高强玻璃钢在电力杆塔中的应用.docx
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高强玻璃钢在电力杆塔中的应用
高强玻璃钢在电力杆塔中的应用
祁锦明董林
（鞍山铁塔开发研制中心鞍山远达电网工程有限公司）
【摘要】玻璃钢应用的领域越来越广泛，本文就高强玻璃钢在电力杆塔中的应用进行分析，并与其它材料进行对比，为将来工程实践提供参考。
【关键词】高强玻璃钢电力杆塔应用
1引言
玻璃钢是一种玻璃纤维增强复合材料，英文名字为FRP（glassfiberreinforcedplastics），FRP工业源于1940年的美国，在第二次世界大战以后，在各国迅速发展，我国从1958年起步，经历了军工配套、军民结合、以民为主的几个阶段，用以代棉、代木、代钢。
以FRP制做的产品，易于成型、质轻高强、耐疲劳、减振性好、耐化学腐蚀、绝缘好、热导率低、线膨胀系数小、可制得各种色彩，且原料易得。
其缺点是弹性模量较低、可燃、表面硬度低、存在老化问题，且冲击、剪切强度低、生产需安全防护（原料多为化工产品）、工艺过程控制因素多。
随着FRP研究的不断深入和科技的发展，已使我们能够对其缺点加以控制和改善，并充分利用其优点，使其能应用于更多的领域。
我公司从2004年末，开始对FRP在电力杆塔中的应用进行研究，通过吸收国内外先进的专利技术，加以整合，克服了普通玻璃钢的缺点，利用自主研发的专利设备及工艺，大大提高了产品的各项性能，使产品能够满足使用要求。
该产品原材料试验已经完成，正处于真型试验阶段，主要用来代替水泥杆、木杆、钢管杆以及变电构架等。
2我们试制的高强玻璃钢产品与普通玻璃钢产品及钢材的性能对比分析
类别
普通玻璃钢产品
高强玻璃钢产品
钢材Q235
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向
比重g/cm³
1.7－2.1
2.0－2.1
7.8
拉伸强度（MPa）
206
48
纵横合计600
（可按需分配）
215
拉伸模量（GPa）
17.2
5.5
20
210
弯曲强度（MPa）
206
69
430－450
150－170
215
弯曲模量（GPa）
17.2
5.5
20
210
压缩强度（MPa）
206
103
430－450
150－170
215
压缩模量（GPa）
17.2
6.9
20
210
剪切强度（MPa）
31
29.4
45
45
125
剪切模量（GPa）
2.90
2.94
4.2
80
巴氏硬度Hba－1
45
50（HRC20）
线膨胀系数E－6/℃
8.0
24
从上述指标我们可以看到，我们生产的高强玻璃钢性能远远优于普通玻璃钢，很多指标也超过钢材。
另外，我们在生产过程中，还可以添加不同的填料，来改善和提高我们所需的特性，如：
增加刚度，改变色泽，耐化学腐蚀，耐老化，阻燃，增强表面硬度等等。
3 我们试制的高强玻璃钢杆塔特点
（1）从制造成本来说，与普通镀锌杆塔接近；
（2）对于储运来说，成本降低很多，由于质轻且管塔可以套装，节省了储藏场地和运输量；
（3）对于安装来说，在车辆不易到达的地方，不受地形限制，用人工很容易就会使其就位，只要一两个人用简单的工具就可以安装；
（4）我们把杆塔设计成标准段，根据需要进行组合，减少了种类数量，同时也降低了成本；
（5）我们采用自主研发的专利设备和工艺，使其易于成型，尺寸精确，产品质量能得到可靠的保证；
（6）我们的产品寿命预期为50年，平时可以免于维护，不会受到潮湿、温度变化、腐蚀的影响以及动物和昆虫的侵害；
（7）我们的产品外表色泽鲜艳华丽，可以用于需要美化和装饰的场合；
（8）我们还可根据不同的使用条件，设计不同的树脂配方和纤维布置，使其更合理，成本更低；
（9）产品性能指标可以达到国外同类产品的性能指标；
（10）我们还可以使产品具有特定的性能，来满足客户的不同需要。
例如：
做为输、配电支撑杆，我们可以使其具有很高的绝缘性，可以降低相间距离和横担长度，不但节省走廊，也使其运行更安全；
（11）当绝缘子串被击穿或断裂时，塔身不致带电，保障人们的生命安全。
4高强玻璃钢材料性能测试
（1）试验一（试验单位：
上海市建筑材料及构件质量监督检验站）
检验项目名称
试验方法参照标准
检验结果
耐候性（老化500h）
弯曲强度，MPa
弯曲强度，MPa
GB/T16422.2－1999
GB/T1449－1983（老化前）
GB/T1449－1983（老化后）
表面无变化
674
683
（2）试验二（试验单位：
东北电力电器产品质量检测站）
检验项目
检验依据
检验结论
工频耐受电压试验
泄漏电流试验
弯曲破坏负荷试验
JB/T8179－1999高压线路瓷横担绝缘子尺寸特性
JB/T9676－1999高压线路瓷横担绝缘子技术条件
GB13398带电作业用绝缘杆通用技术条件
满足标准
要求
①工频耐受电压试验结果
试品
试验值
kV
加压绝缘长度
mm
耐受时间
min
结果
玻璃钢型材
