大直徑復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點抗震性能及設(shè)計參數(shù)影響研究

曹枚根，張若愚，黃清，邸悅倫

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.上海大學(xué) 力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，上海 200444；3.江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇 南通 226599；4.電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室(國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心)，湖南 長沙 410129)

特高壓電網(wǎng)迅速發(fā)展，對于變電站及輸電線路的絕緣子機械性能有了更高的要求[1-3]。大多數(shù)設(shè)備都由支柱絕緣子支撐，隨著電壓等級的提升，設(shè)備高度不斷升高，在地震作用下會由于結(jié)構(gòu)承載能力不足導(dǎo)致電氣設(shè)備的損傷，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致大面積輸變電工程停電[4-7]。玻璃纖維增強樹脂復(fù)合材料絕緣子(以下簡稱復(fù)合絕緣子)具有質(zhì)量輕、力學(xué)性能優(yōu)異及抗震能力好等特點，逐漸取代傳統(tǒng)陶瓷絕緣子成為超、特高壓電氣設(shè)備外絕緣的主流選擇。目前我國已能自主研發(fā)、設(shè)計及生產(chǎn)制造300 mm以上復(fù)合絕緣子，并在中、重污區(qū)和地震區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[8]。除材料密度、強度、彈性模量等基本物理力學(xué)屬性外，瓷質(zhì)絕緣子和復(fù)合絕緣子最大的區(qū)別在于套管與法蘭連接段的膠裝工藝。瓷絕緣子法蘭節(jié)點由膠裝水泥將瓷套與法蘭連接，膠裝水泥厚度大，可作為受力結(jié)構(gòu)；復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點由輕質(zhì)粘結(jié)劑將復(fù)合套管與法蘭連接，膠裝厚度僅為1 mm左右。這也直接導(dǎo)致2種絕緣子法蘭節(jié)點受力狀態(tài)不同。研究表明[9-11]，復(fù)合電氣設(shè)備主要破壞型式為法蘭節(jié)點在彎曲荷載作用下發(fā)生的粘結(jié)滑移破壞，即套管與法蘭脫粘，但復(fù)合套管本身基本沒有破壞。因此，在復(fù)合支柱絕緣子的眾多力學(xué)性能中，法蘭膠裝節(jié)點在彎曲荷載下的承載力及剛度是最關(guān)鍵的力學(xué)指標(biāo)之一。

超、特高壓支柱類電氣設(shè)備通常安裝在支架上，高度大、重心高，設(shè)備根部承受彎矩大，在地震作用下法蘭節(jié)點容易發(fā)生粘結(jié)破壞，有必要研究復(fù)合絕緣子的法蘭節(jié)點的抗震性能和低周往復(fù)荷載作用下的損傷機理[12-21]。吳光亞等[12]建立了1 100 kV復(fù)合支柱絕緣子有限元模型，通過改變法蘭壁厚、加勁筋及膠裝比等參數(shù)開展仿真計算，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對絕緣子機械強度的影響；馬艷枝等[13]采用內(nèi)聚力裂縫材料模型模擬瓷絕緣子在受彎矩外載下界面脫粘失效的過程；李圣等[14]通過對復(fù)合支柱絕緣子開展靜力側(cè)推試驗，發(fā)現(xiàn)復(fù)合支柱絕緣子中套管與金屬法蘭的膠裝連接段剛度明顯小于套管剛度；張玥等[15]對2只不同高度的特高壓復(fù)合支柱絕緣子開展靜力側(cè)推試驗和破壞前后的動力特性試驗，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)破壞時絕緣子的基頻下降明顯；曹枚根[16]等通過對3支瓷質(zhì)絕緣子進(jìn)行振動疲勞試驗，得到了絕緣子振動頻率與加載次數(shù)之間的關(guān)系，反映了絕緣子節(jié)點剛度的下降情況；石忠強等[17]建立220 kV SF6斷路器瓷套有限元模型，計算膠裝比、膠裝厚度、膠裝外徑和法蘭內(nèi)表面齒形結(jié)構(gòu)對瓷套受力的影響。目前，在對支柱類復(fù)合材料電氣設(shè)備進(jìn)行力學(xué)分析時，將法蘭節(jié)點段與套管連接視為剛性或半剛性[22-24]，國內(nèi)外的抗震設(shè)計規(guī)范將法蘭與絕緣子的連接節(jié)點簡化為梁單元進(jìn)行計算，梁單元的等效剛度是線性的。支柱類絕緣子為長懸臂結(jié)構(gòu)，法蘭根部受到的彎矩較大，但若法蘭節(jié)點未發(fā)生破壞，法蘭節(jié)點受拉壓兩側(cè)膠體應(yīng)力分布均勻；復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點破壞時往往伴隨著膠體的逐漸開裂和受拉側(cè)連接界面滑移，從上到下的膠體開裂會導(dǎo)致復(fù)合絕緣子整體的非線性，此時線性段剛度無法反映法蘭膠裝節(jié)點開始破壞至完全破壞的非線性過程。圖1為復(fù)合絕緣子法蘭膠裝節(jié)點發(fā)生破壞前后膠體受力變化。

