復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用研究

1、復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用研究工程設(shè)計綜合甲級資質(zhì)A1370027472010年8月 北 京批 準(zhǔn)：審 核：校 核：編 寫：目 錄1.前言42.復(fù)合材料在國內(nèi)外輸電桿塔中的應(yīng)用43.復(fù)合材料在輸電桿塔領(lǐng)域的應(yīng)用性研究94.復(fù)合材料在單柱桿塔中的應(yīng)用研究95.復(fù)合材料在格構(gòu)式桿塔中的應(yīng)用186.復(fù)合材料在輸變電桿塔中應(yīng)用展望207.結(jié)論201. 前言隨著電網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路工程呈現(xiàn)出長距離、規(guī)?；⒋笮突陌l(fā)展趨勢，其對鋼材的需求量也在逐年上升，消耗了大量礦產(chǎn)資源，造成生態(tài)環(huán)境的污染。同時，大量采用鋼材作為鐵塔材料，也給桿塔的施工運輸、運行維護(hù)帶來了諸多困難。因此，采用新型環(huán)保材料代替鋼材成為輸

2、電行業(yè)的一種發(fā)展趨勢。復(fù)合材料由于具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、易加工、可設(shè)計性強(qiáng)和絕緣性能好等優(yōu)點，越來越為工程界所重視，已在石油、化工以及建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。隨著復(fù)合材料技術(shù)及其制造工藝的發(fā)展，其物理力學(xué)性能已逐步提高，輸電桿塔采用復(fù)合材料已成為可能。復(fù)合材料塔用于輸電線路可以節(jié)約鋼材，減少對礦產(chǎn)資源的破壞，保護(hù)環(huán)境；并且，利用復(fù)合材料的絕緣性，不僅易于解決輸電線路的風(fēng)偏和污閃事故，提高線路安全運行水平，同時還可以減小塔頭尺寸，減少走廊寬度；桿塔輕便，易加工成型的特點，可以大幅度地降低桿塔的運輸和組裝成本；桿塔的耐腐蝕、耐高低溫、強(qiáng)度大、被盜可能性小的特點，可降低線路的維護(hù)成本；同時由于桿塔顏

3、色可調(diào)、無毒害、報廢后可再利用，還增強(qiáng)了線路的環(huán)境友好性。因此復(fù)合材料在一定程度上是建造輸電桿塔結(jié)構(gòu)的理想材料之一。由此可見，復(fù)合材料塔具有更好的綜合性能，并且作為一種低碳、節(jié)能、環(huán)保以及符合工藝美學(xué)的新型結(jié)構(gòu)，代表了輸電桿塔結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向之一。因此在材料性能滿足要求的基礎(chǔ)上，通過合理的設(shè)計，將復(fù)合材料塔在輸電線路工程上推廣應(yīng)用，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。2. 復(fù)合材料在國內(nèi)外輸電桿塔中的應(yīng)用復(fù)合材料電桿在40多年以前已有研究，但當(dāng)年主要是樹脂基玻璃纖維復(fù)合材料電桿，樹脂一般采用綜合性能較好的環(huán)氧樹脂固化體系為基體材料，采用連續(xù)纖維纏繞成型工藝，成本較高，由于工藝技術(shù)和樹脂配方問題導(dǎo)致抗老

4、化性能差，壽命短，未能在實際工程線路中得到實際應(yīng)用。隨著樹脂和纖維材料性能的改進(jìn)和制造技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料電桿重新受到世界各國輸電行業(yè)的重視。新型電桿在基體樹脂中添加了抗老化成分，以碳纖維和玻璃纖維或混雜纖維作為增強(qiáng)材料，采用拉擠或纏繞成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)，材料性能得到提高，成本也已大幅降低。纏繞型低成本電桿在美國已經(jīng)投入使用，并且拉擠結(jié)構(gòu)輸電塔也已研制成功。2.1 國外研究概況復(fù)合材料桿塔由于其優(yōu)良的綜合性能已經(jīng)在歐美得到應(yīng)用，其中研究開發(fā)和應(yīng)用最為成熟的是美國。美國各大輸配電公司對復(fù)合材料桿表現(xiàn)出濃厚的興趣，各制造企業(yè)也積極研制開發(fā)出各種復(fù)合材料桿。美國的Ebert Composites公司、

