輸電桿塔中復合材料的應用實(shí)例論文

　　引言

　　玻璃纖維增強樹(shù)脂基復合材料簡(jiǎn)稱(chēng)復合材料，具有質(zhì)量小、強度高、耐磨性好、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于汽車(chē)制造、建筑施工、航空航天等領(lǐng)域。近些年在輸電桿塔領(lǐng)域，復合材料也有廣泛應用。

　　1復合材料特性概述

　�。�1）復合材料絕緣性能好,因此將其應用于輸電桿塔領(lǐng)域，可以很好的實(shí)現結構材料與功能材料的統一，可以體現在以下幾點(diǎn)：①性能優(yōu)越，復合材料具有良好的絕緣性能，因此可以將其作為絕緣子，保障輸電線(xiàn)路的安全性能。②有效節約工程造價(jià)，運用復合材料，可以減小桿塔走廊寬度、降低桿塔重量、減少混凝土使用量，因此有利于降低施工成本。③能夠實(shí)現資源節約，傳統的鐵塔施工所用原材料一般為鐵礦石，需要大量進(jìn)口，但是復合材料的原材料是二氧化硫，而我國富含二氧化硫，因此能夠節約資源。④環(huán)境友好，傳統的鐵塔施工會(huì )產(chǎn)生大量的廢氣，對環(huán)境造成很大污染，而使用復合材料不僅易于加工，而且與環(huán)境更加協(xié)調，可以增強施工線(xiàn)路和環(huán)境的協(xié)調性。

　�。�2）根據上文所述,復合材料有很多應用優(yōu)點(diǎn),但與此同時(shí)，其在實(shí)際應用中也有很多缺點(diǎn)：①連接困難，由于復合材料屬于脆性材料，因此在施工過(guò)程中，很可能導致纖維材料發(fā)生斷裂，并且引起較為嚴重的應力集中，不利于連接。②易老化，復合材料老化速度較快，會(huì )造成強度減弱，性能變差，因此目前復合材料的應用推廣難題在于如何緩解材料的老化。③運行經(jīng)驗不足，目前我國電力行業(yè)對于復合材料的研究較少，對其物理性能的理解不夠充分，而這一點(diǎn)在很大程度上制約了復合材料的應用。

　　2復合材料在單桿桿塔中的應用實(shí)例

　　本文將結合某試點(diǎn)工程，從桿塔設計及節點(diǎn)設計兩方面介紹單桿復合材料的設計思路以及參數控制。

　　2.1結構設計及優(yōu)化

　　2.1.1材料設計強度的選取

　　復合材料易于老化，而且各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品具有離散型，因此，為了更好的滿(mǎn)足桿塔結構的強度要求，必須根據工程的實(shí)際情況對符合材料的老化性能進(jìn)行檢驗。在本次試驗中，所用設計材料的強度設置為測試強度的0.6倍，經(jīng)過(guò)修正后，拉伸強度設置為618MPa,壓縮強度為389.4MPa,彎曲強度為636MPa.

　　2.1.2桿塔外形選擇及優(yōu)化

　　對試點(diǎn)工程的結構變形以及經(jīng)濟等方面進(jìn)行綜合分析，采用ANSYS有限元軟件，通過(guò)SOLID46層狀單元進(jìn)行模擬，并且對材料的強度、桿塔重量等方面進(jìn)行嚴格控制。經(jīng)過(guò)一系列選擇，最終確定桿塔的截面形式為拔梢桿，桿塔的坡度為0.015,壁厚為20mm.

　　2.1.3結構加工工藝

　　桿塔的承載力會(huì )受到結構加工工藝以及鋪設方向的影響，所以，加工工藝的設計是桿塔設計的重點(diǎn)。在設計方案的選擇上，必須在保證切實(shí)可行的條件下盡量節約造價(jià)成本。

　　對于本次試驗所用的桿塔，桿塔的下部應該采用石英砂/樹(shù)脂顆粒夾層加工工藝。通常情況下，可以將桿塔分為4層，如圖1所示。桿塔的上段節點(diǎn)數量比較多，材料用量比較少，因此，在實(shí)際施工中可以采用全玻璃鋼纏繞方案。通過(guò)優(yōu)化結構設計方案，能夠在很大程度上節約工程造價(jià)。

　　2.1.4真型試驗的驗證

　　通過(guò)真型試驗能夠有效驗證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也能夠驗證工程設計方法。

　　對于試點(diǎn)工程桿塔，上述結構方案設計能夠順利通過(guò)斷線(xiàn)、90°大風(fēng)超載工況等各種測試。在正常工況下，桿頂撓度為343mm,能夠保證復合材料的正常工況。除此以外，通過(guò)試驗分析得出的測試值與理論分析數值保持一致，由此可見(jiàn)，本次試驗方法所得的試驗結果比較準確，可以供后期設計作為參考。