圖1 法蘭膠裝節(jié)點在彎矩荷載下破壞前后的受力特點Fig.1 Mechanical characteristic of flange gluing joint before and after failure under bending moment load

目前關(guān)于復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點非線性力學(xué)性能的研究較少，大部分研究還是以瓷絕緣子為主，導(dǎo)致復(fù)合絕緣子的動力時程分析計算結(jié)果誤差較大。為此，在進(jìn)行復(fù)合絕緣子在地震作用下的動力時程分析前，應(yīng)先得到在低周期往復(fù)荷載作用下法蘭膠裝節(jié)點的受力性能，用來反映抗震性能的同時，也能體現(xiàn)節(jié)點的非線性力學(xué)行為。

為此，本文建立大直徑復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點精細(xì)化有限元模型，通過控制位移的手段施加低周期往復(fù)荷載開展抗震性能模擬計算，分別得到套管整體結(jié)構(gòu)和法蘭膠裝節(jié)點的滯回曲線，通過內(nèi)聚力材料模型模擬法蘭節(jié)點粘結(jié)劑在靜力荷載作用下脫粘破壞過程；隨后改變法蘭壁高度、套管壁厚及粘結(jié)劑強度等3個法蘭關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，通過比較不同參數(shù)下的滯回曲線、骨架曲線及等效粘滯阻尼比，分析3個設(shè)計參數(shù)對復(fù)合絕緣子抗震性能的影響。研究分析典型復(fù)合絕緣子法蘭膠裝節(jié)點抗震性能及其主要影響參數(shù)，可為復(fù)合絕緣子非線性本構(gòu)及非線性抗震計算提供理論支撐。

1 復(fù)合絕緣子有限元模型

1.1 復(fù)合絕緣子主要力學(xué)參數(shù)

本文以單節(jié)±800 kV復(fù)合支柱絕緣子為研究對象，其主要由空心套管和金屬法蘭組成，套管外徑為320 mm，為典型的復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)。套管材料為玻璃纖維增強樹脂復(fù)合材料(以下簡稱為復(fù)合材料)，法蘭材料為高強鋁合金，表1為材料主要力學(xué)參數(shù)。傘裙的質(zhì)量均勻分布在復(fù)合套管上，表1中復(fù)合材料的密度為考慮橡膠傘裙的綜合密度，但傘裙剛度較小，在計算時不考慮傘裙的彈性模量。