5、Powertrusion Composites公司、Shakespear公司、North Pacific 公司和CTC公司等制品廠家都開發(fā)了自己的復(fù)合材料桿產(chǎn)品，并申請專利和得到了比較廣泛的應(yīng)用，如圖2.12.2所示。圖2.1 南加州愛迪生公司建造的115kV復(fù)合輸電桿圖2.2 運行中的69kV交叉線路復(fù)合輸電桿圖2.3 復(fù)合輸電桿的運輸?shù)跹b圖2.3中展示的FRP桿最長可達(dá)80英尺（27.84m），底部直徑為24.38英寸（619cm），重量為1350磅（611.5kg）。適用于110kV及以下電壓等級的輸電線路。另外，由于復(fù)合材料質(zhì)的輕質(zhì)特性，對于復(fù)雜的地形條件，其還可采用直升機(jī)運輸?shù)姆绞剿?/p>

6、抵指定塔位，如圖2.4所示。圖2.4 直升機(jī)正在吊裝復(fù)合輸電桿除了單根結(jié)構(gòu)的電桿外，一些公司還開發(fā)應(yīng)用了型材組裝的復(fù)合材料輸電塔。由于復(fù)合材料穿孔會破壞內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)，減弱其整體強(qiáng)度并造成應(yīng)力集中，因此其不宜采用螺栓穿孔連接。從1992年起，美國提出了一項新的研究計劃，由復(fù)合材料采用無螺栓裝配構(gòu)建桿塔。它由Ebert Composites公司與加利福尼亞兩家供電公司圣地亞哥煤氣電力公司（SDGE）和南加利福尼亞愛迪生公司（SCE）一道開發(fā)。該計劃也得到了美國電科院（ERPI）的技術(shù)支持。1996年3月，在加利福尼亞奧克斯納德的奧蒙德比奇發(fā)電站一條已建成的220千伏線路上安裝了三基試驗桿塔，如圖2

7、.5所示。 圖2.5 格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔及其節(jié)點連接方式盡管當(dāng)?shù)氐母珊导竟?jié)常使線路周邊鹽污染加劇，但投運過程中，并未出現(xiàn)明顯的放電痕跡、機(jī)械損傷和電氣損傷，或由氣候變化或紫外線輻射引起的損傷，桿塔運行狀況良好。除美國在復(fù)合材料桿塔領(lǐng)域取得的顯著成績外，加拿大的RS公司也是一家先進(jìn)的復(fù)合材料開發(fā)商，研發(fā)了獨特設(shè)計的復(fù)合材料桿塔，其具有重量輕和安裝方便的特點，被南加州愛迪生公司的“未來電路”項目選中，該項目是美國最先進(jìn)的近傍電力線路。采用的聚氨酯樹脂體系具有創(chuàng)新性，比常規(guī)不飽和聚酯樹脂加工的復(fù)合材料有更大的強(qiáng)度、耐沖擊力和較大比強(qiáng)度等優(yōu)勢。除此之外，荷蘭Movares工程咨詢公司2005年完成了荷

8、蘭電網(wǎng)一條1.5公里380/150kV試驗線路的方案設(shè)計，該方案旨在利用復(fù)合材料桿塔的電氣絕緣性能以改善輸電線路電磁場對環(huán)境的影響。該項目曾一度受到歐盟重視。Exel Compsites國際集團(tuán)（分部主要在澳大利亞、奧地利、比利時、芬蘭、德國、英國）針對電網(wǎng)應(yīng)用實際情況研制了復(fù)合材料桿塔，集團(tuán)成立了專門的部門進(jìn)行市場運作。意大利Topglass Composites公司也生產(chǎn)了復(fù)合材料桿結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)實現(xiàn)了商品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用于路燈。隨著應(yīng)用范圍的加大，目前，美國已制定了相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。歐美等國的成功經(jīng)驗證實了復(fù)合材料在輸電桿塔領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，同時也為其在我國的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2.2 國內(nèi)研究概況

