玻璃纤维复合套管拉压连接性能研究

王振山,王焕郎,刘云贺,王育路,郭宏超,马　辉

(1.西安理工大学 土木建筑工程学院,陕西 西安 710048;2.国网陕西省电力公司,陕西 西安 710048;3.国网陕西省电力公司经济技术研究院,陕西 西安 710065)



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 710048;2.国网陕西省电力公司,陕西 西安 710048;3.国网陕西省电力公司经济技术研究院,陕西 西安 710065)

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Φ200×10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。

玻璃纤维; 套管连接; 极限承载力; 破坏形式

玻璃纤维复合材料(简称GFRP)主要是由树脂和纤维或其织物组成[1],常用成型工艺方法有缠绕成型法、拉挤成型法和模压成型法等[2];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330 kV和750 kV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,国内许多学者对其受力性能展开研究[3-11],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。

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330 kV和750 kV输电塔架横担结构中采用GFRP复合管。

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。

图1　试件形式Fig.1　The specimen form

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1Φ200×10100020060032粘结套管

表2　GFRP材料力学性能参数

表3　粘结剂性能参数

1.2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4 000 kN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450 mm×50 mm。试验现场情况见图6。

图2　轴心受压试验装置Fig.2　The axial compression test device

图3　轴心受压试验现场Fig.3　The scene of axial compression test

图4　加载端形式Fig.4　The loading end form

图5　受拉试验装置Fig.5　The axial tensile test device

图6　受拉试验现场Fig.6　The scene of axial tensile test

1.3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　Strain gauge and displacement meter distribution of compression specimen

方案步骤荷载/kN加载速率/(kN/min)10～10005021000持荷60s31000～13003041300～200010

受拉试验方案:每个试件布置14个应变片和2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8　受拉试件应变片和位移计分布Fig.8　Strain gauge and displacement meter distribution of tensile specimen

加载步骤荷载/kN加载速率/(kN/30s)10～500302500持荷60s3500～800204800持荷60s5800～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320 kN时,试件发出脆断裂声;320～1 100 kN,发生数次断裂声响;1 100～1 690 kN,无明显试验现象发生;加载至1 700 kN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。

图9　受压试件1破坏现象Fig.9　Failure phenomena of compressed specimen 1

2)试件2

加载初期,无明显试验现象;加载达到295～995 kN期间,伴随发生数次断裂声响;995～1 530 kN:无明显试验现象发生;加载至1 530 kN时,突然发出巨大断裂声,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10　受压试件2破坏现象Fig.10　Failure phenomena of compressed specimen 2

3)试件3

试验初期,无明显试验现象;加载至300 kN时,试件连续发出断裂声响;300～1 060 kN期间不时发出断裂声响;加载至1 620 kN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11　受压试件3破坏现象Fig.11　Failure phenomena of compressed specimen 3

2.2受拉试验现象

1)试件1

试验初期,无明显试验现象;加载至50 kN时,试件发出几声清脆的断裂声;50～300 kN,无明显试验现象;荷载达到300 kN时,试件发出轻微脆断裂声响;当荷载达到450 kN时,试件发出较大的断裂声;加载继续增大至560 kN时,试件发生一声较大的撕裂声;560～715 kN,基本无明显试验现象;荷载达到715 kN时,试件发出巨大声响,复合管被拉脱,试验结束。

图12　受拉试件1破坏现象Fig.12　Failure phenomena of tensile specimen 1

2)试件2

0～60 kN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;80 kN时,也发生同样情况;加载至120 kN、240 kN、300 kN和350 kN时,试件发出断裂声;350～450 kN,未见明显试验现象;荷载达到450 kN时,试件发生较大的撕裂声;510 kN时,也发生类似情况;荷载达到650 kN时,试件连续发出较大的撕裂声响;当荷载达到680 kN时,复合管被拉脱,并发出巨大的破坏声,试件破坏。

图13　受拉试件2破坏现象Fig.13　Failure phenomena of tensile specimen 2

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(P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。

图14　受压试件荷载-位移曲线Fig.14　P-Δ curves of compressed specimens

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。

图15　受压试件钢套管应变Fig.15　The strain of steel casings of compressed specimens

试件复合管身应变情况见图16。由图可知,曲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14 000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　The strain of composite pipes of compressed specimens

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700 kN,位移大约为7.8 mm;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5 966 mm2,经计算,粘结剂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38 MPa。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。

图17　受拉试件荷载-位移曲线Fig.17　P-Δ curves of tensile specimens

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6 000左右。应变曲线基本呈线性变化,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。

图18　受拉试件钢套管应变Fig.18　The strain of steel casings of tensile specimens

图19　受拉试件复合管应变Fig.19　The strain of composite pipes of tensile specimens

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

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2 300 kN,GFRP套管试件的极限受压承载力大约为1 650 kN;极限抗拉承载力为700 kN。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。

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(责任编辑李斌，王绪迪)

Research on the tensile and compressive resistance connection property of glass fiber composite material casing

WANG Zhenshan1,WANG Huanlang2,LIU Yunhe1, WANG Yulu3,GUO Hongchao1,MA Hui1

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China;2.State Grid Shaanxi Electric Power Company,Xi’an 710048,China;3.State Grid Shaanxi Electric Power Company Economic Research Institute,Xi’an 710065,China)

Glass fiber composite material (Referred to as the GFRP material)with light weight,high strength,corrosion resistance and other advantages has been more extensively used in structure engineering,whose connection properties for the whole structure are very important,for instance steel casing connection is often used in the practical engineering.In this paper,the tensile and compressive resistance connection property of the Φ200×10 with steel casing bonding are studied.In order to avoid the “size effect”,specimens are full scale model.The axial compression and tensile properties of the device are studied by means of test device,so as to obtain the load-displacement curves and strain distribution of GFRP composite steel casing,and the ultimate bearing capacity,deformation capacity and failure modes etc.are analyzed.

glass fiber; casing connection; ultimate bearing capacity; failure mode

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.01.008

2014-12-25

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(SJW2014025);西安理工大学博士启动金资助项目(107-400211408);陕西省教育厅专项科学研究计划资助项目(15JK1534)

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

TU38

A

1006-4710(2016)01-0039-07