表1 材料主要力學(xué)參數(shù)Tab.1 Main mechanical parameters of materials

粘結(jié)劑成型后的理想粘接強度在200～300 MPa，但由于受到膠層內(nèi)應(yīng)力、氣孔或缺陷、固化不完全、應(yīng)力集中等因素的影響，粘結(jié)劑的實際粘結(jié)強度僅為理想狀態(tài)下的10%～20%[25-29]，本文取最大粘結(jié)應(yīng)力σmax為35 MPa。復(fù)合套管與金屬法蘭之間由粘結(jié)劑粘結(jié)，在對結(jié)構(gòu)加載時可能會發(fā)生由于粘結(jié)劑撕裂導(dǎo)致的法蘭與復(fù)合套管的粘結(jié)破壞，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞過程是非線性的。材料本身的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘結(jié)劑的粘結(jié)強度，且發(fā)生粘結(jié)破壞時，2種材料的受力依然在線彈性范圍內(nèi)。同時，絕緣子大部分荷載都是由上向下傳遞，在下法蘭節(jié)點處再由復(fù)合套管通過粘結(jié)層傳向法蘭，在粘結(jié)劑撕裂破壞前法蘭很難發(fā)生塑性變形和局部開裂，為了重點探究法蘭膠裝節(jié)點非線性粘結(jié)破壞的全過程，不需要考慮金屬材料的下降段本構(gòu)，將2種材料的本構(gòu)關(guān)系視為理想彈塑性本構(gòu)。圖2為復(fù)合支柱絕緣子幾何尺寸。

圖2 復(fù)合支柱絕緣子幾何尺寸Fig.2 Geometric dimensions of composite post insulator

1.2 有限元模型

本文采用大型有限元軟件ANSYS對±800 kV單節(jié)復(fù)合絕緣子進(jìn)行有限元建模和仿真受力分析。其中上下法蘭、復(fù)合套管和粘結(jié)劑均用具有中節(jié)點的Solid95實體單元模擬，并全部采用六面體映射網(wǎng)格劃分，法蘭節(jié)點處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，粘結(jié)層厚度取1 mm。網(wǎng)格劃分后，分別在法蘭內(nèi)壁與粘結(jié)劑之間、粘結(jié)劑與復(fù)合絕緣子外壁之間插入0厚度的界面單元Inter204，用來模擬粘結(jié)層的附著和脫粘行為；插入粘結(jié)單元后再在法蘭壁和粘結(jié)劑、粘結(jié)劑和套管之間定義接觸對，使界面不發(fā)生分離時保持正常傳力接觸，接觸算法采用增強拉格朗日法。通過建立內(nèi)聚力材料(cohesive zone materials，CZM)來模擬膠裝層的粘結(jié)破壞，CZM可以直接使用在界面單元Inter204上，并在CZM模型中定義粘結(jié)層最大分離應(yīng)力等參數(shù)，實現(xiàn)對粘結(jié)劑開裂的模擬。采用文獻(xiàn)[29]提出的對數(shù)形式CZM模型，這也是較為常用的內(nèi)聚力材料模型，其中兩粘結(jié)界面最大牽引力通過表面勢定義。粘結(jié)破壞涉及界面分離，分離方向決定了破壞模式，包括垂直于界面分離(法向分離)和界面相切滑移(切向分離)。垂直于界面分離的界面法向臨界牽引力分量Tn可由式(3)表示，通過聯(lián)立式(1)和式(2)可消掉表面勢，得到法向脫粘破壞時的界面臨界牽引力Tn：

(1)

(2)

(3)

2 復(fù)合絕緣子法蘭節(jié)點滯回性能

目前在國內(nèi)外結(jié)構(gòu)抗震試驗中使用最為廣泛的加載方法是控制位移的加載方法，這種方法以位移為控制值，以結(jié)構(gòu)的屈曲位移為標(biāo)準(zhǔn)值，以此標(biāo)準(zhǔn)位移值的倍數(shù)作為加載的控制位移值。在本文的在滯回模擬中，采用位移控制，以絕緣子頂部為控制點，在下法蘭底面設(shè)置全約束，采用靜力單調(diào)加載方式。對于本文選取的復(fù)合絕緣子，廠家提供的額定彎曲負(fù)荷(specified cantilever load，SCL)為40 kN，且1 kN的線性位移為1.25 mm，則SCL對應(yīng)出廠極限荷載Dmax為50 mm。為確定法蘭破壞時的特征位移，首先規(guī)定各級荷載分別為25%Dmax、50%Dmax、100%Dmax、150%Dmax、200%Dmax，荷載每級加載為1圈，即往復(fù)加載循環(huán)1次，加載頻率為0.5 Hz，為低周期往復(fù)加載過程。

