一种变电站复合材料套管抗震极限承载力参数的标定方法与流程

本发明涉及高压电气设备抗震性能测试技术领域，更具体涉及一种变电站复合材料套管抗震极限承载力参数的标定方法。

背景技术：
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传统的变电站高压电气设备套管采用电瓷材质，电瓷材料因脆性属性，容易在地震事件中损坏。复合材料套管是瓷质套管的替代产品，其通过树脂基玻璃纤维复合材料套管及金属端具通过环氧树脂胶体黏接而成。由于玻璃纤维复合材料的良好力学性能，复合材料套管的被认为具有良好的抗震性能而为高烈度地区变电站优先选用。

在工程抗震设计中，构件在地震荷载下的极限承载力是结构体系抗震能力评价的重要参数。然而，作为电气设备重要结构组件的复合材料套管，其抗震极限承载能力的标定方法却较为欠缺，具体表现为如下方面

(1)地震模拟振动台试验中，难以进行极限状态下的承载能力试验。

复合材料套管的地震台试验中，往往以设定等级的振动幅值为目标，考核设备是否能够承受相关等级地震荷载。然而，极限承载能力的标定，需要使所试设备达到损伤临界状态。按以往的试验方法，对一般复合材料套管设备可以通过增大输入幅值的方法使所试验设备达到承载力临界状态，而对于另外的部分设备，往往受地震模拟震动台设备能力限制而无法进行损伤极限状态下的测试。这种情况下，增加辅助试验装置，实现极限承载力测试和标定简单易行具有重要的意义。

(2)单次试验代价昂贵，相关测试项目难以推广。

由于单次地震模拟震动台试验费用较为昂贵，同时相关试验设备普及程度低，仅在部分专业抗震试验研究单位具备条件，一般电气设备生产厂家和检测单位不具备相关试验条件。这种情况下，地震模拟震动台试验方法仅能在型式试验中采用，难以在抽检环节中推广。设计易行的试验方法进行抗震极限承载能力测试，对复合材料套管的抗震性能检测具有现实的重要性。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种变电站复合材料套管抗震极限承载力参数的标定方法，条理清晰、可操作性强。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种变电站复合材料套管抗震极限承载力参数的标定方法，包括：

对复合材料套管的首批产品，分别进行地震模拟震动台试验和拟静力抗弯试验，分别得到抗震极限承载力Mse和抗弯极限承载力Mst；

通过所述抗震极限承载力Mse和抗弯极限承载力Mst计算换算系数r；

对于所述复合材料套管的非首批次产品，进行拟静力抗弯试验，得到抗弯极限承载力Mst’；通过所述换算系数r得到抗震极限承载力Mse’。

所述换算系数通过下式确定：

r＝Mse/Mst。

所述地震模拟震动台试验的装置包括设置在所述复合材料套管试件顶部的配重框和设置在所述复合材料套管试件底部的底座；在所述复合材料套管试件上设有应变计和加速度计；在放置所述装置的台面上和配重框上设有加速度计。

所述复合材料套管试件的顶部和底部分别设有法兰；所述法兰分别通过螺栓与所述底座和配重框连接。

所述应变计对称轴向分别设置在所述复合材料套管试件的底部法兰外侧和所述底部法兰内测；所述应变计轴向设置在所述复合材料套管试件上部，靠近所述顶部法兰的外侧、所述复合材料套管试件下部，靠近所述底部法兰的外侧和所述复合材料套管试件的中部外侧；所述加速度计设置在所述复合材料套管试件高度的1/4、的1/2和的3/4的外侧、所述配重框的中部、所述顶部法兰的外侧、所述底部法兰的外侧和所述复合材料套管试件下部，靠近所述底部法兰的外侧。

在所述地震模拟震动台试验过程中，逐级施加地震荷载，输入的地震波为推荐时程波或按场地地震安全性评价报告选择人工时程波或实际地震波；输入加速度峰值从0.1g起，以0.1g为增幅逐级加大地震荷载，直至所述复合材料套管试件达到承载力极限并发生损伤；

根据以下方法判断在所述地震模拟震动台试验中的所述复合材料套管试件的承载力极限：监测所述复合材料套管试件靠近其底部法兰外侧的应变时程，在未达到所述复合材料套管试件承载能力极限时，所述应变时程的曲线对称；在达到所述复合材料套管试件极限时，所述应变时程的曲线发生畸变；选取所述应变时程的曲线发生畸变时的工况为承载力极限发生的工况；取所述工况下畸变发生时段地震响应的峰值为承载能力极限计算的依据。

