40 西安理工大学学报 (2016) 第 32 卷第 1 期 [3 11] 许多学者对其受力性能展开研究, 主要集中在复合材料的制备以及材性性能方面, 具体为 :GFRP 复合材料的应力应变曲线弹性模量变形能力泊松比和破坏形式等对复合杆件的整体受力以及连接性能研究较少, 这对 GFRP 复

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其太叔
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1 西安理工大学学报 JournalofXi anuniversityoftechnology(2016)vol.32no.1 39 犇犗犐 : /j.cnki.issn 玻璃纤维复合套管拉压连接性能研究王振山 1, 王焕郎 2, 刘云贺 1, 王育路 3, 郭宏超 1, 马辉 1 (1. 西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 ;2. 国网陕西省电力公司, 陕西西安 ; 3. 国网陕西省电力公司经济技术研究院, 陕西西安 ) 摘要 : 玻璃纤维复合材料 ( 简称 GFRP 材料 ) 凭借质量轻强度高以及耐腐蚀等优势, 在工程中得到越来越广泛的应用其连接性能是结构设计的重要一环, 实际工程中常采用钢套管连接形式对于 Φ 规格钢套管的连接性能进行研究, 为了避免尺寸效应的影响, 试件均为足尺模型通过试验装置, 对其轴心抗压与抗拉性能进行研究, 得到了 GFRP 复合钢套管的荷载位移曲线和应变分布规律, 分析了其极限承载力变形能力和破坏形式的影响因素关键词 : 玻璃纤维 ; 套管连接 ; 极限承载力 ; 破坏形式中图分类号 :TU38 文献标志码 :A 文章编号 : (2016) 犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀狋犺犲狋犲狀狊犻犾犲犪狀犱犮狅犿狆狉犲狊狊犻狏犲狉犲狊犻狊狋犪狀犮犲犮狅狀狀犲犮狋犻狅狀狆狉狅狆犲狉狋狔狅犳犵犾犪狊狊犳犻犫犲狉犮狅犿狆狅狊犻狋犲犿犪狋犲狉犻犪犾犮犪狊犻狀犵 WANGZhenshan 1,WANG Huanlang 2,LIU Yunhe 1, WANG Yulu 3,GUO Hongchao 1,MA Hui 1 (1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,Xi anuniversityoftechnology,xi an710048,china; 2.StateGridShaanxiElectricPowerCompany,Xi an710048,china; 3.StateGridShaanxiElectricPowerCompanyEconomicResearchInstitute,Xi an710065,china) 犃犫狊狋狉犪犮狋 :Glassfibercompositematerial(ReferredtoastheGFRP material)withlightweight, highstrength,corrosionresistanceandotheradvantageshasbeenmoreextensivelyusedinstruc tureengineering,whoseconnectionpropertiesforthewholestructureareveryimportant,forin stancesteelcasingconnectionisoftenusedinthepracticalengineering.inthispaper,thetensile andcompressiveresistanceconnectionpropertyoftheφ withsteelcasingbondingare studied.inordertoavoidthe sizeefect,specimensarefulscalemodel.theaxialcompression andtensilepropertiesofthedevicearestudiedbymeansoftestdevice,soastoobtaintheload displacementcurvesandstraindistributionofgfrpcompositesteelcasing,andtheultimate bearingcapacity,deformationcapacityandfailuremodesetc.areanalyzed. 犓犲狔狑狅狉犱狊 :glassfiber;casingconnection;ultimatebearingcapacity;failuremode 玻璃纤维复合材料 ( 简称 GFRP) 主要是由树脂 [1] 和纤维或其织物组成, 常用成型工艺方法有缠绕 [2] 成型法拉挤成型法和模压成型法等 ;GFRP 材料质量轻强度高, 同时耐腐蚀性较好, 在加固结构地下海洋等工程中应用越来越广泛 GFRP 复合材料强度高耐污, 尤其绝缘性好, 可有效降低雷击和污闪引起的线路跳闸故障概率, 国外输电工程已开始采用本文依托 330kV 和 750kV 变电站构架项目, 在输电塔架接头部位与横担结构中使用该种材料 GFRP 材料对温度以及紫外线较敏感, 在自然条件下耐久性较低, 但表面经防腐隔热处理后, 其耐久性大大提高, 可满足工程应用要求目前, 国内收稿日期 : 基金项目 : 陕西省科技厅自然科学基础研究计划青年人才资助项目 (2015JQ5166); 西安市建设科技资助项目 (SJW ); 西安理工大学博士启动金资助项目 ( ); 陕西省教育厅专项科学研究计划资助项目 (15JK1534) 作者简介 : 王振山, 男, 博士, 讲师, 研究方向钢结构及钢混组合结构抗震 E mail:wangdayuwang@126.com