9、我國在20世紀(jì)50年代就對復(fù)合材料桿進(jìn)行過研究，但由于當(dāng)時的材料性能和制造工藝方面的原因，尚不能滿足輸電桿塔所要求的一些性能指標(biāo)。因此，未能得到推廣使用，電力行業(yè)和各制品研究開發(fā)與生產(chǎn)單位也未對復(fù)合材料桿產(chǎn)品給予足夠的重視。近年來，由于復(fù)合材料具有的明顯優(yōu)勢逐步顯露出來，尤其是其比強(qiáng)度和比模量高于金屬鋼材數(shù)倍，輕質(zhì)特性非常適合山區(qū)的運輸和組裝，因此，對于復(fù)合材料桿塔工程實踐的需求已經(jīng)顯得非常迫切。另外，復(fù)合材料的其它性能（結(jié)構(gòu)本體重量輕、耐疲勞、加工成型方便、耐腐蝕、易維護(hù)等）也非常適合作為桿塔結(jié)構(gòu)材料，隨著復(fù)合材料成本的進(jìn)一步降低和工藝的不斷進(jìn)步，國內(nèi)的相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)對復(fù)合材料桿塔研究的重視程

10、度和積極性越來越高。南方電網(wǎng)的廣東電網(wǎng)公司于2007年針對復(fù)合桿塔的應(yīng)用研究進(jìn)行了立項，項目選用了加拿大RS公司的復(fù)合桿塔，其力學(xué)真型試驗在中國電力科學(xué)研究院進(jìn)行。同時，項目開展了包括電氣性能、機(jī)械性能、老化性能等關(guān)鍵性問題在內(nèi)的研究。除此之外，國內(nèi)已有多家生產(chǎn)企業(yè)開始對復(fù)合桿塔的應(yīng)用進(jìn)行探索研究。溫嶺市電力絕緣器材有限公司自1995年開始研究復(fù)合材料，研制成功了220kV及以下?lián)屝匏ㄩT形、帶拉線）、110kV復(fù)合材料橫擔(dān)和桿頭，其中搶修塔已經(jīng)進(jìn)行了多項電氣和物理性能試驗，并在工程中得到應(yīng)用。常熟市鐵塔有限公司曾與加拿大RS公司洽談合作復(fù)合材料桿塔項目，但因為RS公司要求過高而未能達(dá)成一致意

11、見。鞍山鐵塔開發(fā)研制中心與鞍山鐵塔廠合作，于2006年在遼寧省電力公司立項研制高強(qiáng)度復(fù)合材料桿塔。采用了兩段插接八邊形20m長桿，端部加載3t情況下，桿頂撓度為2m。近期，隨著國家電網(wǎng)公司倡導(dǎo)建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的“兩型三新”線路，自2009年6月，尤其牽頭召開了“復(fù)合材料桿塔項目啟動會”，各設(shè)計參與單位先后落實了復(fù)合材料桿塔應(yīng)用的試點工程及與之合作的復(fù)合材料產(chǎn)品商。項目共設(shè)立8個試點工程，電壓等級涵蓋10kV、35kV、110kV以及220kV四個電壓等級。其中，10kV、35kV采用全復(fù)合材料桿方案；110kV、220kV僅應(yīng)用在橫擔(dān)上，利用其絕緣性縮減走廊寬度。長期以來，由于國內(nèi)在

12、輸電結(jié)構(gòu)領(lǐng)域缺乏復(fù)合材料試驗和理論的研究。為此該項目由國家電網(wǎng)公司牽頭，國網(wǎng)電科院及中國電科院負(fù)責(zé)，起草了針對復(fù)合材料在輸電桿塔應(yīng)用的試驗大綱。各參與單位根據(jù)試點工程情況選擇測試項目，測試包括：材料基本力學(xué)性能測試、腐蝕老化性能測試、材料電氣性能測試、構(gòu)件真型試驗、結(jié)構(gòu)真型試驗以及防雷接地性能測試。目前，各參與單位負(fù)責(zé)的試驗項目已基本完成，對復(fù)合材料的物理力學(xué)及電氣性能有了較為全面的認(rèn)識，并就結(jié)構(gòu)的變形控制等問題達(dá)成了一致。截止2010年8月，已有包括江蘇XXX工程、XXX工程在內(nèi)XX項工程投入運行。目前運行狀況良好，未出現(xiàn)異常狀況。3. 復(fù)合材料在輸電桿塔領(lǐng)域的應(yīng)用性研究復(fù)合材料應(yīng)用于輸電桿