圖3 復(fù)合支柱絕緣子有限元模型Fig.3 Finite element model of composite post insulator

圖4為加載機制和復(fù)合絕緣子及法蘭節(jié)點的滯回曲線，其中：A為加載位移；U為絕緣子或法蘭節(jié)點的頂部位移；FV為結(jié)構(gòu)所受水平力。

在實際工程中，粘結(jié)劑部分撕裂就可能導(dǎo)致復(fù)合材料電氣設(shè)備在法蘭節(jié)點處漏氣。從絕緣子的承載極限狀態(tài)考慮，可以某側(cè)粘結(jié)劑沿法蘭高度方向全部脫粘視為法蘭節(jié)點破壞的依據(jù)，也作為整個絕緣子結(jié)構(gòu)功能失效的標(biāo)志。從圖4(b)、(c)可以看出：法蘭節(jié)點的滯回曲線飽滿，但絕緣子整體結(jié)構(gòu)耗能較差；法蘭節(jié)點最大位移在6 mm左右，但滯回環(huán)飽滿，耗能能力強。

本次模擬的目的是對比絕緣子整體和法蘭節(jié)點局部的耗能能力，為得到法蘭膠裝節(jié)點準(zhǔn)確的滯回曲線，應(yīng)單獨開展法蘭節(jié)點的滯回模擬。法蘭膠裝節(jié)點加載機制、滯回曲線及節(jié)點膠體撕裂變形如圖5所示。圖5(a)所示加載機制為：0.5 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm。圖5(c)為節(jié)點加載時的等效處理，將上部的絕緣子簡化成剛性桿，僅用于傳力，變形可以忽略不計。圖5(b)為法蘭節(jié)點滯回曲線，可以看出：法蘭節(jié)點線性段位移較小，荷載小于SCL時膠體就已經(jīng)開裂，開裂荷載為33.5 kN。由于絕緣子結(jié)構(gòu)對稱，且力作用點在結(jié)構(gòu)對稱軸上，因此下方結(jié)構(gòu)也關(guān)于彎矩成軸對稱，可取半結(jié)構(gòu)觀察法蘭節(jié)點脫粘破壞情況。圖5(d)為法蘭節(jié)點脫粘失效時的水平變形云圖，從圖5(d)可以明顯看出，在結(jié)構(gòu)承受彎曲荷載時，受拉側(cè)法蘭壁與套管在節(jié)點發(fā)生脫粘破壞時出現(xiàn)了彎曲變形不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象，法蘭壁與套管的最大間隔出現(xiàn)在法蘭最上部，也是粘結(jié)劑的最大水平開裂間距。

圖4 復(fù)合絕緣子加載機制及滯回曲線Fig.4 Loading mechanism of composite insulator and hysteretic loop curves

圖5 法蘭膠裝節(jié)點加載機制、滯回曲線及節(jié)點膠體撕裂變形Fig.5 Loading mechanism and hysteretic loop curves of flange gluing joint and deformation of colloid

3 法蘭節(jié)點設(shè)計參數(shù)對復(fù)合絕緣子抗震性能的影響

在實際工程中，電氣設(shè)備上使用的復(fù)合絕緣子產(chǎn)品的尺寸及邊界處受力情況均不同，所以應(yīng)開展絕緣子不同物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)下的抗震性能分析。為此，選取關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)和受力參數(shù)：法蘭壁高度h、套管壁厚tb、粘結(jié)強度N。分別建立有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，不同模型的參數(shù)見表2，加載模式為絕緣子頂部加載。各級荷載分別為12.5%Dmax、25%Dmax、37.5%Dmax、50%Dmax、62.5%Dmax、75%Dmax、100%Dmax，荷載每級加載為2圈。