40 西安理工大学学报 (2016) 第 32 卷第 1 期 [3 11] 许多学者对其受力性能展开研究, 主要集中在复合材料的制备以及材性性能方面, 具体为 :GFRP 复合材料的应力应变曲线弹性模量变形能力泊松比和破坏形式等对复合杆件的整体受力以及连接性能研究较少, 这对 GFRP 复合材料的结构设计和工程应用带来一定影响复合套管由 GFRP 管和钢套管两部分构成,

节点形式为高强螺栓钢法兰连接, 法兰与复合管之间采用高强胶进行固定, 形成 GFRP 复合套管连接构件, 具体形式见图 1, 几何尺寸见表 1 根据材性试验结果,GFRP 材料和高强粘结剂参数见表 2 和表 3 1 试验介绍 1 1 试件设计根据 GFRP 复合材料的优良特性, 计划在 330kV 和 750kV 输电塔架横担结构中采用 GFRP 复合管图 1 试件形式 Fig.

2 ThemechanicalpropertiesofGFRPmaterials 参数纵向抗拉横向抗拉纵向抗压横向抗压强度 /MPa 400 48 400 35 弹性模量 /GPa 35 5 35 7 表 3 粘结剂性能参数 Tab.

2 40 西安理工大学学报 (2016) 第 32 卷第 1 期 [3 11] 许多学者对其受力性能展开研究, 主要集中在复合材料的制备以及材性性能方面, 具体为 :GFRP 复合材料的应力应变曲线弹性模量变形能力泊松比和破坏形式等对复合杆件的整体受力以及连接性能研究较少, 这对 GFRP 复合材料的结构设计和工程应用带来一定影响复合套管由 GFRP 管和钢套管两部分构成, 其端部法兰钢套管主要起到连接其它构件作用,GFRP 管与钢套管之间采用高强粘结剂固定本文针对玻璃纤维复合套管连接的极限承载力和破坏形式进行研究, 对该材料的推广应用具有积极的意义由于国内对其连接的受力性能研究较少, 缺乏试验资料, 项目对 GFRP 复合钢套管的连接性能进行试验研究根据工程要求, 复合套管尺寸为 Φ200 10, GFRP 管采用湿法缠绕成型法生产, 节点形式为高强螺栓钢法兰连接, 法兰与复合管之间采用高强胶进行固定, 形成 GFRP 复合套管连接构件, 具体形式见图 1, 几何尺寸见表 1 根据材性试验结果,GFRP 材料和高强粘结剂参数见表 2 和表 3 1 试验介绍 1 1 试件设计根据 GFRP 复合材料的优良特性, 计划在 330kV 和 750kV 输电塔架横担结构中采用 GFRP 复合管图 1 试件形式 Fig.1 Thespecimenform 表 1 试件几何参数 Tab.1 Thespecimenparameters 试件类型试件截面 /mm 试件长度 /mm 套管尺寸 /mm 复合管长度 /mm 受压试件数量受拉试件数量连接形式 1 Φ 粘结套管表 2 GFRP 材料力学性能参数 Tab.2 ThemechanicalpropertiesofGFRPmaterials 参数纵向抗拉横向抗拉纵向抗压横向抗压强度 /MPa 弹性模量 /GPa 表 3 粘结剂性能参数 Tab.3 Binderperformanceparameters 参数抗拉抗压抗剪强度 /MPa 加载装置受压试验在长柱压力机上完成, 试验装置如图 2 所示, 现场情况如图 3 所示为了降低端头效应的影响, 更准确的反应出复合套管在轴心压力作用下的力学性能, 试件的端部都带有加载端, 具体形式见图 4 加载端为带加劲肋十字钢盘, 目的使得压力施加更均匀受拉试验在 4000kN 卧式拉力机上进行, 试验装置见图 5 试件放置于拉力机中部, 呈水平状 ; 试件端头带有连接端板, 液压装置通过夹紧的连接钢板, 对试件施加拉力连接钢板竖向放置, 尺寸为 450mm 50mm 试验现场情况见图 6 图 2 轴心受压试验装置 Fig.2 Theaxialcompressiontestdevice 图 3 轴心受压试验现场 Fig.3 Thesceneofaxialcompressiontest