记所述配重框与配重质量为m1，配重框中心距所述底部法兰距离为h1，取所述配重框中心处承载力极限加速度响应峰值为a1；记复合材料套管试件的上部段的质量为m2、中部段的质量为m3-m5和下部段的质量为m6；所述上部段为由顶部法兰的顶端向下到所述顶部法兰高度的2倍处；所述下部段为由底部法兰的底端向上到所述底部法兰高度的2倍处；所述中部段为除去所述上部段和下部段；将所述中部段平均分为三段，由上到下的质量依次 记为m3、m4和m5；所述复合材料套管试件由上到下的各段质量的加速度峰值分别对应为a2-a6；所述复合材料套管试件的极限抗弯承载力Mse，通过下式确定：

所述拟静力抗弯试验的装置包括设置在所述复合材料套管试件底部的底座和通过加载端固定装置与所述复合材料套管试件连接的作动器；在所述复合材料套管试件上设有应变计；在加载端位置设置位移测量计，用于测量加载端的水平位移。

所述复合材料套管试件的底部设有法兰；所述法兰通过螺栓与所述底座连接；所述加载端固定装置为夹具，包括用于连接所述复合材料套管试件和作动器的可预紧的抱箍；所述作动器对其悬臂端施加推力；所述应变计对称轴向分别设置在所述复合材料套管试件的底部法兰外侧和所述底部法兰内测；所述应变计轴向设置在所述复合材料套管试件上部，靠近所述顶部法兰的外侧、所述复合材料套管试件下部，靠近所述底部法兰的外侧和所述复合材料套管试件的中部外侧。

在所述拟静力抗弯试验过程中，通过所述作动器对其悬臂施加荷载，由位移量控制加载量，所述荷载的施加速率为5mm/min，通过单向加载或往复加载,直至所述试件发生破坏，且所述试件发生破坏时其承载力下降为未破坏时最大承载力的80％；当进行所述往复加载时，每一级别位移增量为10mm；

按如下方法判定在所述拟静力抗弯试验中，所述复合材料套管试件承载能力极限：取所述拟静力抗弯试验得到的加载端位移d-加载力F曲线，所述加载端位移d-加载力F曲线由线性上升段、塑性上升段和下降段组成，取线 性段终点为承载能力极限点，记此时的加载位移为dy，加载力为Fy；并得到复合套管在拟静力抗弯试验中的极限承载力值Mst，通过下式确定：

Mst＝Fy*h

其中，h为加载端至底部法兰的距离。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明技术方案对非首批次产品减少了地震台试验项目，在保证结果有效性的前提下简化了试验过程；

2、本发明技术方案节省了试验费用；

3、本发明技术方案不仅能在型式试验中采用，也能在抽检环节中推广；

4、本发明技术方案在选取更好性能的复合材料套管能，具有重要的意义；

5、本发明技术方案减小复合材料套管在地震中的损坏率。

附图说明

图1为本发明实施例单节复合材料套管地震台试验装置结构示意图；

图2为本发明实施例的底座结构俯视图；

图3为本发明实施例的底座结构正视图；

图4为本发明实施例配重框结构正视图；

图5为本发明实施例配重框结构仰视图；

图6为本发明实施例的未到达极限状态下，应变片曲线图；

图7为本发明实施例的极限状态下，应变片曲线图；

图8为本发明实施例的极限状态下，应变片曲线图示意图；

图9为本发明实施例的地震台试验中复合套管极限承载力计算示意图；

图10为本发明实施例的单节复合讨论套管拟静力抗弯试验装置示意 图；

图11为本发明实施例的加载端位移d-加载力F曲线示意图；

其中，1-配重框，2-复合材料套管试件，3-底座，4-安装孔，5-吊装孔。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种变电站复合材料套管抗震极限承载力参数的标定方法，包括：

1)对某规格的复合材料套管的首批产品，分别进行地震模拟震动台试验和拟静力抗弯试验，分别得到抗震极限承载力Mse和抗弯极限承载力Mst,计算换算系数

r＝Mse/Mst

2)对于某规格的非首批次复合材料套管产品，即可仅进行拟静力抗弯试验，通过换算系数得到抗震极限承载力Mse’＝r*Mst’。

现对上述承载能力标定方法的依据进行阐述。地震荷载下变电站复合材料套管的破坏模式一般为弯曲破坏模式，表现为套管于金属法兰之间的连接破坏、复合材料套管的破坏或法兰盘于法兰筒体的破坏。需要注意的是，虽然破坏模式同为弯曲破坏模式，地震荷载因其为动态的冲击荷载，与静力荷载有差异。所以地震模拟震动台试验中得到的极限承载力Mse与拟静力试验中得到的极限承载力Mst有差异。而同种规格的不同批次产品中，因其采用了相同的结构和材料，Mse与Mst之间的差异趋势是一致的。所以，在标定r＝Mse/Mst之后，对于不同批次产品的抽检，可以通过修正拟静力试验结果 的方式得到复合材料套管的抗震极限承载力。