13、塔領(lǐng)域，其主要技術(shù)優(yōu)勢包括：（1）節(jié)約鋼材、減少對礦產(chǎn)資源的消耗，保護(hù)環(huán)境；（2）良好的絕緣性，不僅避免了風(fēng)偏和污閃事故，提高線路安全運行水平；同時，還可以減少塔頭尺寸、縮減走廊寬度；（3）桿塔質(zhì)輕高強(qiáng)，易于加工成型，可大幅降低桿塔的運輸組裝成本；（4）材料可設(shè)計性強(qiáng)，通過不同的纖維分布方式實現(xiàn)材料各項異性，從而滿足不同受力構(gòu)件的力學(xué)要求；（5）材料良好的耐腐蝕性、耐候性，降低了線路的運行維護(hù)成本。因此，復(fù)合材料在一定程度上是建造輸電桿塔結(jié)構(gòu)的理想材料之一。但我們也應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，一直以來復(fù)合材料在我國主要作為功能性材料或受力較小的構(gòu)件，將其應(yīng)用于輸電桿塔中還存在以下技術(shù)瓶頸：（1）材料彈性

14、模量低，盡管復(fù)合材料具有質(zhì)輕高強(qiáng)的特性，但其彈性模量僅為鋼材的1/5，造成在較大的荷載下結(jié)構(gòu)撓度較大；（2）材料不宜打孔，不能采用傳統(tǒng)的螺栓連接方式，造成其節(jié)點連接復(fù)雜；（3）生產(chǎn)成本較高，盡管復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝在翻新，但與鋼桿相比，其建設(shè)成本在3倍以上，即便考慮到日后維護(hù)少、使用壽命長等優(yōu)勢，綜合全壽命比較，其費用仍然偏高。針對以上問題開展復(fù)合材料在輸電桿塔上的應(yīng)用研究就顯得尤為重要。4. 復(fù)合材料在單柱桿塔中的應(yīng)用研究單柱結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于荷載較小的低電壓等級鐵塔中，其具有傳力路徑清晰，構(gòu)造簡單的優(yōu)勢，適合于FRB這種可設(shè)計性強(qiáng)，但不宜穿孔的材料。同時，由于材料彈性模型較低，采用單桿結(jié)構(gòu)后其整

15、塔的撓度控制將成為桿塔設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。下面將以山東某35kV工程FH35全復(fù)合材料桿塔為例從桿體設(shè)計、節(jié)點設(shè)計兩方面探討復(fù)合材料單桿桿塔的設(shè)計應(yīng)用問題。4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化桿體的設(shè)計及優(yōu)化主要在于協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形以及經(jīng)濟(jì)性三方面的要求，其應(yīng)按以下流程開展工作。1）材料設(shè)計強(qiáng)度的選取考慮老化及各生產(chǎn)廠商產(chǎn)品的離散性，為滿足構(gòu)件的強(qiáng)度要求，應(yīng)首先根據(jù)材料基本力學(xué)性能及腐蝕老化試驗的結(jié)果，對實測值進(jìn)行修正。以FH35塔為例，設(shè)計時，將測試強(qiáng)度乘以0.6作為材料的設(shè)計強(qiáng)度，修正后拉伸強(qiáng)度為618.0MPa，壓縮強(qiáng)度389.4MPa，彎曲強(qiáng)度636MPa。2）桿塔外形選擇及優(yōu)化為兼顧結(jié)構(gòu)變形及經(jīng)濟(jì)性

16、，桿體選形利用ANSYS有限元程序采用SOLID46層狀單元進(jìn)行模擬，優(yōu)化主要以正常運行工況下的桿頂撓度、材料強(qiáng)度及塔重最輕作為控制因素。以FH35塔為例，利用ANSYS進(jìn)行優(yōu)化選型后，最終其采用單桿上字型結(jié)構(gòu)形式，呼稱高18m、桿塔全高22.4m。整桿采用拔梢桿的截面形式，頂端直徑為240mm，底端直徑為576mm，壁厚20mm，如圖4.1和4.2所示。真型試驗測試顯示其正常運行工況下，桿頂撓度為343mm，滿足復(fù)合材料桿塔正常運行工況15的變形要求。 圖4.1 復(fù)合材料桿塔結(jié)構(gòu)圖 圖4.2 復(fù)合材料桿塔真型試驗3）加工工藝的選擇玻璃鋼的加工工藝、纖維層的敷設(shè)方向等都將影響結(jié)構(gòu)的承載力，因此

