架空輸電線路復合材料桿塔節(jié)點螺栓連接試驗研究及理論分析

中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司 何 江 李亮傅 鵬 程

1 引言

纖維增強樹脂基復合材料具有優(yōu)越的電絕緣性且質(zhì)輕高強、耐腐蝕、易維護，是建造輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的理想材料。目前，復合材料輸電桿塔在美國、日本和加拿大等國已得到廣泛應(yīng)用；國內(nèi)越來越多的電力設(shè)計單位也開始嘗試選擇將復合材料應(yīng)用于輸電領(lǐng)域[1]。

復合材料螺栓連接，指通過機械加工方式，在復合材料構(gòu)件上局部開孔，再利用金屬緊固件（螺栓）進行連接。復合材料螺栓連接在國內(nèi)主要被廣泛用于航天航空及通信領(lǐng)域。在國外，由于螺栓連接安裝方便且可拆卸的優(yōu)點，在復合材料結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用。但是復合材料構(gòu)件開孔后，在產(chǎn)生應(yīng)力集中的同時，開孔會對復合材料構(gòu)件進行削弱，這種削弱不僅表現(xiàn)為像金屬材料一樣考慮凈截面材料的減少，還表現(xiàn)為材料固有強度的減少[2]。同時，復合材料本身是脆性材料，各方向的拉壓彎剪性能基本呈線性。材料本身不會出現(xiàn)類似鋼材局部屈服或者應(yīng)力重分布的行為，所以在加載多排螺栓連接的復合材料結(jié)構(gòu)時會發(fā)生各排螺栓受力嚴重不均勻的現(xiàn)象[3]。此外，復合材料螺栓連接的強度與纖維鋪層、緊固件預緊力、開孔間距等眾多因素[4]有關(guān)。目前，國內(nèi)外的科研工作者與工程師們主要以試驗方法和數(shù)值模擬為主，輔以理論分析，對復合材料螺栓連接開展研究[5]。

2 復合材料螺栓連接試驗研究

通過試驗結(jié)果分析不同的搭接方式、開孔尺寸及數(shù)量、鋪層方向、端距、孔間距對復合材料板螺栓連接承載能力和破壞形式的影響。為此設(shè)計多種試件，分別進行試驗研究。試件的纖維比例與尺寸設(shè)定的依據(jù)分別來自美國土木工程師協(xié)會（ASCE）為美國復合材料制造商協(xié)會（ACMA）編訂的《拉擠成型纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及歐洲復合材料協(xié)會制定的《復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范及使用手冊》。試驗結(jié)果見表1。

表1 復合材料螺栓連接試驗結(jié)果

試件的破壞形式如圖1所示，主要分為以下幾類。一是螺栓剪切破壞，當螺栓強度不足時會發(fā)生螺栓剪切破壞。二是孔壁擠壓破壞，當纖維均勻分布時易出現(xiàn)此種破壞形式，一般在孔壁擠壓破壞后試件仍然持續(xù)承載，后沿凈截面被拉斷。三是構(gòu)件剪切破壞，主要是由于開孔沿加載軸向離構(gòu)件邊緣距離不足，使得出現(xiàn)薄弱剪切面，導致破壞。四是構(gòu)件受拉破壞，主要受應(yīng)力集中影響，當纖維不均勻分布時軸向纖維較多而±45°不足時易出現(xiàn)此種破壞形式。

3 復合材料螺栓連接數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模擬失效準則

在數(shù)值模擬中復合材料采用Tsai-Wu失效準則，且考慮在加載過程中復合材料的損傷，即已斷裂的纖維，脫膠，橫向裂紋或者分層都會引起復合材料各個方向上強度與剛度的退化。其結(jié)合了Tsai-Hill準則以及Hoffman準則的優(yōu)點，形式簡單且計算結(jié)果與實際擬合度較高。

3.2 固有強度衰減分析

在復合材料上開孔以后，開孔處的纖維全部被截斷，雖然此時復合材料構(gòu)件的纖維體積含量不變，但是其中一部分纖維是被截斷的纖維，其既不能傳遞荷載更不能承受荷載，故減去這部分“無用”的纖維，整個復合材料構(gòu)件的纖維體積含量降低了，使得材料強度減小了。試件開孔處變形云圖與試驗破壞試件對比如圖2所示。凈截面面積變化對復合材料強度的影響如圖3所示。

圖2 試件開孔處變形云圖與試驗破壞試件對比

圖3 凈截面面積變化對復合材料強度的影響

通過數(shù)值分析，得到如圖3（a）中曲線所示，橫坐標為開孔直徑與板寬的比值（D/W），縱坐標為當前的極限荷載N與同尺寸不開孔板極限荷載Nmax的比值，此時兩坐標均用無量綱表示。其中為比較，虛線為鋼材開孔板極限荷載與開孔的關(guān)系，對鋼材而言，材料強度為定值，故極限荷載只與幾何形狀有關(guān)并呈線性，而顯然復合材料開孔板材料性能已改變。如圖3（b）中曲線所示，當在復合材料板上開孔后，隨著孔徑的增大，復合材料固有強度會持續(xù)下降且下降迅速。而D/W值是影響螺栓連接強度的關(guān)鍵因素之一，一定程度上決定了螺栓連接的破壞形式，即D/W足夠大時為拉伸破壞，D/W較小時為孔壁擠壓破壞。根據(jù)分析結(jié)果及實際連接需要，D/W的范圍一般建議在0.2～0.4。

