度約3～4 mm的層壓板4塊，用作小角度層壓板的軸向（±5°～10°）與環(huán)向（90°±5°～10°）方向的拉伸、彎曲、剪切、抗沖擊性能測(cè)試。

（2）制作纖維鋪層與軸向夾角±5°～10°的層壓板，共鋪8 層，厚度約6 mm的層壓板1 塊，用作小角度層壓板的軸向（±5°～10°）與環(huán)向90°±（5°～10°）方向的壓縮性能測(cè)試。

（3）制作纖維鋪層沿軸向的單向?qū)訅喊?，共? 層，厚度約3～4 mm的層壓板2 塊，用作單向?qū)訅喊宓妮S向（0°）與環(huán)向（90°）方向的拉伸、彎曲性能測(cè)試。

（4）制作纖維鋪層沿軸向的單向?qū)訅喊?，共? 層，厚度約6 mm的層壓板1 塊，用作單向?qū)訅喊宓妮S向（0°）與環(huán)向（90°）方向的壓縮性能測(cè)試。

2.2 試驗(yàn)材料

制作層壓板需要物品清單見(jiàn)表1 所示：

表1 物料清單

2.3 制樣過(guò)程

（1）將實(shí)驗(yàn)室空調(diào)打開(kāi)，盡量保持常溫、控制實(shí)驗(yàn)室的濕度，最好保持在濕度40%以下。

（2）將無(wú)堿單向玻纖布剪成500 mm×400 mm的規(guī)格，剪好后放入烘箱內(nèi)干燥半小時(shí)以上以除去纖維中的水分。

（3）將聚酯薄膜剪成700 mm×600 mm的規(guī)格，在聚酯薄膜上均勻的涂抹脫模劑，待半小時(shí)干燥后再涂抹一層，共涂抹3 層。

（4）將聚氨酯樹(shù)脂按照比例進(jìn)行混合，用電動(dòng)攪拌機(jī)對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

（5）將樹(shù)脂均勻地倒在聚酯薄膜上，用刮板刮勻，按照設(shè)計(jì)好的角度鋪放無(wú)堿單向玻纖布，用刮板來(lái)回刮動(dòng)樹(shù)脂，使樹(shù)脂充分浸漬纖維，重復(fù)步驟鋪放無(wú)堿單向玻纖布，刮樹(shù)脂。待鋪放到既定層數(shù)后，最上層鋪放一層聚酯薄膜，用刮板趕走氣泡和刮去多余的樹(shù)脂。

（6）將薄膜和試樣放在不銹鋼夾具中，一起放入烘箱內(nèi)160 ℃烘1～2 h，待其自然冷卻。

（7）將試樣四周飛邊，取中間有效部位送至相關(guān)權(quán)威部門(mén)進(jìn)行檢測(cè)。

3 檢測(cè)

3.1 檢測(cè)設(shè)備

本試驗(yàn)檢測(cè)試樣拉壓彎剪性能所使用的設(shè)備為萬(wàn)能電子拉力機(jī)INSTRON 3382，檢測(cè)試樣沖擊性能所使用的設(shè)備為沖擊試驗(yàn)機(jī)XJ～50Z。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)

小角度層壓板的力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2所示：

表2 小角度層壓板試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

單向?qū)訅喊宓牧W(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3所示：

表3 單向?qū)訅喊逶囼?yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

（續(xù)表）

0°方向?qū)訅喊逶嚇悠烨凹袄旌蟮恼掌艾F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖1、2 所示：

圖1 0°拉伸試樣拉伸破壞前后照片

圖2 0°拉伸試樣測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

0°方向?qū)訅喊鍙澢嚇悠茐那芭c破壞后的照片及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖3、4、5 所示：

圖3 0°彎曲試樣的彎曲破壞前照片

圖4 0°彎曲試樣的彎曲破壞后照片

圖5 0°彎曲試樣測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

0°方向?qū)訅喊鍙澢嚇悠茐那芭c破壞后的照片及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖6、7、8 所示：

圖6 0°壓縮試樣的壓縮破壞前照片

圖7 0°壓縮試樣的壓縮破壞后照片

圖8 0°壓縮試樣測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

4.1 模量計(jì)算公式與近似計(jì)算

對(duì)于單向板，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：

其中，

圖9 坐標(biāo)變換示意圖

當(dāng)坐標(biāo)變換角度時(shí)（圖9）存在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

其中：

平面應(yīng)力條件下簡(jiǎn)化為：

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏橫向模量、泊松比等參數(shù)，計(jì)算工時(shí)簡(jiǎn)化為

采用以上公式進(jìn)行近似估算，結(jié)果詳見(jiàn)表4～表7中：

表4 小角度層壓板±5°～10°（軸向）拉伸模量計(jì)算

表5 小角度層壓板90°±5°～10°（環(huán)向）拉伸模量計(jì)算（缺少數(shù)據(jù)，無(wú)法計(jì)算）

表6 小角度層壓板±5°～10°（軸向）彎曲模量計(jì)算

表7 小角度層壓板90°±5°～10°（環(huán)向）彎曲模量計(jì)算

4.2 強(qiáng)度計(jì)算公式與近似計(jì)算

在一定角度單向應(yīng)力作用下條件下，如圖10所示。

圖10 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

其應(yīng)力計(jì)算公式為：

根據(jù)最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，材料強(qiáng)度為：

依據(jù)以上計(jì)算公式，對(duì)桿塔層壓板強(qiáng)度進(jìn)行近似計(jì)算，結(jié)果詳見(jiàn)表8～13 中：

表8 小角度層壓板±5°～10°（軸向）拉伸強(qiáng)度

表9 小角度層壓板90°±5°～10°（環(huán)向）拉伸強(qiáng)度（數(shù)據(jù)不足，無(wú)法計(jì)算）

表10 小角度層壓板±5°～10°（軸向）彎曲強(qiáng)度

表11 小角度層壓板90°±5°～10°（環(huán)向）彎曲強(qiáng)度

表12 小角度層壓板±5°～10°（軸向）壓縮強(qiáng)度

表13 小角度層壓板90°±5°～10°（環(huán)向）壓縮強(qiáng)度

5 總結(jié)

（1）小角度層壓板±5°～10°（軸向）的實(shí)際拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度基本與理論計(jì)算相符，數(shù)值略低于理論數(shù)值，但在可控范圍之內(nèi)，但實(shí)際壓縮強(qiáng)度略高于理論數(shù)值；

（2）小角度層壓板90°±5°～10°（環(huán)向）的實(shí)際拉伸強(qiáng)度基本為聚氨酯樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度，一般40～50 MPa；實(shí)際彎曲強(qiáng)度與理論計(jì)算相符，數(shù)值偏差略高，這與手糊制樣樹(shù)脂含量較高有一定關(guān)系；實(shí)際壓縮強(qiáng)度與理論計(jì)算相符，數(shù)值與理論計(jì)算幾乎一樣，因而壓縮強(qiáng)度主要受樹(shù)脂的性能影響，與纖維的含量及纖維走向影響較??；

綜上，此次試驗(yàn)測(cè)試出的小角度層壓板的強(qiáng)度與模量的數(shù)值與理論計(jì)算出的數(shù)值在可控范圍之內(nèi)，其值偏小于理論計(jì)算值。這是因?yàn)橛捎趶?qiáng)度理論建立在無(wú)限大層板上，沒(méi)有考慮試驗(yàn)件有限寬度帶來(lái)邊界纖維不完整導(dǎo)致的應(yīng)力集中破壞，所以理論估算會(huì)高于測(cè)試。