表2 模型參數(shù)及加載機制Tab.2 Model parameters and loading mechanism

3.1 滯回曲線

滯回曲線和骨架曲線是評價結(jié)構(gòu)損傷程度、剛度退化以及承載性能的基礎(chǔ)，也是計算延展性系數(shù)的主要依據(jù)，結(jié)構(gòu)力-位移所圍成的面積代表結(jié)構(gòu)耗能的能量，反映了結(jié)構(gòu)在地震作用下耗能能力的大小。從圖6所示的滯回曲線可以看出，在開始加載時，滯回曲線圍成的面積很小，曲線基本保持為線性，其耗能能力和殘余變形都很少，是明顯的彈性階段?？刂莆灰圃?7.5～50 mm。繼續(xù)加載時，滯回環(huán)所包圍面積增大，殘余變形隨之增大，剛度退化現(xiàn)象較為明顯，這是彈塑性階段。但是在極限控制位移為100 mm時，在7種模型中均發(fā)現(xiàn)承載力隨著位移的增加而明顯下降，說明復(fù)合套管的延展性較好。

從參數(shù)分析結(jié)果可以看出：增大法蘭節(jié)點處的法蘭壁高度對復(fù)合絕緣子承載力提升較小，但是對結(jié)構(gòu)耗能能力提升較大；在控制位移增大時，結(jié)構(gòu)的耗能能力明顯增加，其極限承載力幾乎不變，但是滯回環(huán)面積增大明顯；增大復(fù)合絕緣子壁厚可以增加復(fù)合絕緣子的整體承載力，但是滯回曲線圍成的面積增加較少，對結(jié)構(gòu)的耗能能力提升不大，也說明復(fù)合絕緣子在破壞時復(fù)合材料處于彈性階段，但是此時法蘭節(jié)點已經(jīng)破壞；增大法蘭節(jié)點的粘結(jié)強度在線性段可以提升整體結(jié)構(gòu)的整體剛度，同時耗能能力明顯增加，當(dāng)控制位移大于50 mm時，在相同位移下，粘結(jié)強度越大，復(fù)合絕緣子的耗能能力越大，但是當(dāng)法蘭節(jié)點開始破壞時，剛度迅速降低，出現(xiàn)了大位移的情況。

圖6 滯回曲線Fig.6 Hysteretic loop curves

3.2 骨架曲線

圖7為7種模型的骨架曲線。相較于滯回曲線，可更加明顯看出：增大復(fù)合絕緣子的壁厚，可以明顯提升結(jié)構(gòu)的初始剛度，但是由于控制整體結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)的不是套管，而是法蘭節(jié)點，所以在承載力不斷增加時，整體結(jié)構(gòu)的剛度下降速度也會增加；由于法蘭節(jié)點高度增加，法蘭節(jié)點破壞的裕度也會增加，即使法蘭節(jié)點提前破壞，節(jié)點的剩余高度耗能能力也比原結(jié)構(gòu)強，間接保證了復(fù)合絕緣子的承載力；增大法蘭節(jié)點粘結(jié)強度，可以明顯提升結(jié)構(gòu)的延展性，但是由于節(jié)點發(fā)生破壞后，絕緣子的極限承載力會由法蘭節(jié)點處粘結(jié)強度控制，控制位移增大，法蘭節(jié)點雖然沒有破壞，但是粘結(jié)接觸面積會逐漸下降，復(fù)合絕緣子無法發(fā)揮本身承載力，但是結(jié)構(gòu)在破壞時會有明顯的征兆，節(jié)點的破壞時間也會延遲；增大粘結(jié)強度后，復(fù)合絕緣子整體結(jié)構(gòu)的彈塑性特性更加明顯。

圖7 骨架曲線Fig.7 Skeleton curves

3.3 等效粘滯阻尼比

等效粘滯阻尼比ζeq表示一個滯回環(huán)粘滯阻尼消耗的能量與彈性應(yīng)變能的比值，等效粘滯阻尼比ζeq越大，結(jié)構(gòu)的耗能能力越強，結(jié)構(gòu)的抗震性能越好。等效粘滯阻尼比ζeq可以表示為