王振山, 等 : 玻璃纤维复合套管拉压连接性能研究 41 表 4 受压试验加载方案 Tab.

受拉试验装置 Fig.5 Theaxialtensiletestdevice 图 8 受拉试件应变片和位移计分布 Fig.

6 Thesceneofaxialtensiletest 试验方案与加载制度受压试验方案 : 每个试件布置 32 个应变片 6 个位移计, 其中, 钢套管布置 16 个应变片复合管连接处布置 8 个复合管身布置 8 个应变片 ;

7 Straingaugeanddisplacementmeterdistribution ofcompressionspecimen 表 5 受拉试验加载方案 Tab.

3 王振山, 等 : 玻璃纤维复合套管拉压连接性能研究 41 表 4 受压试验加载方案 Tab.4 Theloadingschemeofcompressiontest 方案步骤荷载 /kn 加载速率 /(kn/min) 1 0~ 持荷 60s ~ ~ 受拉试验方案 : 每个试件布置 14 个应变片和 2 图 4 加载端形式 Fig.4 Theloadingendform 个位移计 ; 具体为 : 钢套管上布置 8 个应变片, 套管粘结处布置 4 个, 复合管中部布置 2 个应变片位移计分别布置在试件的端部, 具体情况见图 8 加载形式采用荷载控制方式, 具体步骤见表 5 图 5 受拉试验装置 Fig.5 Theaxialtensiletestdevice 图 8 受拉试件应变片和位移计分布 Fig.8 Straingaugeanddisplacementmeter distributionoftensilespecimen 1 3 图 6 受拉试验现场 Fig.6 Thesceneofaxialtensiletest 试验方案与加载制度受压试验方案 : 每个试件布置 32 个应变片 6 个位移计, 其中, 钢套管布置 16 个应变片复合管连接处布置 8 个复合管身布置 8 个应变片 ; 位移计分别布置在构件的顶部 (2 个 ) 中部 (2 个 ) 底部 (2 个 ), 测定竖直方向以及平面外的位移变化应变片位移计具体布置情况见图 7 加载形式采用荷载控制方式, 具体步骤见表 4 图 7 受压试件应变片和位移计分布 Fig.7 Straingaugeanddisplacementmeterdistribution ofcompressionspecimen 表 5 受拉试验加载方案 Tab.5 Theloadingschemeoftensiletest 加载步骤荷载 /kn 加载速率 /(kn/30s) 1 0~ 持荷 60s 3 500~ 持荷 60s 5 800~ 破坏 10 2 试验过程及现象 2 1 受压试验现象 1) 试件 1 试验初期, 无明显试验现象 ; 加载至 320kN 时, 试件发出脆断裂声 ;320~1100kN, 发生数次断裂声响 ;1100~1690kN, 无明显试验现象发生 ; 加载至 1700kN 时, 突然发出巨大的断裂声响, 试件破坏破坏形式从套管连接处向下, 与竖直方向呈斜下 45 的截面发生断裂, 由于整个加载过程中, 试件除了发生断裂声响外, 无明显变形 ; 试件 1 发生脆性破坏, 破坏形式见图 9 2) 试件 2 加载初期, 无明显试验现象 ; 加载达到 295~ 995kN 期间, 伴随发生数次断裂声响 ;995~1530 kn: 无明显试验现象发生 ; 加载至 1530kN 时, 突

