1、电 力 建 设 ElectricPowerConstruction 第31 卷 第9 期 2010 年9 月 Vol.31 ，No.9 Sep ， 2010 ABSTRACT: 48 specimens with six groups of E-glass fiber/ epoxy composite material were tested under monotonously increasing loads. The average result and the discrete coefficient of tensile strength, elasticity modulus an
2、d Poissons ratio were obtained, which will provide a experimental basis for the material to be used in the transmission project. The mechanical properties and cost of the material and common steel used in transmission towers are discussed and compared. The result shows that E-glass fiber/epoxy compo
3、site material is applicable tothetransmissiontowers. KEYWORDS: E-glass fiber ；composite material ；tensile strength ； elasticitymodulus ； Poissonsratio ； experimentalstudy 摘 要 ： 通 过 对6 组48 个 试 件 进 行 力 学 性 能 试 验 ， 研 究 了E 玻 璃 纤 维 增 强 环 氧 树 脂 基 复 合 材 料 顺 纤 维 方 向 和 垂 直 纤 维 方 向 的 抗 拉 强 度 、 弹 性 模 量 、 泊 松 比
4、 ， 并 与 输 电 杆 塔 结 构 中 常 用 钢 材 进 行 了 力 学 性 能 和 成 本 对 比 分 析 。 结 果 表 明 ， E 玻 璃 纤 维 增 强 环 氧 树 脂 基 复 合 材 料 力 学 性 能 优 异 、 绝 缘 性 能 良 好 、 成 本 合 理， 适宜在输电杆塔结 构中应用 。 关 键 词 ： E 玻 璃 纤 维 ； 复 合 材 料 ； 拉 伸 强 度 ； 弹 性 模 量 ； 泊 松 比 ； 试验 研究 doi ： 10.3969/j.issn.1000-7229.2010.09.030 0 引言 玻 璃 纤 维 增 强 树 脂 基 复 合 材 料 具 有 轻 质
5、高 强 ， 疲 劳 性 能 、 耐 久 性 能 和 电 绝 缘 性 能 好 等 特 点 ， 是 较 理 想 的 输 电 杆 塔 结 构 材 料 1-2 。 目 前 ， 复 合 材 料 输 电 杆 塔 已 在 欧 美 和 日 本 得 到 应 用 ， 其 中 以 美 国 的 研 究 开 发 和 应 用 最 为 成 熟 3-5 。 我 国 在20 世 纪50 年 代 对 复 合 材 料 电 杆 进 行 过 研 究 ， 鉴 于 当 时 材 料 性 能 和 制 造 工 艺 的 限 制 ， 复 合 材 料 电 杆 未 能 得 到 推 广 使 用 。 近 年 来 ， 随 着 复 合 材 料 技 术 的 飞
6、速 发 展 和 传 统 输 电 杆 塔 的 缺 陷 逐 步 显 露 ， 电 力 行 业 开 始 重 视 复 合 材 料 杆 塔 的 应 用 研 究 6-9 ； 但 目 前 研 究 多 集 中 于 复 合 材 料 杆 塔 应 用 可 行 性 的 理 论 探讨， 试验研究和工程实践均较少 。 本 文 以660 kV 银 川 东 换 流 站 红 柳 沟 接 地 极 线 路 工 程 为 依 托 ， 展 开E 玻 璃 纤 维 增 强 环 氧 树 脂 基 复 合 材 料 的 力 学 性 能 试 验 研 究 。 考 虑 到 该 复 合 材 料 为 各 向 异 性 材 料 ， 应 力- 应 变 响 应 不 能
