复合横担杆塔研究.docx

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复合横担杆塔研究

复合横担杆塔研究

摘要

传统的输电铁塔普遍存在质量重、易锈蚀等缺陷，耐久性差，使用寿命较短，容易出现各种安全隐患，运行成本高。

近年来，采用新型环保材料代替钢材成为输电行业的一种发展趋势。

随着材料技术的发展，国际上已经开发了多种高性能的增强复合材料（FRP）。

FRP材料具备抗腐蚀、强度高、自重小，而且其弹性变形能力以及抗疲劳能力强的特点。

而且使用FRP材料之后杆塔与各构件之间能够实现物理绝缘，FRP复合材料已成为搭建输电杆塔的理想材料。

本专题推荐积极试用FRP复合材料的塔头（横担），塔身仍采用普通角钢。

复合材料横担不仅具有重量轻、结构简单、绝缘性能好等多方面优点，而且可以根据运行要求，加工成杆塔所有需要的横担长度及形状。

本专题主要针对复合横担杆塔展开研究，介绍了复合横担杆塔结构的设计方法，随后对复合横担杆塔结构选型及优化进行了详细论述，通过研究分析，推荐直线塔采用猫头型复合材料塔头，耐张塔采用干字型复合材料横担杆塔。

经对比分析，显示复合横担杆塔能明显降低杆塔和基础材料耗量，以及有效减小走廊宽度，有一定的经济效益。

随着复合材料研究的进一步深入和推广应用，其经济效益将更为明显，建议进一步加强研究与积极推广试用。

1概述

长期以来，高压输电杆塔均以铁塔为主，尽管随着钢材技术的发展，钢材的强度、耐久性能等各方面均有不同程度的提高。

然而，传统的输电铁塔依然普遍存在质量重、易锈蚀等不足，导致施工效率低下，成品耐久性差、使用寿命较短，容易出现各种安全隐患。

同时，大量采用钢材作为铁塔材料，也给杆塔的施工运输、运行维护带来了诸多困难。

因此，采用新型环保材料代替钢材成为输电行业的一种发展趋势。

复合材料一般是指由树脂和加强纤维两种材料结合而成。

加强纤维通常是玻璃钢纤维，树脂中主要为聚脂、乙烯脂、聚氨酯、环氧树脂和酚醛树脂。

其中聚脂是制造行业的首选，约占市场的70%以上，但聚脂的强度和抗冲击能力最小。

新型FRP复合材料在基体树脂中添加了抗老化成分，以碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维作为增强材料，采用缠绕成型工艺进行生产，材料性能得到提高，成本也已大幅降低。

由于复合材料具有重量轻、强度高、绝缘性好、抗腐蚀性能好，工艺优良等特点，采用复合材料杆塔可节省输电线路走廊用地，且使杆塔底座的电磁场环境较好，和同尺寸规格的金属杆塔相比，复合材料杆塔对地场强和导线表面最大场强要小很多，这对减小输电线路的电能损失和无线电干扰具有积极意义。

复合材料杆塔可降低杆塔高度，缩短横担长度，这可直接减小线路的走廊宽度，可以大幅降低整条线路的造价。

在本工程中推荐积极试用FRP复合材料的塔头（横担），塔身仍采用普通角钢。

复合材料横担具有重量轻、结构简单、安装方便、绝缘性能好等多方面优点，而且根据输变电线路运行要求，可加工成杆塔所有需要的横担长度及形状。

而且试验结果显示出较好的电气及机械性能，具有一定的应用前景。

国内复合横担杆塔结构形式可参见下图：

图1-1钢管杆复合横担图1-2酒杯型复合塔头

复合材料杆塔相比传统杆塔具有更好的综合性能，因而通过合理地设计，充分利用复合材料的性能，将复合材料技术应用到输电工程不仅能够提高输电线路运行的可靠性与经济性，对于建设“资源节约型、环境友好型”输电线路具有重要意义。