100
300
1
通过
②泄漏电流试验结果
试品
施加电压
kV
加压绝缘长度
mm
规定值
A
测量值
A
结果
玻璃钢型材
100
300
≤20
4.6
通过
③弯曲破坏负荷试验结果
试品
规定值
kN
试验值
kN
结果
备注
玻璃钢型材
≥2.5
12
通过
力臂长440mm
5高强玻璃钢电杆与镀锌钢管杆的设计比较
（1）使用条件及电气荷载见附录一
（2）杆型图见附录二
（3）在此使用条件下，镀锌钢管杆主杆的设计计算：
（计算草图见附录三）
①大风工况
压弯局部稳定计算：
截面1－1 41（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
截面2－2208（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
截面3－3195（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
弯曲强度计算：
截面1－1 39.3（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
截面2－2206（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
截面3－3194（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
剪切强度计算：
截面1－18.58（N/mm2）＜0.58×215（N/mm2）合格
截面2－26.00（N/mm2）＜0.58×215（N/mm2）合格
截面3－33.58（N/mm2）＜0.58×215（N/mm2）合格
复合受力强度计算：
截面1－143.3（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
截面2－2208（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
截面3－3195（N/mm2）＜215（N/mm2）合格
② 断线工况：
（荷载表中已考虑荷载组合系数0.9）
剪切强度计算：
截面1－19.0（N/mm²）＜0.58×215（N/mm²）合格
截面2－24.56（N/mm²）＜0.58×215（N/mm²）合格
截面3－31.89（N/mm²）＜0.58×215（N/mm²）合格
（其它工况计算略）
（4）在此使用条件下，高强玻璃钢杆主杆的设计计算：
（计算草图见附录四）
我们通过先进的复合手段，通过复合高弹性模量玻璃钢，并将管径和壁厚适当加大，使高强玻璃钢管的刚度接近于钢管。
为了按照上述公式进行计算，根据高强玻璃钢弹性模量与复合高弹性模量玻璃钢的弹性模量比值，对截面进行折算，使其等同为同一材料。
杆上段高强玻璃钢厚度为4mm，复合高弹性模量玻璃钢厚为12mm，杆下段高强玻璃钢厚度为4mm，复合高弹性模量玻璃钢厚为16mm。
复合高弹性模量玻璃钢抗压强度为80MPa，抗拉强度（改性后）为80MPa，抗弯强度为80MPa，抗剪强度为8.61MPa，弹性模量为50Gpa，密度为2.0g/cm3。
高强玻璃钢弹性模量与复合高弹性模量玻璃钢的弹性模量比为1/2.5。
折减后，杆上段高强玻璃钢厚度为1.6mm，复合高弹性模量玻璃钢厚为12mm，杆下段高强玻璃钢厚度为1.6mm，复合高弹性模量玻璃钢厚为16mm。
折减后，对于1－1截面，外径修正为315.2mm，壁厚为13.6mm；对于2－2截面，外径修正为429.2mm，壁厚为13.6mm；对于3－3截面，外径修正为615.2mm，壁厚为17.6mm。
① 大风工况
压弯局部稳定计算：
压弯局部稳定的强度设计值高强玻璃钢为420N/mm2，复合高弹性模量玻璃钢为80N/mm2。
截面1－1
12.2（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
12.2/2.5＝4.9（N/mm2）＜420（N/mm2）合格
截面2－2
78.2（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
78.2/2.5＝31.3（N/mm2）＜420（N/mm2）合格
截面3－3
78.9（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
78.9/2.5＝31.5（N/mm2）＜420（N/mm2）合格
弯曲强度计算：
截面1－1
11.7（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
11.7/2.5＝4.68（N/mm2）＜420（N/mm2）合格
截面2－2
77.7（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
77.7/2.5＝31.1（N/mm2）＜420（N/mm2）合格