7、 用 单 向 性 能 参 数 确 定 10 ， 因 此 对 该 复 合 材 料 顺 纤 维 方 向 和 垂 直 纤 维 方 向 的 拉 伸 强 度 、 弹 性 模 量 、 泊 松 比 分 别 进 行 了 研 究 。 最 后 ， 将 该 复 合 材 料 与 输 电 杆 塔 结 构 中 常 用 钢 材 进 行 了 力 学 性 能 和 成 本 对 比 分 析 ， 探 讨 该 复 合 材 料 在 输 电 杆塔结构中应用的可行性 。 1 试验概况 1 . 1 试验材料 采 用 的E 玻 璃 钢 纤 维 为9600TEX ， 纤 维 含 量 70% ， 环 氧 树 脂 为 特 种 环 氧 树 脂 ， 具
8、有 良 好 的 耐 热 、 耐 老化和电绝缘性能 。 1 . 2 试件设计 试 验 试 件 按 照GB/T14472005 纤 维 增 强 塑 料 拉 伸 性 能 试 验 方 法 规 定 设 计 ， 由 鞍 山 远 达 电 网 工 程 有 限 公 司 采 用 拉 挤 工 艺 制 作 。 试 件 型 式 和 尺 寸 分 别 见图1 、 表1 。 根 据 玻 璃 纤 维 布 置 方 法 不 同 ， 本 次 共 制 作 了2 种 试 件 ： 第1 种 试 件 仅 沿 长 度 方 向 布 置 玻 璃 纤 维 （ 以 下 简 称 “ 单 向 纤 维 试 件 ” ） ； 第2 种 试 件 除 沿 长 度
9、方 向 布 置 玻 璃 纤 维 外 ， 横 向45 及135 方 向 也 布 置 了 玻 璃 纤 中图分类号 ： TU599 ， TM75 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1000-7229 （2010 ） 09-0118-04 E 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料 力学性能 试验研究 张 磊 1 ， 孙 清 1 ， 王虎长 2 ， 赵雪灵 2 ， 胡建民 2 ， 管顺清 2 （1. 西安交通大学 ， 西安市 ， 710049 ； 2. 西北电力设计院 ， 西安市 ， 710075 ） Experime ntal Study on the Mecha nical Pro pertie s of
10、 E-gl ass Fiber/Epoxy Compos ite Mate rial ZHANG Lei 1 ， SUN Qing 1 ， WANG Hu-chang 2 ， ZHAO Xue-li ng 2 ， HU Jian-min 2 ， GUAN Shun-qing 2 （ 1 .Xian Jiaot ong Univ ersit y, Xian 710049 ， Chin a ； 2 .Nort hw est Ele ctri c Power Desig n Instit ute ， Xian 710075 ， China ） 基 金 资 助 项 目 ： 国 家 电 网 公 司 科
11、技 项 目 （ 复 合 材 料 （FRP ） 格 构 塔 应用研究 ） 。 118维 （ 以 下 简 称 “ 多 向 纤 维 试 件 ” ） 。 另 外 ， 为 了 测 试 复 合 材 料 垂 直 纤 维 方 向 的 力 学 性 能 ， 制 作 了 垂 直 纤 维 方 向 的试件。 汇总后的试件数量及编号见表2 。 1 . 3 试验方案 本 次 试 验 按 照GB/T14462005 纤 维 增 强 塑 料 性 能 试 验 方 法 总 则 和GB/T 14472005 标 准 执 行 。 试 验 前 按 标 准 要 求 对 每 个 试 样 进 行 分 类 、 编 号 ， 并 测 量工作段内任意