2复合横担杆塔结构设计方法

2.1复合材料结构设计的一般原则

（1）复合材料结构一般采用按使用载荷设计、按设计载荷校核的方法。

使用载荷是指正常使用中可能出现的最大载荷，在该载荷下结构不应产生残余变形。

设计载荷是指设计中用来进行强度计算的载荷，在该载荷下结构进入失效状态。

安全系数为设计载荷与使用载荷的比值。

（2）按使用载荷设计时，采用使用载荷所对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核时，采用设计载荷所对应的许用值，称为设计许用值。

许用值分A基准值和B基准值两种。

对主承力结构或单传力结构采用A基准值，对多传力结构或破损安全结构采用B基准值。

①A基准值：

在96%置信度下至少有99%数值群的性能值高于此值。

②B基准值：

在95%置信度下至少有90%数值群的性能值高于此值。

（3）复合材料失效准则只适用于复合材料的单层。

在未规定使用某一失效准则时，一般采用蔡---吴失效准则，且正则化相互作用系数F12在未作专门规定时采用-0.5。

（4）有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数据的平均值，对有刚度要求的重要部位要选择B基准值。

2.2结构设计应考虑的工艺性要求

工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。

（1）构件的拐角应具有较大的圆角半径，并设计成直角或钝角，避免在拐角处出现纤维折断、富树脂、架空等缺陷。

（2）对于外形复杂的复合材料构件，设计时应考虑制造工艺的难易程度，可采用合理的分离面分成两个或两个以上构件；曲率较大的曲面应采用织物铺层；外形突变处应采用光滑过渡；壁厚应避免从一个数值在一处突然变成另一数值。

必要时可分为数级阶梯形来实现不同壁厚间的过渡。

（3）构件的表面质量要求较高时，应使该表面为贴模面，或在该表面处加压板，或分解结构件使该表面成为贴模面。

（4）复合材料的壁厚一般应控制在7.5mm以下。

对于壁厚大于7.5mm的构件，除必须采取相应的工艺措施以保证质量外，设计时应适当降低其力学性能参数。

（5）机械连接区的连接板应在表面铺—层织物增强CM铺层。

（6）为减少装配工作量，尽量将结构设计成整体件，并采用共固化工艺。

2.3许用值的确定

⑴使用许用值

①拉伸时使用许用值的确定

拉伸时使用许用值取下述三种情况中的较小值；

第一，对开孔试样，在使用环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其断裂应变，并除以安全系数，经统计分析得到使用许用值。

第二，对非缺口试样，在使用环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其基体不出现明显微裂纹所达到的最大应变值，经统计分所得出使用许用值。

第三，对开孔试样，在使用环境条件下进行拉伸两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经统计分析得到使用许用值。

②压缩时使用许用值的确定

压缩时使用许用值取下述三种情况中的较小值：

第一，对低速冲击后的试样，在使用环境条件下进行单轴压缩试验，测定其破坏应变，并除以安全系数，经统计分析得出使用许用值。

第二，对开孔试样，在使用环境条件下进行单轴压缩试验，测定其破坏应变，并除以安全系数，经统计分析得出使用许用值。

第三，对低速冲击后的试样，在环境条件下进行压缩两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经统计分析得出使用许用值。

③剪切时使用许用值的确定

剪切时使用许用值取下述两种情况中的较小值：

第一，对±45°层合板试样，在使用环境条件下进行反复加载—卸载的拉伸（或压缩）疲劳试验，并逐渐加大载荷峰值，测定无残余应变下的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值。

第二，对±45°层合板试样，在使用环境条件下经小载荷加载—卸载数次后，将其拉伸至破坏，测定其各级小载荷下的应力—应变曲线，并确定线性段的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值。

⑵设计许用值

设计许用值是在对使用环境条件下材料破坏试验结果进行数据统计分析后给出的。

使用环境条件包括使用温度上限和1%水分含量（对于环氧类基体复合材料）的联合情况。

对破坏试验结果应进行分布检查（韦伯分布或正态分布），并按一定的可靠性要求（A基准值或B基准值）给出设计许用值。

2.4安全系数的确定

⑴结构的可靠性与经济性

结构的可靠性，是指结构在规定的使用寿命内，在给定的载荷情况和环境条件下，充分实现所预期的性能而保证结构正常工作的能力。

称为结构的可靠性（概率值）。

结构破坏一般为静载破坏和疲劳断裂破坏，结构可靠性分析也分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。

