【摘要】复合材料即FRP，本文将研究其在输变电杆塔中的应用，首先介绍复合材料特性概述，并结合试验分析，主要从杆塔设计以及节点设计这两点探究单杆复合材料杆塔的应用；另外，还将介绍格构式复合材料杆塔的设计应用。
【关键词】复合材料；输电杆塔；应用
【中图分类号】TB332【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2015）24-0257-02
引言
玻璃纤维增强树脂基复合材料简称复合材料，具有质量小、强度高、耐磨性好、耐腐蚀、易加工等优点，被广泛应用于汽车制造、建筑施工、航空航天等领域。近些年在输电杆塔领域，复合材料也有广泛应用。
1复合材料特性概述
（1）复合材料绝缘性能好，因此将其应用于输电杆塔领域，可以很好的实现结构材料与功能材料的统一，可以体现在以下几点：①性能优越，复合材料具有良好的绝缘性能，因此可以将其作为绝缘子，保障输电线路的安全性能。②有效节约工程造价，运用复合材料，可以减小杆塔走廊宽度、降低杆塔重量、减少混凝土使用量，因此有利于降低施工成本。③能够实现资源节约，传统的铁塔施工所用原材料一般为铁矿石，需要大量进口，但是复合材料的原材料是二氧化硫，而我国富含二氧化硫，因此能够节约资源。④环境友好，传统的铁塔施工会产生大量的废气，对环境造成很大污染，而使用复合材料不仅易于加工，而且与环境更加协调，可以增强施工线路和环境的协调性。（2）根据上文所述，复合材料有很多应用优点，但与此同时，其在实际应用中也有很多缺点：①连接困难，由于复合材料属于脆性材料，因此在施工过程中，很可能导致纤维材料发生断裂，并且引起较为严重的应力集中，不利于连接。②易老化，复合材料老化速度较快，会造成强度减弱，性能变差，因此目前复合材料的应用推广难题在于如何缓解材料的老化。③运行经验不足，目前我国电力行业对于复合材料的研究较少，对其物理性能的理解不够充分，而这一点在很大程度上制约了复合材料的应用。
2复合材料在单杆杆塔中的应用实例
本文将结合某试点工程，从杆塔设计及节点设计两方面介绍单杆复合材料的设计思路以及参数控制。
2.1结构设计及优化
2.1.1材料设计强度的选取复合材料易于老化，而且各个厂家的产品具有离散型，因此，为了更好的满足杆塔结构的强度要求，必须根据工程的实际情况对符合材料的老化性能进行检验。在本次试验中，所用设计材料的强度设置为测试强度的0.6倍，经过修正后，拉伸强度设置为618MPa，压缩强度为389.4MPa，弯曲强度为636MPa。2.1.2杆塔外形选择及优化对试点工程的结构变形以及经济等方面进行综合分析，采用ANSYS有限元软件，通过SOLID46层状单元进行模拟，并且对材料的强度、杆塔重量等方面进行严格控制。经过一系列选择，最终确定杆塔的截面形式为拔梢杆，杆塔的坡度为0.015，壁厚为20mm。2.1.3结构加工工艺杆塔的承载力会受到结构加工工艺以及铺设方向的影响，所以，加工工艺的设计是杆塔设计的重点。在设计方案的选择上，必须在保证切实可行的条件下尽量节约造价成本。对于本次试验所用的杆塔，杆塔的下部应该采用石英砂/树脂颗粒夹层加工工艺。通常情况下，可以将杆塔分为4层，如图1所示。杆塔的上段节点数量比较多，材料用量比较少，因此，在实际施工中可以采用全玻璃钢缠绕方案。通过优化结构设计方案，能够在很大程度上节约工程造价。2.1.4真型试验的验证通过真型试验能够有效验证产品质量，同时也能够验证工程设计方法。对于试点工程杆塔，上述结构方案设计能够顺利通过断线、90°大风超载工况等各种测试。在正常工况下，杆顶挠度为343mm，能够保证复合材料的正常工况。除此以外，通过试验分析得出的测试值与理论分析数值保持一致，由此可见，本次试验方法所得的试验结果比较准确，可以供后期设计作为参考，如图2所示。