12、3 点的宽度、 厚度， 取算术平均值。 1 . 3 . 1 试验设备 拉 伸 试 验 采 用 上 海 华 龙WDW-300D 型 材 料 拉 伸 试 验 机 ， 该 试 验 机 精 度 可 达0.5 级 ， 试 验 中 可 直 接 记 录 荷载、 位移等数据。 应 变 采 集 仪 器 为 北 戴 河 电 子 仪 器 厂 生 产 的 CML-1H 型 应 变 和 应 力 综 合 测 试 仪 。 应 变 花 采 用 中 航 电 测 仪 器 股 份 有 限 公 司 生 产 的BE120-3BC 型 正 交 应 变 花 。 应 变 花 用 快 干502 胶 粘 贴 在 试 件 正 中 位 置 ， 见图
13、2 。 1 . 3 . 2 加载方法 为 防 止 试 件 滑 移 ， 本 次 试 验 专 门 制 作 了 相 应 的 夹 具 ， 如 图3 所 示 。 安 装 时 首 先 将 准 备 好 的 试 件 扣 上 夹 具 安 装 在 试 验 机 内 ， 使 试 件 中 心 线 和 钳 口 里 的 中 心 线 吻 合 。 试 验 连 续 缓 慢 加 载 ， 加 载 速 率 控 制 为2mm/min ， 间 隔 一 定 时 间 采 集1 次 试 件 应 变 。 在 试 验 过 程 中 随 时 观 察 记 录 试 验 现 象 ， 最 终 记 录 试 件 的 极 限 破 坏 荷 载 及 其破坏形态 。现场加
14、载情况见图3 。 2 试验结果及分析 2 . 1 破坏过程及破坏特征 加 载 初 期 试 件 外 观 等 没 有 明 显 变 化 ， 加 载 过 程 中 始 终 伴 随 “ 噼 啪 ” 的 纤 维 断 裂 声 ， 当 加 载 到 试 件 的 极 限 荷 载 时 试 件 破 坏 ， 此 时 玻 璃 钢 纤 维 大 部 分 被 拉 断 ， 只 有小部分相连 。试件破坏典型形态见图4 。 2 . 2 顺纤维方向力学性能 该 复 合 材 料 顺 纤 维 方 向 拉 伸 典 型 荷 载- 位 移 曲 线 、 应 力- 应 变 曲 线 、 横 向- 纵 向 应 变 曲 线 分 别 见 图5 、 6 、 7
15、 。 由 于 初 始 加 载 阶 段 夹 具 与 试 件 出 现 滑 移 ， 在 图5 中 2.5 kN 处 出 现 了1 段 水 平 线 。 当 试 件 滑 移 量 达0.5 mm 后 ， 夹 具 与 试 件 夹 持 良 好 ， 其 后 未 出 现 滑 移 现 象 。 图6 中 的 应 力 为 名 义 应 力 ， 利 用 荷 载 值 除 以 试 件 截 面 面 积 得 到 ， 后 文 中 的 名 义 应 力 均 采 用 本 方 法 计 算 。 该 复 合 材 料 顺 纤 维 方 向 拉 伸 强 度 、 拉 伸 弹 性 模 量 、 泊 松 比 试 验 结 果 见 表3 ， CV 表 示 离 散
16、 系 数 （ 标 准 差/ 均值 ） 。 其中拉伸强度 t 按式 （1 ） 计算 ： 式中： F 为最大载荷； b 为试件宽度； d 为试件厚度。 表1 试件尺寸 Tab. Tab.1 1 Dimensionsofspecimens Dimensionsofspecimens mm 试件型式 型式1 型式2 L 180 180 L0 50 L1 55 L3 115 b 10 b1 40 40 d 4 4 表2 试件数量及编号 Tab. Tab.2 2 Detailsofspecimens Detailsofspecimens 试件类型 多向纤维 单向纤维 垂直纤维方向 试验项目 拉伸试验 泊松
17、比 拉伸试验 泊松比 拉伸试验 泊松比 编号 JL-(1-8) JB-(1-8) LB-(1-8) LL-(1-8) CZ-(1-8) CP-(1-8) 数量 8 8 8 8 8 8 应变片 （1 ） t= F bd 张 磊等 ： E 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究 第9 期 119电 力 建 设 第31 卷 拉伸弹性模量Et 按式 （2 ） 计算： 式 中 ： 为 应 变 时 对 应 的 拉 伸 应 力 值 ； 为 应 变 时 对应的拉伸应力值 。 泊松比 按式 （3 ） 计算： 式中1 、 2 分别为纵向应变和横向应变 。 从 表3 可 以 看 出 ， 2 种 试 件 顺