17、，加工工藝的設(shè)計是桿塔設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。同時，由于原材料價格居高不下，使得即便考慮復(fù)合材料在縮減走廊、交通運輸、運行維護(hù)上的綜合效益，其生產(chǎn)成本仍為鋼材的兩倍，因此有必要采用 更加經(jīng)濟(jì)合理的桿體加工工藝。對于FH35塔，在桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計中，重新設(shè)計了主桿的加工工藝，采用石英砂/樹脂顆粒的夾層結(jié)構(gòu)。一方面石英砂的材料價格僅為玻璃鋼的35%，另一方面二者共同作用下的協(xié)調(diào)性好，并已有豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗。圖4.3 石英砂/樹脂夾層結(jié)構(gòu)桿體結(jié)構(gòu)分為四層：纖維纏繞內(nèi)結(jié)構(gòu)層、石英砂/樹脂剛度層、纖維纏繞外結(jié)構(gòu)層以及表面功能層。纖維纏繞內(nèi)結(jié)構(gòu)層為連續(xù)纖維纏繞復(fù)合材料，起密封及部分承載的作用；石英砂剛度層由石英砂/

18、樹脂組成，起提高剛度、抵抗變形的作用；纖維纏繞外結(jié)構(gòu)層為連續(xù)纖維纏繞復(fù)合材料，主要起承載作用；表面功能層由抗老化添加劑和樹脂配置而成，起防止大氣老化等作用。實際結(jié)構(gòu)中，桿塔下段塔身采用夾層結(jié)構(gòu)，而上段塔身由于節(jié)點構(gòu)造多，為保證結(jié)構(gòu)的可靠性，未采用夾砂結(jié)構(gòu)。采用此方案后整塔造價可降低15%，經(jīng)濟(jì)性明顯。4）真型試驗的驗證真型試驗一方面是對產(chǎn)品的一種驗證，同時，也是對設(shè)計方法和思路的一種檢驗。對FH35塔，該結(jié)構(gòu)方案順利通過了斷線、覆冰、90°大風(fēng)超載工況在內(nèi)的7項工況的測試，如圖4.4所示。該圖顯示了各工況下桿頂變形的理論值及實測值，由圖可以發(fā)現(xiàn)理論解與實測結(jié)果基本一致，除正常運行工況

19、（相差在44%）外，其余偏差均控制在10%左右，說明了有限元模型的準(zhǔn)確性。正常運行工況偏差較大的主要原因在于該工況的荷載較小，低于加荷系統(tǒng)加荷的最小量級，加荷誤差對桿塔變形產(chǎn)生了較大的影響，但其仍滿足15的變形要求；而其他工況基本表現(xiàn)出理論值較實測值大10%的現(xiàn)象，這主要是由于有限元分析時簡化了節(jié)點構(gòu)造，未考慮金屬套筒的影響，而節(jié)點優(yōu)化的結(jié)果顯示，金屬套筒可減少約10%的塔頂撓度，進(jìn)一步說明了計算的準(zhǔn)確性。另外，對于不均勻冰、斷線在內(nèi)的3種工況，塔頂均出現(xiàn)了反彎現(xiàn)象。這主要是由于張力作用于導(dǎo)線掛點處，其上塔身并未受到斷線張力的影響。 圖4.4 各工況下結(jié)構(gòu)撓度曲線在對結(jié)構(gòu)變形分析后，我們將繼續(xù)

20、選取90°大風(fēng)工況（純彎）以及斷上導(dǎo)線工況（彎扭）兩種典型工況，分析桿塔在不同受力特點下的力學(xué)反應(yīng)。計算顯示，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部，拉、壓最大應(yīng)力分別為165MPa和166MPa，遠(yuǎn)低于材料的設(shè)計強(qiáng)度。因此，即便大風(fēng)工況超載至146%時，仍未出現(xiàn)破壞，此時桿頂變形已達(dá)到5m，但在卸去荷載后，桿塔仍能恢復(fù)原始狀態(tài)，未出現(xiàn)殘余變形。而在斷線工況下，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在斷線橫擔(dān)與塔身的連接處。這一方面是由于斷線張力較大，而另一方面是由于計算模型將橫擔(dān)與桿身的連接處簡化為單節(jié)點連接，從而造成連接處局部應(yīng)力集中。忽略此應(yīng)力集中后，可發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部，拉、壓最大應(yīng)力為154MPa和1