42 西安理工大学学报 (2016) 第 32 卷第 1 期然发出巨大断裂声, 试件被压坏, 同时, 可闻到轻微的烧焦气味 ; 破坏形式为钢套管与复合杆粘结处, 与竖直方向呈斜下 40 形成断裂带, 与试件 1 破坏形式一致, 试件 2

9 Failurephenomenaofcompressedspecimen1 1) 试件 1 试验初期, 无明显试验现象 ; 加载至 50kN 时, 试件发出几声清脆的断裂声 ;50~300kN, 无明显试验现象 ; 荷载达到 300kN 时,

1620kN 时, 试件破坏试件 3 在破坏前有短暂轻微的预兆性响声 ; 破坏形式为钢套管与复合杆粘结处, 与竖直方向呈斜下 45 截面被压断试件 3 也为典型脆性破坏形式, 破坏形式见图 11 图 12 受拉试件 1 破坏现象 Fig.

4 42 西安理工大学学报 (2016) 第 32 卷第 1 期然发出巨大断裂声, 试件被压坏, 同时, 可闻到轻微的烧焦气味 ; 破坏形式为钢套管与复合杆粘结处, 与竖直方向呈斜下 40 形成断裂带, 与试件 1 破坏形式一致, 试件 2 也为典型脆性破坏形式, 具体形式见图 10 图 11 受压试件 3 破坏现象 Fig.11 Failurephenomenaofcompressedspecimen3 2 2 受拉试验现象图 9 受压试件 1 破坏现象 Fig.9 Failurephenomenaofcompressedspecimen1 1) 试件 1 试验初期, 无明显试验现象 ; 加载至 50kN 时, 试件发出几声清脆的断裂声 ;50~300kN, 无明显试验现象 ; 荷载达到 300kN 时, 试件发出轻微脆断裂声响 ; 当荷载达到 450kN 时, 试件发出较大的断裂声 ; 加载继续增大至 560kN 时, 试件发生一声较大的撕裂声 ;560~715kN, 基本无明显试验现象 ; 荷载达到 715kN 时, 试件发出巨大声响, 复合管被拉脱, 试验结束图 10 受压试件 2 破坏现象 Fig.10 Failurephenomenaofcompressedspecimen2 3) 试件 3 试验初期, 无明显试验现象 ; 加载至 300kN 时, 试件连续发出断裂声响 ;300~1060kN 期间不时发出断裂声响 ; 加载至 1620kN 时, 试件破坏试件 3 在破坏前有短暂轻微的预兆性响声 ; 破坏形式为钢套管与复合杆粘结处, 与竖直方向呈斜下 45 截面被压断试件 3 也为典型脆性破坏形式, 破坏形式见图 11 图 12 受拉试件 1 破坏现象 Fig.12 Failurephenomenaoftensilespecimen1 2) 试件 2 0~60kN 阶段 ; 无明显试验现象 ; 当荷载达到 60 kn 时, 试件发出清脆断裂声 ;80kN 时, 也发生同样情况 ; 加载至 120kN 240kN 300kN 和 350kN 时, 试件发出断裂声 ;350~450kN, 未见明显试验现象 ; 荷载达到 450kN 时, 试件发生较大的撕裂声 ;510kN 时, 也发生类似情况 ; 荷载达到 650kN 时, 试件连续

王振山, 等 : 玻璃纤维复合套管拉压连接性能研究 43 发出较大的撕裂声响 ; 当荷载达到 680kN 时, 复合管被拉脱, 并发出巨大的破坏声, 试件破坏图 15 受压试件钢套管应变 Fig.