单节复合材料套管地震台试验装置

试验装置如图1所示，其主体由复合材料套管试件2、配重框1和连接底座3组成，各部分之间通过螺栓连接；试验测量装置包括应变计和加速度计。

连接底座3用于连接试振动台面与试件，如图2-图3，其底部上下端面以及加劲肋板厚大于2cm，从而连接底座有较大的刚度；复合材料套管试件2的底部法兰与底座连接，顶部法兰与配重框1连接；配重框1为方形，底板和壁厚宜取5-10mm,如图4-图5，根据施加配重的质量设计其大小；应变计均按试件的轴向粘结，测量位置分别为底部法兰外侧对称位置、套管底部内侧对称位置、套管外侧靠近底部法兰端部位置、套管中部外侧、套管外侧靠近顶部法兰位置；加速度计测量振动方向和垂直振动方向的振动时程，安装位置为台面、试件各1/4位置处、试件套管表面靠近底部法兰处和配重框中部。

配重框1的质量可按如下方式选择，220kV复合套管施加配重为750kg,500kV复合套管施加配重为1500kg，500kV以上设备施加配重应另行计算确定。

地震台试验中复合套管承载能力极限状态的判定与极限承载力值的标定

在地震台试验过程中，应逐级施加地震荷载，输入地震波为推荐时程波或按场地地震安全性评价报告选择人工时程波或实际地震波，输入加速度峰值从0.1g起，以0.1g为增幅逐级加大地震荷载，直至试件达到承载力极限状态并发生损伤。

地震台试验中复合套管承载力极限状态根据以下规则判断：监测套管外侧靠近底部法兰端部位置的应变时程，在未达到承载能力极限状态时，该位置的应变时程曲线基本对称，如图6；在极限状态下，应变片曲线发生较大畸变，如图7和8；选取应变时程曲线发生畸变工况为承载力极限状态发生的工况，如图7中1.88g工况；取该工况下畸变发生时段地震响应的峰值，如图7中8-10s时段，为承载能力极限状态计算的依据。

地震台试验中复合套管极限承载力按以下规则计算：如图9，记配重框1与配重质量为m1，配重框1中心距套管法兰距离为h1，取该处承载力极限状态下加速度响应峰值为a1；记复合套管的上部段的质量为m2、中部段的质量为m3-m5和下部段的质量为m6；所述上部段为由顶部法兰的顶端向下到所述顶部法兰高度的2倍处；所述下部段为由底部法兰的底端向上到所述底部法兰高度的2倍处；所述中部段为除去所述上部段和下部段；将所述中部段平均分为三段，由上到下的质量依次记为m3、m4和m5；所述复合材料套管试件由上到下的各段质量的加速度峰值为a2-a6；得到试件的极限抗弯承载力Mse为：

其中，加速度峰值a2-a6分别对应从以下加速度计中获取；放置在顶部法兰外侧的加速度计、设置在所述复合材料套管试件高度的1/4、的1/2和的3/4的外侧的加速度计、设置在所述复合材料套管试件下部，靠近所述底部法兰的外侧的加速度计。

单节复合材料套管拟静力抗弯试验装置

单节复合讨论套管拟静力抗弯试验装置如图10所示，试验装置主体分 为四个部分，分别为连接底座3，复合材料套管试件2、加载端夹具和作动器；试验测量装置包括应变测量装置和位移测量装置。

其中，连接底座的用于固定试件，试件直立于连接底座3上，并通过螺栓连接；加载端夹具为一可预紧的抱箍装置，用于连接复合材料套管试件2和作动器；作动器用于施加悬臂端推力。测量装置中应变计的测量位置同地震台试验中描述，位移测量装置布置于加载位置，测量加载端的水平位移。

拟静力抗弯试验中复合套管承载能力极限状态的判定与极限承载力值的标定

在试验过程中，通过作动器施加悬臂荷载，由位移量控制加载，荷载施加速率可以为5mm/min，可以选择进行单向加载或往复加载(往复加载时每一级别位移增量可以为10mm),直至试件发生破坏，且承载力下降为最大承载力的80％。

承载能力极限状态的判定按如下方法进行：取试验得到的加载端位移d-加载力F曲线，如图11所示，曲线在加载后期曲线的形状可能有不同模式，但在前期曲线形状一般较为统一。曲线由线性端上升、塑性上升段和下降段组成，取线性段终点为承载能力极限状态点，记此时的加载位移为dy，加载力为Fy。

得到复合套管在拟静力抗弯试验中的极限承载力值Mst为

Mst＝Fy*h

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范 围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。