21、46MPa，結(jié)構(gòu)安全可靠。圖4.5 展示了桿體底部在90°大風(fēng)工況下的應(yīng)變發(fā)展情況，從圖可以看出，拉壓側(cè)應(yīng)變發(fā)展趨勢基本一致，而桿體應(yīng)變以環(huán)向應(yīng)變?yōu)橹?，達(dá)到3000左右，換算為應(yīng)力后，拉、壓應(yīng)力分別為155MPa和149MPa，與理論值想接近。這一方面體現(xiàn)了玻璃鋼本身的各向異性，提醒我們在材料設(shè)計時，應(yīng)合理選擇纖維的敷設(shè)方向及層數(shù)；另一方面也驗證了SOLID46層狀單元在模擬玻璃鋼纖維結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。圖4.5 桿體底部應(yīng)變荷載曲線另外，從應(yīng)力分布云圖中可以看出，下段塔身應(yīng)力明顯較上段大，這主要是由于夾砂層剛度較低，使結(jié)構(gòu)變形加劇，增大了P-效應(yīng)。當(dāng)將下段桿身夾砂層換為玻璃鋼后，桿頂撓度

22、大幅降低，拉壓應(yīng)力減少為86.4MPa和86.9MPa。因此，未來待玻璃鋼生產(chǎn)成本降低后，可考慮全桿采用玻璃鋼，從而提高桿塔的抗變形性能。4.2 節(jié)點設(shè)計及優(yōu)化節(jié)點的設(shè)計工作主要包括節(jié)點方案的選擇及方案優(yōu)化兩部分，其選擇及優(yōu)化的依據(jù)應(yīng)圍繞連接的可靠性、加工制造的可行性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行，同時考慮上下桿體的變形協(xié)調(diào)性、套筒與桿體間的粘結(jié)強(qiáng)度及抗扭強(qiáng)度、桿塔撓度控制、套筒局部變形對膠層開裂等方面的要求。下面將以FH35塔的節(jié)點構(gòu)造為例進(jìn)行討論。表4.1對比了管壁預(yù)埋金屬螺栓、插接膠粘、金屬法蘭套筒三種方案的可靠性、可加工性及安裝性，最終選擇金屬法蘭套筒粘結(jié)主桿，輔以抗扭銷釘?shù)倪B接方案。該節(jié)點型式承載力高

23、，金屬套筒可控制結(jié)構(gòu)變形，避免連接的疲勞失效；同時加工、安裝方便，便于工程應(yīng)用。1）節(jié)點方案的選擇表4.1 FH35塔節(jié)點方案對比表節(jié)點型式優(yōu)點缺點節(jié)點構(gòu)造簡單，便于現(xiàn)場拼裝桿體受拉側(cè)螺桿與管壁粘結(jié)的可靠度低.；對于徑厚比較大主桿結(jié)構(gòu)，預(yù)埋螺栓易導(dǎo)致接頭管壁劈裂。連接可靠度高插接段采用膠接連接，現(xiàn)場施工質(zhì)量難以保證；螺栓穿孔結(jié)構(gòu)破壞纖維連續(xù)性，桿體易發(fā)生局部撕裂。套筒結(jié)構(gòu)控制桿體變形，避免疲勞失效；現(xiàn)場組裝方便構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)點單重大2）節(jié)點方案的優(yōu)化（1）節(jié)點的優(yōu)化由于金屬套筒與管壁為粘結(jié)連接，因此結(jié)構(gòu)膠層的抗剪強(qiáng)度將直接決定著節(jié)點的可靠性。本文利用ANSYS有限元程序，選取套筒長度0.35m0