3.3 應(yīng)力集中分析

相比各向同性材料，復合材料本身顯著的正交各向異性使得應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯?？梢酝ㄟ^以下方法來證明，首先假設(shè)板寬遠大于開孔孔徑，板的纖維方向與受力方向相同，即纖維方向為0°且與x軸一致，如圖4所示。

圖4 復合材料板單向受拉及孔周圍應(yīng)力分布

可根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學與復合材料力學公式推導，得到孔邊周向應(yīng)力計算式：

如圖4所示，B點與B'點，孔邊與X軸夾角為±90°時應(yīng)力集中最明顯，此處應(yīng)力值最大且為材料破壞最先發(fā)生部位。應(yīng)力集中效應(yīng)的強弱通過應(yīng)力集中系數(shù)K進行描述：

將式（2）與式（3）代入式（4）可以得到B點與B'點處應(yīng)力集中系數(shù)K：

圖5 應(yīng)力集中系數(shù)隨纖維鋪層變化曲線

4 復合材料螺栓連接設(shè)計方法

4.1 歐洲規(guī)范

歐洲規(guī)范按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，其中螺栓的承載力校核與鋼結(jié)構(gòu)相同，且歐洲規(guī)范不允許螺栓發(fā)生破壞。在此前提下設(shè)定當孔邊緣切向應(yīng)力達到特征值時，發(fā)生凈界面失效破壞；當孔與螺栓接觸壁上壓應(yīng)力達到材料特征值，發(fā)生孔壁擠壓破壞；剪切破壞沿剪切平面產(chǎn)生。設(shè)定該失效發(fā)生時剪切平面的切應(yīng)力達到限定的剪切強度特征值。當滿足構(gòu)造要求時可不考慮剪切破壞。

歐洲規(guī)范的設(shè)計原則是將單向鋪層纖維孔邊應(yīng)力計算方法運用到復合材料螺栓連接構(gòu)件孔邊應(yīng)力計算中。對比其設(shè)計應(yīng)變限值與本次連接試驗時測得的孔邊最大拉壓應(yīng)變：試驗中平均最大拉應(yīng)變可達0.005，是歐洲規(guī)范規(guī)定值的2～5倍，平均最大壓應(yīng)變可達0.008～0.01，是歐洲規(guī)范規(guī)定值的4～5倍，而且歐洲規(guī)范還要繼續(xù)乘以安全系數(shù)，故其復合材料螺栓連接強度簡化計算方法雖然較為簡便，但并不經(jīng)濟。

4.2 美國規(guī)范

設(shè)計計算方法：

三是孔壁擠壓承載力Rbr：

綜上，對比歐洲規(guī)范，美國規(guī)范考慮了更多的破壞可能，但仍存在以下問題。一是與歐洲規(guī)范相同，需要在獲得大量精確的試驗數(shù)據(jù)后才能開始設(shè)計計算；二是美國規(guī)范對于眾多的破壞形式逐個分析，過于煩瑣。應(yīng)當嚴格規(guī)定構(gòu)造措施以避免某些破壞模式發(fā)生；三是美國規(guī)范對于不同鋪層方向纖維含量沒有考慮。

4.3 Hart Smith經(jīng)驗方法及修正

復合材料螺栓連接經(jīng)驗設(shè)計方法由美國波音公司結(jié)構(gòu)部原首席科學家Hart Smith于20世紀八十年代建立，該方法在1989年即被NASA在編制的復合材料設(shè)計手冊中推廣。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前在世界航空航天界得到廣泛應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)工程中，加拿大的多座復合材料橋梁節(jié)點設(shè)計也應(yīng)用了該方法。經(jīng)驗方法可在設(shè)計中有效回避難以量化的連接強度影響因素，簡單易于理解，思路清晰且便于工程應(yīng)用。其拉伸破壞下的極限荷載值：

經(jīng)驗設(shè)計方法的關(guān)鍵在于應(yīng)力集中減緩因子C值的確定，從C值的定義來看，其表現(xiàn)了幾何形狀相同的各向同性材料與各向異性材料的關(guān)系，所以C值與材料屬性有著密切的關(guān)系。

可通過材料試驗與數(shù)值模擬方法求得C值，得到應(yīng)力集中減緩因子C與±45°層纖維含量關(guān)系：

最終可對經(jīng)驗設(shè)計方法進一步簡化，得到：

5 結(jié)語

通過復合材料螺栓連接的有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證。

一是復合材料開孔板的極限荷載不僅是與幾何形狀有關(guān)，還與材料強度有關(guān)，即開孔會使復合材料自身的強度降低，比如，當D/W=0.3時，其凈截面強度僅為原材料強度的50%。

二是復合材料的橫向性能與縱向性能差異越大，應(yīng)力集中效應(yīng)越強。要降低應(yīng)力集中需要增加±45°層纖維含量。經(jīng)數(shù)值分析計算，建議±45°層纖維含量不少于40%。

三是通過對比歐美復合材料螺栓連接相關(guān)設(shè)計方法，同時參考Hart Smith試驗方法，并以試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果為依據(jù)，得到修正后的復合材料螺栓連接承載力計算公式，可以為復合材料輸電桿塔中的節(jié)點螺栓連接設(shè)計提供依據(jù)。