(4)

式中：S為滯回曲線圍成的面積；E為系統(tǒng)的彈性應(yīng)變能。

圖8為7種模型的等效粘滯阻尼比?？梢钥闯觯谛∥灰品秶鷥?nèi)，絕緣子的耗能能力變化不大，但是在位移大于30 mm時，等效粘滯阻尼比隨著位移增大而增大。由參數(shù)分析可知：增大復(fù)合絕緣子壁厚，耗能能力反而減小，說明復(fù)合絕緣子在往復(fù)運動耗能的過程中，首先破壞的不是絕緣子套管，也說明在相同位移下，抗力越大，耗能能力越??；增高法蘭高度后，絕緣子的耗能能力會隨之提升，說明結(jié)構(gòu)最先發(fā)生破壞的是法蘭節(jié)點處，但是過高的法蘭壁使得法蘭節(jié)點提前出現(xiàn)粘結(jié)裂縫，此時結(jié)構(gòu)的耗能能力下降；增大法蘭節(jié)點處的粘結(jié)應(yīng)力，可以提升結(jié)構(gòu)的整體耗能能力，但是結(jié)構(gòu)的運動過程中會出現(xiàn)較大的位移，說明增大粘結(jié)強度會較大幅度提升絕緣子的延展性。

圖8 等效粘滯阻尼比Fig.8 Equivalent viscous damping ratios

4 結(jié)論

本文以大直徑復(fù)合絕緣子為研究對象，建立法蘭節(jié)點的實體模型，并開展節(jié)點的抗震性能參數(shù)分析，得到以下結(jié)論：

a)法蘭節(jié)點在往復(fù)運動中由于兩側(cè)膠發(fā)生膠體開裂，導(dǎo)致法蘭膠裝節(jié)點產(chǎn)生非線性力學(xué)行為。法蘭節(jié)點先于其他所有構(gòu)件開始耗能，說明法蘭節(jié)點可提前屈服消耗地震能量，雖然保護(hù)上部主體結(jié)構(gòu)沒有受損，但是節(jié)點發(fā)生破壞會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)從根部開始發(fā)生倒塌。

b)適當(dāng)增大復(fù)合絕緣子壁厚可以增加復(fù)合絕緣子的整體承載力，但是滯回曲線圍成的面積增加較少，對結(jié)構(gòu)的耗能能力提升不大；增大法蘭節(jié)點處的法蘭壁高度對復(fù)合絕緣子承載力提升較小，但是對結(jié)構(gòu)耗能能力提升較大，在控制位移增大時，耗能能力明顯增加。

c)增大法蘭節(jié)點的粘結(jié)強度在線性段可以提升復(fù)合絕緣子的整體剛度，同時耗能能力明顯增加，當(dāng)控制位移大于50 mm時，在相同位移下，粘結(jié)強度越大，復(fù)合絕緣子的耗能能力越大，同時出現(xiàn)了大位移的情況。增大復(fù)合絕緣子壁厚，耗能能力反而減小，說明復(fù)合絕緣子在往復(fù)運動耗能的過程中，首先破壞的不是絕緣子套管，也說明在相同位移下，抗力越大，耗能能力越小。

d)增大法蘭高度后，復(fù)合絕緣子的耗能能力會隨之提升，也說明結(jié)構(gòu)最先發(fā)生破壞的是法蘭節(jié)點處，但是過高的法蘭壁使得法蘭節(jié)點提前出現(xiàn)粘結(jié)裂縫，此時結(jié)構(gòu)的耗能能力會下降；增大法蘭節(jié)點處的粘結(jié)應(yīng)力，可以提升結(jié)構(gòu)的整體耗能能力，但是結(jié)構(gòu)在運動過程中會出現(xiàn)較大的位移，說明增大粘結(jié)強度會較大幅度提升絕緣子的延展性。