18、纤 维 方 向 拉 伸 强 度 有 一 定 差 异 ， 达13.9% ， 主 要 是 由 于 布 置 横 向 纤 维 使 多 向 纤 维 试 件 承 载 力 增 加 。2 者 拉 伸 模 量 、 泊 松 比 十 分 接 近 ， 说 明 布 置 横 向 纤 维 对 弹 性 模 量 、 泊 松 比 影 响 很小。 2 . 3 垂直纤维方向力学性能 该 复 合 材 料 垂 直 纤 维 方 向 拉 伸 典 型 应 力- 应 变 曲线、 横向- 纵向应变曲线分别见图8 、 9 、 10。 该 复 合 材 料 垂 直 纤 维 方 向 拉 伸 强 度 、 拉 伸 模 量 、 泊松比试验结果见表4 。 从 表
19、4 可 以 看 出 ， 该 复 合 材 料 垂 直 纤 维 方 向 拉 伸 强 度 、 拉 伸 模 量 、 泊 松 比 均 大 幅 下 降 ， 与 多 向 纤 维 试 件 表3 顺纤维方向试验结果 Tab. Tab.3 3 Testresultsofspecimens(Longitudinal) Testresultsofspecimens(Longitudinal) 试件类型 多向纤维 单向纤维 力学性能 拉伸强度 拉伸模量 泊松比 拉伸强度 拉伸模量 泊松比 平均值 899.274MPa 45.105GPa 0.287 774.330MPa 44.638GPa 0.281 Cv/% 5.8
20、 2.6 5.8 5.3 5.5 5.2 （2 ） Et= - - （3 ） = 2 1 表4 垂直纤维方向试验结果 Tab. Tab.4 4 Testresultsofspecimens(Transverse) Testresultsofspecimens(Transverse) 力学性能 拉伸强度 拉伸模量 泊松比 平均值 99.033MPa 14.316GPa 0.091 Cv/% 2.0 7.5 8.8 120张 磊等 ： E 玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究 第9 期 相比下降幅度分别为89.0% 、 68.3% 、 68.3% 。 由上述图表可得到该复合材料的力学性能
21、特点 ： （1 ） 没 有 明 显 拉 伸 屈 服 点 ， 破 坏 征 兆 不 明 显 ， 属 于 脆性材料 。 （2 ） 弹 性 性 能 良 好 ， 直 到 破 坏 前 ， 应 力- 应 变 基 本 成线性关系 。 （3 ） 顺纤维方向拉伸强度远超过垂直纤维方向 。 鉴 于 上 述 特 点 ， 本 文 对 该 复 合 材 料 在 输 电 杆 塔 结 构中的应用提出如下建议 ： （1 ） 对 于 输 电 杆 塔 结 构 中 仅 承 受 拉 力 的 构 件 ， 可 以仅沿长度方向布置玻璃纤维制成实心圆形拉杆 。 （2 ） 对 于 输 电 杆 塔 结 构 中 既 承 受 拉 力 又 承 受 压 力
22、 的 构 件 ， 除 在 长 度 方 向 布 置 玻 璃 纤 维 外 ， 可 以 在 横 向 45 和135 方向布置玻璃纤维制作成空心圆管 。 3 与常用钢材的力学性能和成本对比分析 输 电 杆 塔 常 用 钢 材 牌 号 为Q345 、 Q420 等 ， 该 复 合 材 料 与 上 述 钢 材 的 力 学 性 能 和 成 本 综 合 对 比 见 表5 。 从表5 可以看出 ： （1 ） 该 材 料 顺 纤 维 方 向 拉 伸 强 度 远 远 大 于 钢 材 屈 服 强 度 ， 多 向 纤 维 试 件 拉 伸 强 度 约 为Q235 钢 材 屈 服 强度的3.8 倍 。 （2 ） 该 材 料
23、 顺 纤 维 方 向 弹 性 模 量 约 为 钢 材 弹 性 模 量 的1/4 ， 在 相 同 荷 载 下 ， 复 合 材 料 杆 塔 将 发 生 较 大 变 形 。 因 此 ， 设 计 时 应 重 点 关 注 结 构 本 身 变 形 控 制 。 为 满 足 设 计 规 程 对 杆 塔 挠 度 的 要 求 ， 可 以 采 用 空 心 管 状 结构加大复合材料杆塔的转动惯量 。 （3 ） 该材料顺纤维方向泊松比与钢材十分接近 。 （4 ） 该 材 料 成 本 约 为 钢 材 的4 倍 。 但 是 该 材 料 在 以 下 方 面 可 以 显 著 节 约 工 程 造 价 ： 1 ） 该 材 料 制