13 Failurephenomenaoftensilespecimen2 3 试验数据 3 1 受压试验数据分析 GFRP 复合套管的荷载位移曲线见图 14( 犘为竖向压力荷载,Δ 为竖向变形量 ) 由图可知, 三个试件的荷载位移曲线变化基本类似, 为明显的线性分布, 基本无屈服阶段,

线基本呈直线状变化, 三个试件的应变情况差别不大试件复合管极限应变值大约为 14000 左右 GFRP 复合管的应变远远大于端部钢管的应变值, 可见, 钢管对核心 GFRP 管的约束效果较好, 两者形成了较大的强度从复合管身应变来看, 线性变化说明 GFRP 材料难以形成屈服, 进入弹塑性阶段 (

16 Thestrainofcompositepipesof compressedspecimens GFRP 复合套管在轴心压力作用下, 产生纵向变形, 受材料泊松比影响, 同时产生一定的横向变形复合套管端部 GFRP 管与钢套管共同作用, 其变形量相对较小 ; 由于端部横向变形较小,

5 王振山, 等 : 玻璃纤维复合套管拉压连接性能研究 43 发出较大的撕裂声响 ; 当荷载达到 680kN 时, 复合管被拉脱, 并发出巨大的破坏声, 试件破坏图 15 受压试件钢套管应变 Fig.15 Thestrainofsteelcasingsof compressedspecimens 试件复合管身应变情况见图 16 由图可知, 曲图 13 受拉试件 2 破坏现象 Fig.13 Failurephenomenaoftensilespecimen2 3 试验数据 3 1 受压试验数据分析 GFRP 复合套管的荷载位移曲线见图 14( 犘为竖向压力荷载,Δ 为竖向变形量 ) 由图可知, 三个试件的荷载位移曲线变化基本类似, 为明显的线性分布, 基本无屈服阶段, 承载力达到峰值荷载后, 即发生破坏 GFRP 复合材料的强度较高, 可与钢材强度相比 ; 该材料的塑性变性能力较差, 整个曲线呈直线型, 无下降段, 一旦达到其极限荷载后, 构件即发生破坏针对 GFRP 复合套管的设计, 应严格限制在弹性范围内, 同时应有较大的承载力裕度, 以保证构件的安全线基本呈直线状变化, 三个试件的应变情况差别不大试件复合管极限应变值大约为左右 GFRP 复合管的应变远远大于端部钢管的应变值, 可见, 钢管对核心 GFRP 管的约束效果较好, 两者形成了较大的强度从复合管身应变来看, 线性变化说明 GFRP 材料难以形成屈服, 进入弹塑性阶段 ( 无强化阶段 ), 更难以进入退化阶段图 16 受压试件复合管应变 Fig.16 Thestrainofcompositepipesof compressedspecimens GFRP 复合套管在轴心压力作用下, 产生纵向变形, 受材料泊松比影响, 同时产生一定的横向变形复合套管端部 GFRP 管与钢套管共同作用, 其变形量相对较小 ; 由于端部横向变形较小, 钢套管在连接处对 GFRP 管产生一定的横向挤压作用, 由于图 14 受压试件荷载位移曲线 Fig.14 犘 Δcurvesofcompressedspecimens 试件钢套管应变情况见图 15 由图可见, 连接处钢套管应变值较小, 曲线基本呈直线型分布试件钢套管最大应变为 380 左右, 处于弹性阶段由于 GFRP 复合管与钢管采用高强粘结剂进行粘连, 粘连部位的强度与刚度得到较大提高, 应变值较小玻璃纤维横向抗压性能较低, 在纵向与横向双向挤压作用下, 连接处发生破坏, 形成斜向下断裂带 3 2 受拉试验数据分析复合套管受拉试验荷载位移曲线见图 17 试验测得试件的极限承载力大约为 700kN, 位移大约为 7.8mm; 试件的破坏形式为典型的脆性破坏, 具体为复合管脱落, 构件失效前, 无明显试验现象发生试件的粘结面积为 5966mm 2, 经计算, 粘结剂

