输电塔Balau木-PGFRP复合材料横担套筒加固技术提升抗蠕变性能与寿命预测研究

为解决传统木制和PGFRP复合材料横担在长期载荷下蠕变抗力不足的问题，研究人员通过SS304不锈钢套筒加固技术，系统评估了Balau木、原始及加固PGFRP复合材料横担在3PB、UDL、UVL和CPL载荷下的力学性能。结果表明，套筒加固使瞬时挠度降低62%，蠕变抗力提升72%，并通过Findley幂律模型预测50年后刚度保留率达85%，为输电塔结构耐久性提升提供了经济高效的解决方案。

　　

输电塔作为电力输送的骨干设施，其横担结构长期承受导线载荷与环境侵蚀，传统Balau木横担因材料老化、蠕变变形导致服役寿命不足，而新兴的拉挤玻璃纤维增强聚合物(PGFRP)复合材料虽具有轻量化优势，但在热带气候下仍面临界面降解和长期变形问题。现有加固方案如蜂窝夹层或临时支撑存在安装复杂、树脂易老化等缺陷，亟需开发兼具高耐久性与工程适用性的新型加固技术。

马来西亚的研究团队在《Results in Engineering》发表研究，创新性地提出SS304不锈钢插接式套筒加固方案，通过系统性实验与模型预测，揭示了该技术对横担力学性能与服役寿命的增强机制。研究采用全尺寸单主梁试件，依据ASTM D790和D2990标准开展三点弯曲(3PB)、均布载荷(UDL)、渐变载荷(UVL)和集中点载荷(CPL)测试，结合Findley幂律模型进行50年长期性能预测。

关键技术方法
研究选取马来西亚132 kV输电塔的Balau木和PGFRP复合材料横担（主梁尺寸102×102 mm，壁厚7.8 mm），采用SS304不锈钢套筒（长度1200 mm，厚度2 mm）通过过渡配合与螺栓紧固实现加固。通过数字千分表监测开放热带环境（平均温度29.46°C，湿度68.61%）下1000小时蠕变实验，结合弹性模量比(E_a/E_c)与细长比(L/r)分析剪切变形效应，并利用Findley模型参数m、n拟合实验曲线预测长期性能。

研究结果
3.1 载荷-挠度行为
套筒加固使PGFRP横担在3PB、UDL、UVL和CPL条件下的表观弹性模量(E_a)最高提升62.29%，验证了套筒通过增加应力分布面积提升刚度的机制。其中3PB载荷下原始与加固PGFRP的E_a分别为33.50 GPa和43.01 GPa，而Balau木仅17.95 GPa。

3.2 弯曲蠕变特性
1000小时蠕变实验显示，套筒加固使PGFRP的瞬态蠕变弹性模量(E_t)较木材提升68.21%（3PB条件）。UDL和UVL载荷共同贡献了实际横担结构的3PB型破坏模式，而CPL载荷与实测失效模式相关性低。

3.3 经验蠕变模型
Findley模型拟合优度(Adj. R² 0.9681-0.9960)显示，套筒加固PGFRP在UVL条件下的E_t/E比值达19.51，表明其对渐变载荷的优异适应性。参数n值（0.1703-0.2582）反映材料的时间依赖性变形特征。

3.5 寿命预测
50年预测表明，套筒加固横担在3PB条件下弹性模量保留3.07 GPa，较原始PGFRP（1.65 GPa）和Balau木（0.43 GPa）分别提升85%和614%，且模量衰减系数(χ)改善24%。

结论与意义
该研究证实SS304套筒通过机械互锁与界面应力重分布，有效抑制PGFRP复合材料的纤维-基体脱粘和剪切滑移，使输电塔横担在长期多轴载荷下保持结构完整性。相较于传统加固方案，插接式设计支持现有结构的快速改装，避免塔体解耦带来的运维成本。研究建立的载荷-失效模式关联性为输电基础设施耐久性设计提供了新范式，而基于热带环境实测数据的Findley模型修正，为复合材料在湿热地区的工程应用提供了精准预测工具。未来研究可进一步探索套筒结构在多物理场耦合作用下的疲劳-蠕变交互机制。