　　2.2節點(diǎn)設計及優(yōu)化

　　桿塔的節點(diǎn)設計一般可以分為方案的選擇以及方案的優(yōu)化。這兩部分在實(shí)施過(guò)程中都應該嚴格依據桿塔結構連接的可靠性、經(jīng)濟性要求，另外，還應該綜合考慮桿塔的協(xié)調性、粘結強度和抗扭強度等要求。對此，本文將以試點(diǎn)工程桿塔的節點(diǎn)構造為例，并進(jìn)行詳細探討。

　�。�1）節點(diǎn)方案的選擇

　　表1是對管壁預埋金屬螺栓、插接膠粘、金屬法蘭套筒三種方案的對比研究，通過(guò)研究分析，主桿形式可以采用金屬法蘭套筒，并且采用抗扭銷(xiāo)釘的連接方式。因為，金屬法蘭套筒具有加工便捷、安裝簡(jiǎn)單等應用優(yōu)勢，而且有利于控制結構變形。

　�。�2）節點(diǎn)方案的優(yōu)化

　　對于本次試驗設計方案，可以使用有限元分析法進(jìn)行優(yōu)化，金屬套筒越長(cháng)，則其與主桿之間的抗剪強度也越大，一旦其長(cháng)達大于臨界值，則套筒與主桿間的抗剪強度增加的幅度會(huì )越來(lái)越小，趨于穩定。除此以外，增加套筒長(cháng)度的長(cháng)度以及加筋肋的高度，能夠有效增強節點(diǎn)的剛度，有利于避免節點(diǎn)局部變形，但是值得注意的是，如果節點(diǎn)剛度過(guò)高，則會(huì )最終導致下段桿體受彎情況越來(lái)越嚴重，如圖3所示。優(yōu)化節點(diǎn)方案后，可以將套筒高度定為0.5m,另外可以將加筋肋高度定為套筒高度的0.6倍。

　　優(yōu)化本次試驗節點(diǎn)方案，能夠確保節點(diǎn)部分應力均勻。套筒與桿體的銜接位置的應力以及螺栓孔周邊應力分別為47MPa以及263MPa,均低于復合材料設計強度。結構膠層剪應力最大值為7.62MPa.

　　3復合材料在格構式桿塔中的應用實(shí)例

　　在實(shí)際應用中，復合材料不僅可以應用在單桿桿塔上，而且還可以應用于格構式桿塔中。對此，本文將對試驗塔進(jìn)行仔細研究，并且通過(guò)一系列試驗，探究復合材料在格構式輸電桿塔中的應用。對復合材料進(jìn)行基本性能以及強度試驗，其抗拉強度為849MPa,抗壓強度為273MPa.復合材料具有容易老化的缺點(diǎn)，如何材料的強度修正一般可以設置為設計強度的0.5倍。

　　但是，在實(shí)際應用中，采用格構式的桿塔形式，有利于在一定程度上提高桿塔的強度和剛度，有利于減少復合材料彈性模量低的缺陷。除此以外，節點(diǎn)設計采用套管式剛節點(diǎn)，有利于構件連接。運用格構式桿塔進(jìn)行相關(guān)試驗分析，并通過(guò)理論分析，能夠得到較為精確的試驗結果。

　　通過(guò)方案設計和優(yōu)化，格構式桿塔設計方案能夠通過(guò)事故斷線(xiàn)工況、正常工況在內的各項測試，并且復合材料最大應力在65%左右，結構剛度能夠滿(mǎn)足設計要求。

　　4復合材料在我國輸電桿塔中的應用前景

　　輸電桿塔在架空線(xiàn)路工程中應用十分廣泛，市場(chǎng)需求潛力巨大。新時(shí)期，我國國民經(jīng)濟發(fā)展迅速，各行各業(yè)對于電力的需求日益增加，電力供應問(wèn)題日漸嚴峻。因此，為了有效解決我國電力能源配置優(yōu)化問(wèn)題，我國積極實(shí)行"西電東送"以及"全國聯(lián)網(wǎng)"戰略，并且積極推進(jìn)城鄉電網(wǎng)改造等重大工程。

　　對于這些規模浩大的電力工程，必須積極研究出成本低、性能好的輸電桿塔結構。由此可見(jiàn)，復合材料在輸電桿塔中的應用前景十分廣闊。

　　目前，從需求量以及技術(shù)水平角度而言，在我國電力行業(yè)，復合材料輸電桿塔技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是，初期投入成本較高、復合材料抗老化性能較低等問(wèn)題也在很大程度上制約了我國復合材料的推廣和應用。但是，從輸電桿塔減輕質(zhì)量、降低成本等角度出發(fā)，復合材料在輸電桿塔中的應用仍然能夠體現出較高的優(yōu)越性。

　　5結束語(yǔ)

　　綜上所述，本文主要對試驗桿塔進(jìn)行探究，分別介紹了復合材料桿塔以及桿塔節點(diǎn)的設計形式。另外，本文還詳細介紹了復合材料在格構式桿塔中的應用，輸電桿塔的應用前景十分廣闊，對此，必須加深復合材料的研究，推動(dòng)我國架空線(xiàn)路工程的發(fā)展。

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