截面3－3
78.4（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
78.4/2.5＝31.4（N/mm2）＜420（N/mm2）合格
剪切强度计算：
截面1－13.57（N/mm2）＜8.61（N/mm2）合格
截面2－22.80（N/mm2）＜8.61（N/mm2）合格
截面3－31.8（N/mm2）＜8.61（N/mm2）合格
复合受力强度计算：
截面1－113.7（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
截面2－278.4（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
截面3－378.9（N/mm2）＜80（N/mm2）合格
② 断线工况：
（荷载表中已考虑荷载组合系数0.9）
剪切强度计算：
截面1－13.0（N/mm2）＜8.61（N/mm2）合格
截面2－21.81（N/mm2）＜8.61（N/mm2）合格
截面3－30.82（N/mm2）＜8.61（N/mm2）合格
③ 长期工况挠度：
＝0.091（m）
0.091/16＝5.7‰＜15‰合格
（其它工况计算略）
（5）成本分析
从上面的计算可以看出，在达到同等使用条件下，镀锌钢管杆的重量为1717kg，而玻璃钢杆的重量只有950kg。
镀锌钢管杆的单价为9000元/吨，玻璃钢杆的单价为17000元/吨。
镀锌钢管杆的造价为15453元，玻璃钢杆的造价为16150元。
从安装和运输方面来说，由于玻璃钢杆重量轻，初步估算应能节省1/3的费用，而且日后需要维护的费用很少，这样看来它们的成本是很接近的。
6 结论
玻璃钢作为一种新兴的高强复合材料，需要不断地在应用中摸索经验，完善设计方法，使其发挥更大的优势。
在国外，用高强玻璃钢产品替代普通杆塔已有成熟经验，在我国才刚刚开始，所以有着广阔的市场和发展前景。
我公司正在筹备做真型试验，以便掌握更多的数据，更好地使用本产品。
我们希望有更多的有识之士能与我们携手共进，同时诚恳业内人士提出宝贵意见和建议。
附录一
鞍山铁塔开发研制中心《钢管电力杆设计之一：
电线荷载》作者：
李昌浩
电压
kV
10
回路数
2
分裂数
1.0
杆型参数
1
转角度
30
垂直档距
（m）
120
档距1
（m）
100
档距2
（m）
100
代表档距1
100
代表档距2
100
最大使用张力
2890
最大使用应力
24.08
牌号
截面积mm2
直径mm
质量kg/km
拉断力N
弹性系数MPa
膨胀系数1/℃
安全系数1
安全系数2
导线
120j
120
21
533
17339
55917
0.000023
6.00
6.00
气象
最大风速
m/s
30
覆冰风速
m/s
10
覆冰厚度mm
10
最高气温
℃
40
最低气温
℃
－40
平均气温
℃
10
大风气温
℃
－5
安装气温
℃
－10
导地线荷载（N）表
导线比载（MPa/m）
气象
工况
最大风
覆冰
最低气温
正常运行
断线
安装
主杆控制工况
自重
0.0435
气温（℃）
－5
－5
－40
10
10
－10
－5
冰重
0.072
风速（m/s）
30
10
0
5
0
10
30
自重＋冰重
0.115
冰厚（mm）
0
10
0
0
0
0
0
大风
0.1083
横向
荷载
导线
2780
1794
584
587
471
477
2780
次风
0.0120
5m/s
0.0030
垂直
荷载
导线
892
1923
892
892
2440
3354
892
15m/s
0.027
覆冰次风
0.02563
纵向
荷载
导线1
2860
2890
1129
1065
0
1128
2860
大风综合
0.1167
导线2
2860
2890
1129
1065
1759
1128
2860
次风综合
0.0452
导线张力差
0
0
0
0
1759
902
0
5m/s综合
0.0436
覆冰综合
0.118
应力
导线1（MPa）
23.84
24.08
9.4
8.9
9.4
导线2（MPa）
23.8
24.1
9.4
8.9
9.4
弧垂
导线1（m）
6.12
6.12
5.78
6.14
6.00
导线2（m）
6.12
6.12
5.78
6.14
6.00
应力
弧垂
高温导线1
高温导线2
v＝0，T＝15导1
v＝0，T＝15导2
8.6
8.6
8.8
8.8
6.35
6.35
6.18
6.18
参考文献
《架空送电线路钢管杆设计技术规定》DL/T5130－2001。
《复合材料结构设计》化学工出版社。
作者介绍：
祁锦明－鞍山铁塔制造总厂副总工程师，鞍山铁塔开发研制中心主任，鞍山远达电网工程有限公司总经理。
董林－鞍山远达电网工程有限公司总工程师。
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