24、.65m間隔0.05m共七個方案進(jìn)行對比優(yōu)化。其中，金屬套筒及結(jié)構(gòu)膠采用solid45單元進(jìn)行模擬，玻璃鋼桿體采用solid46層狀單元進(jìn)行模擬。有限元計算的結(jié)果顯示出，隨著套筒長度增加，盡管包括套筒、加勁肋、法蘭盤在內(nèi)的節(jié)點重量呈線性增加，但膠層的剪應(yīng)力逐漸降低，當(dāng)套筒長度增加至0.5m時，其基本維持在7.27MPa7.62MPa之間，低于材料考慮老化后的設(shè)計強(qiáng)度7.86MPa，如圖4.6所示。以上結(jié)果說明當(dāng)套筒長度增加到一定范圍后，其對提高節(jié)點連接強(qiáng)度的貢獻(xiàn)將趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加長度意義不大。故本塔最終采用0.5m套筒方案，其受力及經(jīng)濟(jì)性均滿足工程要求。圖4.6 膠層剪應(yīng)力與套筒高度關(guān)系曲線

25、真型測試的結(jié)果顯示出，玻璃鋼桿體及金屬套筒的應(yīng)變荷載曲線基本成線性變化，材料處于線彈性階段，如圖4.7和圖4.8所示。換算為應(yīng)力后，玻璃鋼接頭處應(yīng)力為47MPa，金屬套筒應(yīng)力為148MPa，與有限元分析結(jié)果相吻合，說明了該計算模型及分析方法的準(zhǔn)確性。 圖4.7 玻璃鋼應(yīng)變荷載曲線 圖4.8 金屬套筒應(yīng)變荷載曲線（2）變形的控制變形控制主要包括兩個方面：桿塔的整體撓度及套筒的局部變形。計算結(jié)果顯示，隨著套筒長度的增加，節(jié)點剛度增加，桿塔的撓度逐漸降低，0.5m較0.35m桿頂撓度下降9.3%，盡管繼續(xù)增大套筒長度可進(jìn)一步控制結(jié)構(gòu)變形，但增大的節(jié)點剛度使上、下桿身的變形協(xié)調(diào)性顯著降低，下段桿身的彎

26、曲作用顯著增加?？刂铺淄驳木植孔冃?，主要是為了減少套筒與桿體間的相對變形，避免節(jié)點在往復(fù)荷載下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠層的撕裂。計算表明，當(dāng)套筒變形控制在0.015mm時，膠層的拉剪強(qiáng)度滿足設(shè)計強(qiáng)度的要求，為此可通過增加加勁肋高度提高套筒的抗變形能力。根據(jù)規(guī)范計算，當(dāng)加勁肋為8mm厚時，其最小高度為140mm，但規(guī)范僅針對法蘭盤與套筒的連接剛度進(jìn)行設(shè)計，并未考慮套筒與桿體的粘結(jié)構(gòu)造，故造成套筒相對變形較大為0.31mm。為此利用有限元程序，通過調(diào)節(jié)加勁肋的布置高度，以控制套筒的局部變形，如圖4.9所示。結(jié)果表明，當(dāng)加勁肋高度達(dá)到套筒高度的0.6時，其變形將控制在0.01mm，減少了套筒與桿身間的相對變形。圖

27、4.9套筒局部變形與套筒高度關(guān)系曲線綜合以上分析，本工程最終推薦金屬外套筒方案，通過結(jié)構(gòu)膠與桿身相連，并輔以抗扭銷釘以增強(qiáng)節(jié)點的抗扭剛度。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力及變形，優(yōu)化后套筒高度為0.5m，加勁肋高度取0.6倍的套筒高度。4.3橫擔(dān)連接及優(yōu)化橫擔(dān)作為傳力的重要構(gòu)件，其節(jié)點設(shè)計應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)簡單，傳力清晰的原則。橫擔(dān)連接主要包括：橫擔(dān)與塔身的連接以及橫擔(dān)與金具的連接，其具體方案如下：（1）橫擔(dān)與塔身的連接在設(shè)計FH35復(fù)合材料桿塔橫擔(dān)與塔身的連接時，考慮了3種方案，如圖4.10所示：采用承托板支撐，利用U型環(huán)進(jìn)行固定；采用全復(fù)合材料翼型橫擔(dān)，利用桿壁的錐度套接連接，輔以結(jié)構(gòu)膠；采用金屬套筒加轉(zhuǎn)接法蘭，