6 4 西安理工大学学报 (2016) 第 32 卷第 1 期与钢套管的粘结抗拉强度大约为 6.5 MPa; 相关研究表明, 该粘结剂的抗剪强度为 38MPa 试件的破坏形式为复合管脱落, 而非断裂, 表明用于粘结钢套管与复合管的粘结剂连接强度不足, 导致复合管被拉脱上述分析可见, 对 GFRP 复合套管进行抗拉设计时, 应按粘结剂的连接强度进行计算, 并保有足够的安全裕度, 以防止构件发生脆性断裂试件钢套管应变情况见图 18, 复合套管应变分布见图 19 呈线性变化, 试件 1 2 的极限荷载和位移相差不大, 对应的应变值也差别不显著由于试件的抗拉强度由节点的粘结强度决定, 复合管应变值较小, 其承载力潜力较大从另一个方面看, 对于 GFRP 材料造成一定浪费, 实际工程中, 可适当减少复合管厚度, 以提高经济性 GFRP 复合套管在轴心拉力作用下, 产生纵向变形, 由于 GFRP 管与钢套管采用高强粘结剂连接, 连接强度主要由粘结剂抗剪强度以及粘结面积决定从试件的破坏形式看,GFRP 管与钢套管的粘结强度远远低于玻璃纤维材料的抗拉强度, 导致连接处发生脱落, 而主体杆件未发生破坏 4 结论图 17 受拉试件荷载位移曲线 Fig.17 犘 Δcurvesoftensilespecimens 图 18 受拉试件钢套管应变 Fig.18 Thestrainofsteelcasingsoftensilespecimens 1) 轴心压力作用下复合套管破坏形式为钢套管与 GFRP 管交界处, 与竖直方向呈大约 45 度截面发生断裂 ;GFRP 复合套管塑性变性能力较差, 无屈服阶段, 试件断裂前无明显变形, 破坏形式为脆性破坏, 结构设计应留有足够的安全裕度, 该种形式复合套管设计强度标准建议取值 280 MPa 2) 轴心拉力作用下 GFRP 套管的破坏形式为 GFRP 管与钢套管之间发生脱落, 属于脆性破坏, 结构设计时, 应保证足够的安全裕度复合套管的承载力由粘结剂与钢套管的粘结强度决定, 粘结强度建议取值 6.5 MPa 3) 根据材性试验结果,GFRP 管件的受压或受拉承载力大约为 2300kN,GFRP 套管试件的极限受压承载力大约为 1650kN; 极限抗拉承载力为 700kN 套管的端部挤压作用使得轴压承载力下降 28.3%; 钢套管胶结强度不足使得管件受拉承载力降低 69.6% 总体上看,GFRP 复合套管的极限抗压承载力可达到极限抗拉承载力的 2 倍以上参考文献 : [1]STEWART R.Pultrudedpolescarrypower[J].Rein forcedplastic,2003,47(1): [2]IBRAHIM S,POLYZOISD,HASSANSK.Develop mentofglassfiberreinforcedplasticpolesfortransmis sionanddistributionlines[j].canadianjournalofcivil Engineering,2000,27(5): [3] 钱鹏, 冯鹏, 叶列平.GFRP 管轴心受压性能的试验研图 19 受拉试件复合管应变 Fig.19 Thestrainofcompositepipesoftensilespecimens 由图 18 和图 19 可知, 钢套管最大应变大约为 250 左右, 复合管应变为 6000 左右应变曲线基本究 [J]. 天津大学学报,2007,40(1): QIAN Peng,FENG Peng,YE Lieping.Experimental studyongfrppipesunderaxialcompression[j].jour naloftianjinuniversity,2007,40(1): [4] 杜刚, 曾竟成, 肖加余, 等. 复合材料圆管端部加强对

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$;54 ;1 ( ' ) Vol.54 No JournalofXiamenUniversity (NaturalScience) Jan.2015 doi: /j.issn RSTU V ; &! Y,,, [,2\$ ;54 ;1 ( ' ) Vol.54 No.1 2015 1 JournalofXiamenUniversity (NaturalScience) Jan.2015 doi:10.6043/j.issn.0438 0479.2015.01.011 RSTU V ; &! Y,,, Z,@ [,2\] ( 8+ =,>^ E G,Y7,>^ 361102) ; : ( 犕狔犮犪犾犲狆犺狔犾狅狆犺犻犾犪