2.2节点设计及优化
杆塔的节点设计一般可以分为方案的选择以及方案的优化。这两部分在实施过程中都应该严格依据杆塔结构连接的可靠性、经济性要求，另外，还应该综合考虑杆塔的协调性、粘结强度和抗扭强度等要求。对此，本文将以试点工程杆塔的节点构造为例，并进行详细探讨。（1）节点方案的选择表1是对管壁预埋金属螺栓、插接胶粘、金属法兰套筒三种方案的对比研究，通过研究分析，主杆形式可以采用金属法兰套筒，并且采用抗扭销钉的连接方式。因为，金属法兰套筒具有加工便捷、安装简单等应用优势，而且有利于控制结构变形。（2）节点方案的优化对于本次试验设计方案，可以使用有限元分析法进行优化，金属套筒越长，则其与主杆之间的抗剪强度也越大，一旦其长达大于临界值，则套筒与主杆间的抗剪强度增加的幅度会越来越小，趋于稳定。除此以外，增加套筒长度的长度以及加筋肋的高度，能够有效增强节点的刚度，有利于避免节点局部变形，但是值得注意的是，如果节点刚度过高，则会最终导致下段杆体受弯情况越来越严重，如图3所示。优化节点方案后，可以将套筒高度定为0.5m，另外可以将加筋肋高度定为套筒高度的0.6倍。优化本次试验节点方案，能够确保节点部分应力均匀。套筒与杆体的衔接位置的应力以及螺栓孔周边应力分别为47MPa以及263MPa，均低于复合材料设计强度。结构胶层剪应力最大值为7.62MPa。
3复合材料在格构式杆塔中的应用实例
在实际应用中，复合材料不仅可以应用在单杆杆塔上，而且还可以应用于格构式杆塔中。对此，本文将对试验塔进行仔细研究，并且通过一系列试验，探究复合材料在格构式输电杆塔中的应用。对复合材料进行基本性能以及强度试验，其抗拉强度为849MPa，抗压强度为273MPa。复合材料具有容易老化的缺点，如何材料的强度修正一般可以设置为设计强度的0.5倍。但是，在实际应用中，采用格构式的杆塔形式，有利于在一定程度上提高杆塔的强度和刚度，有利于减少复合材料弹性模量低的缺陷。除此以外，节点设计采用套管式刚节点，有利于构件连接。运用格构式杆塔进行相关试验分析，并通过理论分析，能够得到较为精确的试验结果。通过方案设计和优化，格构式杆塔设计方案能够通过事故断线工况、正常工况在内的各项测试，并且复合材料最大应力在65%左右，结构刚度能够满足设计要求。
4复合材料在我国输电杆塔中的应用前景
输电杆塔在架空线路工程中应用十分广泛，市场需求潜力巨大。新时期，我国国民经济发展迅速，各行各业对于电力的需求日益增加，电力供应问题日渐严峻。因此，为了有效解决我国电力能源配置优化问题，我国积极实行“西电东送”以及“全国联网”战略，并且积极推进城乡电网改造等重大工程。对于这些规模浩大的电力工程，必须积极研究出成本低、性能好的输电杆塔结构。由此可见，复合材料在输电杆塔中的应用前景十分广阔。目前，从需求量以及技术水平角度而言，在我国电力行业，复合材料输电杆塔技术已经比较成熟。但是，初期投入成本较高、复合材料抗老化性能较低等问题也在很大程度上制约了我国复合材料的推广和应用。但是，从输电杆塔减轻质量、降低成本等角度出发，复合材料在输电杆塔中的应用仍然能够体现出较高的优越性。
5结束语
综上所述，本文主要对试验杆塔进行探究，分别介绍了复合材料杆塔以及杆塔节点的设计形式。另外，本文还详细介绍了复合材料在格构式杆塔中的应用，输电杆塔的应用前景十分广阔，对此，必须加深复合材料的研究，推动我国架空线路工程的发展。
参考文献
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作者：樊云龙 单位：中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司