结构设计的合理性最终主要表现在可靠性和经济性两方面。

结构成本与可靠性的关系如下图所示：

图2.4-1结构成本与可靠性的关系

（2）在保证安全的前提下，应尽可能降低安全系数。

影响安全系数的主要因素有：

①载荷值的准确性；作用在结构上的外力数值，一般是经过力学方法简化或估算获得的，很难与实际情况完全相符，对载荷值的不准确性所产生的问题通过安全系数予以考虑。

对载荷值的选定愈符合实际情况，则所选用的安全系数可以愈小，一般动载比静载应选用较大的安全系数。

②材料性质的均匀性和分散性；材料内部组织的非均质和缺陷对结构强度有一定的影响。

材质组织愈不均匀，其强度试验结果的分散性就愈大，安全系数相应地就要选大些。

③理论计算公式的近似性；对实际结构进行模型简化和理想化假设条件下所推导的计算公式，一般都是近似的，选择安全系数时要考虑到计算公式的近似程度。

④构件在结构中的重要性；如果构件的损坏会引起整个结构失效从而发生严重事故，则该构件的安全系数应取大些。

⑤加工工艺的可重复性；由于加工工艺水平的限制，制件不可能完全没有缺陷或偏差，并因各种工艺因素的偶然性变化而使所加工的结构或构件的性能分散，因此对工艺可重复性差的应取大的安全系数。

⑥无损检验的局限性。

⑦使用环境条件。

本工程选用FRP复合材料，根据已有复合材料杆塔设计经验，本工程复合材料构件设计强度安全系数取3。

2.5典型结构构件的设计

⑴受拉杆件

受拉杆件一般可制成圆棒状或平板状。

对于圆棒状拉杆可以将纤维沿载荷方向（即圆棒轴向）铺设，而对于平板状（矩形）拉杆．不宜沿载荷方向全部铺设0°单向层。

由于平板状拉杆不可避免有横向的载荷，而全部0°单向层横向强度太小，且泊松比和横向热膨胀系数较大，与其他构件连接时易引起较大的附加应力和热应力，故应铺设若干90°层，例如6%-10%。

受拉杆件的强度条件为：

N/A≤[σ]

式中N——受拉杆的轴力；

A——受拉杆的横截面面积；

[σ]——许用拉应力，为极限拉应力除以安全系数。

极限拉应力即设计拉伸强度，对于圆棒可近似取单向层合板的拉伸强度，而对于正交对称层合板组成的受拉杆，可取相应方向的面内拉伸强度。

⑵受压杆件

对于短粗的受压杆，由于抗压强度不够而导致破坏，可按强度条件设计：

︱N︱/A≤[σ]

式中N——受压杆的轴力；

A——受压杆的横截面面积；

[σ]——许用压应力，为极限压应力除以安全系数。

极限压应力即设计压缩强度，由压杆所采用的材料确定。

对于细长的受压杆件，通常是因屈曲而失效，故应按稳定性条件进行设计：

P≤[P]

式中P——使用载荷；

[P]——许用载荷。

临界载荷

Pcr——临界载荷

EI——横截面对其形心的最小抗弯刚度；

L——压杆长度;

c——压杆的端部支持系数。

表2.5-1压杆端部支持系数取值

支持条件

两端固支

两端简支

一端简支

一端自由

一端固支

一端简支

理论C值

0.5

1.0

2.0

0.7

建议C值

0.65

1.0

2.1

0.8

⑶受扭杆件

以扭转为主要变形的杆件一般做成圆管状，用铺迭的方法或缠绕的方法制成与轴线成±45°铺层的圆管，此时受扭的刚度和强度较大。

由1:

1编织布按45°铺设的受扭圆管的强度条件为

Mn——圆管所受的扭矩；

Wn——抗扭截面矩量。

D——圆管外径；

α——圆管内径d与外径D的比值。

[τ]——为许用剪应力

[σ]——1:

1编织布0°方向的许用应力。

当单向布按±45°逐层交错铺设时，则[σ]为[0/90]s层合板在0°方向许用应力。

⑷受弯构件——薄壁梁

工字梁受载弯曲时，上下冀缘受拉或受压，在冀缘上布置沿梁轴的0°铺层。

由于薄壁冀缘还可能出现局部失稳，还需在冀缘表层布置沿梁轴的±45°铺层，在腹板主要承受剪切载荷，同时还承受弯曲引起的压缩应力或拉伸应力，铺层布置以±45°为主，配以适当的90°铺层（垂直凸缘方向）和0°铺层。

图2.5-1工字形梁的铺层布置

1—±45°；2—0°；3—以±45°为主，辅（0°，90°）

假定工字梁的弯矩由上、下翼缘承担，而剪力由腹板承担，且应力分布都是均匀的，则翼缘和腹板的强度条件分别为

M——截面弯矩；Q——截面剪力；

b——翼缘宽度；t——翼缘厚度；

h——腹板高度；δ——腹板厚度；

[σ]——冀缘的许用应力，拉、压强度取其小者为许用应力；

[τ]——腹板的许用剪应力。

考虑到工字梁的腹板很有可能发生剪切屈曲，即在剪应力作用下发生屈曲，因此还需满足剪切屈曲的强度条件：

n——为剪切屈曲安全系数；

τcr——为剪切屈曲临界应力。

D——沿腹板高度方向的弯曲刚度

E——沿腹板高度方向的弹性模量；

ν——沿腹板高度方向的泊松比。

考虑到受压部分的翼缘也会发生屈曲，要求翼缘宽度2c（不包含腹板厚度部分，即b—δ）小于下列公式给出的有效宽度：

E——梁轴方向的有效弹性模量；

σb——梁轴方向的压缩强度；

t——受压翼缘厚度。

3复合横担杆塔结构选型及优化

3.1复合横担塔头选型

本工程输电线路按单回路架设。

单回输电线路导线排列方式有水平排列、垂直排列、三角形排列等。

本工程采用部分绝缘杆塔技术，杆塔塔身采用传统钢材结构，横担部分采用复合材料（FRP）结构，与杆塔构件采用干涉配合螺栓连接。

为节约线路走廊，本工程推荐采用导线三角形排列，主要有上字型和猫头型两种方式。

这些型式的主要特点如下：

1）干字型：

“上”字型塔头由主杆、连接框架、横担及斜连支撑等部件组成的框架结构。

其优点是横担采用高性能环氧复合材料纤维缠绕成型，具有高强度、高电性能；其缺点是框架模具及工艺成本均较高，因此造价较高，影响推广效益；缺点是管状结构和角钢结构连接较复杂。

图3.1-1“上”字型塔复合材料塔头

2）绝缘猫头型：

绝缘猫头型塔头由四根主杆、下层组合横担、上层横担及各种斜拉杆等组成。

其优点结构紧凑简单，组装速度快；横担可采用硅橡胶伞裙或高性能环氧成型，绝缘距离大，悬垂绝缘子短，降低导线风偏，综合走廊宽度小；综合成本低。

缺点是管状结构和角钢结构连接较复杂。

图3.1-2猫头型塔复合材料塔头

以上直线塔塔头的横担均采用高性能的复合材料，具有高强度、高电性能的优点，其绝缘距离可以安装硅橡胶设计。

因此，塔头可以达到绝缘为绝缘横担及短绝缘子串的方式。

经对比计算分析，直线塔选用复合猫头型塔头时，钢材重量和复合材料重量均较轻，本体造价较低。

3.2复合塔头有限元分析

采用Ansys软件建模，对于以上几种直线塔结构型式，在不同工况荷载作用下的应力及变形进行分析计算，各种复合材料塔头的应力分布云图及变形分布支图如下：

a）“上”字型塔头结构

图3.2-1上字型塔头应力分布云图

图3.2-2上字型塔头整体变形分布

b）绝缘猫头型塔头结构

图3.2-3猫头型塔头应力分布

图3.2-4猫头型塔头变形分布

通过以上分析，在相同载荷条件下采用三角形布置的绝缘猫头型应力和变形均最小，应力水平也最合理，综合电气及其他因素，推荐采用绝缘猫头型塔头。

经计算比较，直线塔推荐采用角钢塔及猫头型复合塔头的结构型式，与国网通用设计的直线塔相比，可压缩走廊宽度5.2m，由于悬垂绝缘子串缩短，铁塔呼高降低2.0m，铁塔综合费用降低约4%。