24、作 的 杆 塔 重 量 仅 为 钢 塔 重 量 的1/2 ； 2 ） 该 材 料 制 作 的 杆 塔 可 以 大 大 节 省 安 装 费 用 ； 3 ） 由 于 该 材 料 绝 缘 性 能 较 好 ， 输 电 线 路 结 构 可 以 设 计 的 更 为 紧 凑 ， 可 以 降 低 杆 塔 高 度 ， 相 应 降 低 工 程 造 价 ； 4 ） 紧 凑 型 复 合 材 料 杆 塔 减 小 了 线 路 走 廊 所 需 要 的 宽 度 ， 减 少 了 土 地 使 用 费 用 ； 5 ） 在 杆 塔 使 用 年 限 期 间 ， 复 合 杆 塔 要 求 的 维 护 比 钢 塔 将 大 大 减 少 11
25、。 因 此 ， 从 工 程 项 目 全 生 命 周 期 考 虑 ， 该 复合材料的综合经济效益较好 。 4 结论 （1 ） 多向纤维试件拉伸强度 、 弹性模量、 泊松比分 别 为899.274 MPa ， 45.105 GPa ， 0.287 。 单 向 纤 维 试 件 拉 伸 强 度 、 弹 性 模 量 、 泊 松 比 分 别 为774.330 MPa ， 44.638GPa ， 0.281 。 该 复 合 材 料 垂 直 纤 维 方 向 拉 伸 强 度 、 弹 性 模 量 、 泊 松 比 分 别 为99.033MPa ， 14.316GPa ， 0.091 。 （2 ） 该 复 合 材 料
26、 基 本 力 学 性 能 和 综 合 经 济 效 益 较 好， 适宜在输电杆塔结构中应用 。 （3 ） 应 尽 量 将 该 复 合 材 料 沿 纤 维 方 向 制 作 成 拉 杆 或管材形式 ， 以充分利用其优异的抗拉性能 。 （4 ） 在 相 同 荷 载 下 ， 使 用 该 复 合 材 料 制 造 的 杆 塔 将 发 生 较 大 变 形 ， 设 计 时 应 重 点 关 注 结 构 本 身 变 形 控 制 。 为 满 足 设 计 规 程 对 杆 塔 挠 度 的 要 求 ， 可 以 采 用 空 心管状结构加大复合材料杆塔的转动惯量 。 5 参考文献 1 车 剑 飞 ， 黄 清 霞 ， 杨 娟.
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30、） ： 49-50. 收稿日期 ： 2010-07-01 修回日期： 2010-07-23 作者简介 ： 张 磊 （1982 ） ， 男 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 复 合 材 料 杆 塔 研 究 工 作 ， E-mail ： ； 孙 清 （1970 ） ， 男 ， 博士 ， 副教 授 ， 主要 从事 振动 控制 、 组合 结构 研究工作 ， E-mail ： 。 （ 责任编辑 ： 何 鹏 ） 表5 力学性能和成本对比分析 Tab. Tab.5 5 Contrastiveanalysisofmechanicalpropertyandcost Contrastiveanalysisofm
31、echanicalpropertyandcost 注 ： 1. 复 合 材 料 强 度 值 取 拉 伸 强 度 ， 钢 材 强 度 值 取 屈 服 强 度fy ； 2. 复合材料及钢材成本均为近期市场价格 ， 钢材为近期市场角钢价格 。 材料类型 多向纤维 单向纤维 垂直纤维方向 Q235 Q345 Q420 强度/MPa 899.274 774.330 99.033 235.000 345.000 420.000 弹性模量/GPa 45.105 44.638 14.316 206.000 206.000 206.000 泊松比 0.287 0.281 0.091 0.300 0.300 0.300 成本/ （ 千元 t -1 ） 1318 1318 1318 4.04.5 4.04.5 4.5 5.0 121