28、并輔以抗扭螺桿或螺栓； 圖4.10 橫擔(dān)節(jié)點連接方案方案1類似于10kV電桿的橫擔(dān)連接方式，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，便于施工，但其偏心會導(dǎo)致一定的初彎曲；同時，偏心受力使承托套筒受彎，對桿壁產(chǎn)生局部擠壓，造成應(yīng)力集中。而U型環(huán)的固定方式易使橫擔(dān)表面在風(fēng)振作用下磨損，破壞表面涂層。方案2為全復(fù)合材料方案，避免了不同材料間的變形不協(xié)調(diào)問題，充分發(fā)揮了復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特性。但目前國內(nèi)技術(shù)條件很難兼顧構(gòu)件承力和外形的要求，批量化生產(chǎn)難度大；且膠粘的連接方式為運行后的檢修更換帶來了不便。方案3的轉(zhuǎn)接法蘭設(shè)計使橫擔(dān)與塔身參考了塔身節(jié)點的連接方案，其連接可靠，但套筒與桿身為全粘接，造成檢修更換的不便。綜合以上

29、3種方案各自的特點，F(xiàn)H35復(fù)合材料塔橫擔(dān)節(jié)點最終采用金屬抱箍加轉(zhuǎn)接法蘭的方案，并增設(shè)抗扭銷釘（不穿透桿壁），增強(qiáng)法蘭套筒與管壁間的抗扭性能。經(jīng)過真型試驗測試，該方案順利通過了斷線、大風(fēng)等工況的測試，并經(jīng)受了大風(fēng)超載146%的考驗，未出現(xiàn)任何異常。（2）橫擔(dān)與金具的連接圖4.11 橫擔(dān)抗拉試驗橫擔(dān)與金具連接時采用螺紋連接并充填環(huán)氧樹脂膠的方案，該方案加工方便，且抗拔能力優(yōu)異。在拉力試驗中（圖4.11所示），其拉斷力達(dá)到了193.9kN，遠(yuǎn)高于設(shè)計荷載，確保了連接的安全可靠。5. 復(fù)合材料在格構(gòu)式桿塔中的應(yīng)用除單桿復(fù)合材料桿塔外，國內(nèi)也開展了格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研究。該項目由西北電力設(shè)計院承

30、擔(dān)，依托660kV接地極線路工程，通過材料試驗、構(gòu)件試驗、結(jié)構(gòu)真型試驗以及疲勞老化試驗等測試，研究了復(fù)合材料在格構(gòu)式輸電桿塔中的應(yīng)用。該試驗塔采用環(huán)氧/E玻璃纖維型材料。通過材料基本性能及強(qiáng)度試驗，其抗拉強(qiáng)度為849MPa、抗壓強(qiáng)度為273MPa，考慮材料老化，其強(qiáng)度設(shè)計值取強(qiáng)度乘以0.5進(jìn)行修正。桿塔采用格構(gòu)式可有效提高桿塔的剛度及承載力，從而彌補復(fù)合材料低彈模的缺陷。另外，為便于現(xiàn)場連接，節(jié)點采用套管式剛節(jié)點；斜材采用拉索體系，從而充分利用復(fù)合材料抗拉性能優(yōu)異的特點，如圖5.1所示。通過對此種結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性試驗，結(jié)合理論研究，設(shè)計方推薦構(gòu)件強(qiáng)度校驗按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范方法計算，穩(wěn)定校驗按0.7倍歐拉公式進(jìn)行計算。 圖5.1 格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔節(jié)點連接方式圖5.2 格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔真型試驗通過以上設(shè)計及優(yōu)化，該格構(gòu)式復(fù)合材料桿塔順利通過了包括正常運行工況、事故斷線工況在內(nèi)的7個工況的測試。試驗結(jié)果表明，復(fù)合材料塔傳力合理，最大應(yīng)力控制在65%，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。6. 復(fù)合材料在輸變電桿塔中應(yīng)用展望目前，復(fù)合材料在低電壓等級輸電線路中的應(yīng)用研究已全面啟動，部分試點工程已掛網(wǎng)運行。未來，應(yīng)繼續(xù)堅持圍繞耐腐蝕、抗覆冰、絕緣性這三方面的優(yōu)勢，結(jié)合運行過程中暴露出的問題，開展復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研