图3.2-5绝缘猫头塔效果图

3.3复合横担耐张塔

耐张塔的载荷相对较大，为最大程度发挥材料性能，降低塔重，转角塔推荐采用角钢塔身及组合横担的塔形结构，复合横担是悬臂梁结构，主要承受弯曲载荷。

复合材料模量相对较小，承受大弯矩时变形较大，需通过结构设计来提高刚度。

设计采用4根绝缘杆组合来增加横担的抗弯性能。

设计结构型式如下：

图3.3-1绝缘横担设计图

横担和支撑杆的机械强度是由芯棒来承担的，因此选择优质芯棒是保证交、直流复合绝缘子长期安全可靠运行的重要手段。

选用环氧树脂玻璃纤维拉挤材料，其强度可以长期不受酸的腐蚀，抗张强度达1300MPa以上，具有良好的吸振能力，抗振阻尼高，经过15min染色渗透试验、100h的水扩散试验和耐应力腐蚀试验，表明完全满足交直流复合绝缘子的运行要求。

横担组件主要承受导线在各工况状况下的载荷，受力较大，对于横担部件来说，上部两根主要承担拉伸应力，设计采用圆形截面；下部两根主要承担压缩及弯曲应力，采用十字截面。

图3.3-2绝缘横担示意图（底部抗弯杆为十字截面）

复合横担和塔身的连接方式主要采用节点板连接。

在复合横担的端部，套装金属连接件，然后通过节点板和塔身连接。

图3.3-3塔头横担和塔身采用金属件连接

由于复合横担的绝缘特性，耐张塔推荐采用角钢塔身及复合绝缘横担的结构型式；与国网通用设计的耐张塔相比，可压缩走廊宽度3m，由于跳线绝缘子串缩短或取消，铁塔呼高降低1.5m，铁塔综合费降低约5%。

图3.3-4绝缘横担耐张塔

4复合横担杆塔对比分析

相比常规角钢塔，复合材料横担杆塔可以使呼高降低约1.5m，减小线路走廊宽度。

在同等条件下，以铁塔（钢杆）重量，基础作用力，基础混凝土方量，基础钢筋量及各项指标的造价为影响因素，对复合材料横担直线塔与常规角钢直线塔、复合材料横担钢杆与常规钢杆进行比较分析，分析结果如下表所示：

表4-1复合材料横担直线塔材料量分析

项目

ZMC2常规角钢塔

上字型塔

猫头塔

呼高（m）

24

22.5

22.5

材料量

塔重（t）

4.698

3.735

3.617

复合材料横担（t）

0.760

0.677

塔重合计（t）

4.698

3.735

3.617

基础混凝土（m3）

7.025

5.988

5.577

基础钢筋（t）

0.272

0.272

0.236

由上表可见：

1）猫头型型复合材料塔头直线塔塔重较普通直线塔减轻23%左右，基础材料量减少27%左右。

上字型复合材料横担直线塔重较普通直线塔减轻20%左右，基础材料量减少23%左右。

2）目前针对单击塔而言，复合材料横担直线塔与一般常规铁塔总体造基本相当，随着复合横担在工程中的逐步应用，价格还有降低的空间。

且使用复合材料横担之后，可减小线路走廊，缩减了跨越及占地费用，经济效益明显。

综上所述，建议将猫头型复合材料塔头直线塔作为本次设计推荐塔型。

对于耐张塔则采用普通干字型复合材料横担铁塔。

5结论及建议

（1）复合材料具有良好的绝缘性能，可以减小塔头尺寸，减小走廊宽度。

可有效降低塔材耗量以及基础材料耗量。

（2）复合材料横担杆塔取消了悬垂绝缘子串，相比常规角钢塔，复合材料横担杆塔可以使呼高降低近1.5m。

（3）复合横担直线杆塔塔型推荐采用猫头型复合材料塔头，耐张塔采用干字型复合材料横担杆塔。

（4）建议进一步加强复合材料杆塔的研究，并积极推广试用。