輸電桿塔中復合材料的應用實例論文
引言
玻璃纖維增強樹脂基復合材料簡稱復合材料，具有質量小、強度高、耐磨性好、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點，被廣泛應用于汽車制造、建筑施工、航空航天等領域。近些年在輸電桿塔領域，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域，可以很好的實現(xiàn)結構材料與功能材料的統(tǒng)一，可以體現(xiàn)在以下幾點：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，保障輸電線路的安全性能。②有效節(jié)約工程造價，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能夠實現(xiàn)資源節(jié)約，傳統(tǒng)的鐵塔施工所用原材料一般為鐵礦石，需要大量進口，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(jié)約資源。④環(huán)境友好，傳統(tǒng)的鐵塔施工會產生大量的廢氣，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，可以增強施工線路和環(huán)境的協(xié)調性。
�。�2）根據(jù)上文所述,復合材料有很多應用優(yōu)點,但與此同時，其在實際應用中也有很多缺點：①連接困難，由于復合材料屬于脆性材料，因此在施工過程中，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例
本文將結合某試點工程，從桿塔設計及節(jié)點設計兩方面介紹單桿復合材料的設計思路以及參數(shù)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，而且各個廠家的產品具有離散型，因此，為了更好的滿足桿塔結構的強度要求，必須根據(jù)工程的`實際情況對符合材料的老化性能進行檢驗。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，經過修正后，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
對試點工程的結構變形以及經濟等方面進行綜合分析，采用ANSYS有限元軟件，通過SOLID46層狀單元進行模擬，并且對材料的強度、桿塔重量等方面進行嚴格控制。經過一系列選擇，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。在設計方案的選擇上，必須在保證切實可行的條件下盡量節(jié)約造價成本。
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(jié)點數(shù)量比較多，材料用量比較少，因此，在實際施工中可以采用全玻璃鋼纏繞方案。通過優(yōu)化結構設計方案，能夠在很大程度上節(jié)約工程造價。
2.1.4真型試驗的驗證
通過真型試驗能夠有效驗證產品質量，同時也能夠驗證工程設計方法。
對于試點工程桿塔，上述結構方案設計能夠順利通過斷線、90°大風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，通過試驗分析得出的測試值與理論分析數(shù)值保持一致，由此可見，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(jié)點設計及優(yōu)化
桿塔的節(jié)點設計一般可以分為方案的選擇以及方案的優(yōu)化。這兩部分在實施過程中都應該嚴格依據(jù)桿塔結構連接的可靠性、經濟性要求，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，本文將以試點工程桿塔的節(jié)點構造為例，并進行詳細探討。
�。�1）節(jié)點方案的選擇
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，并且采用抗扭銷釘?shù)倪B接方式。因為，金屬法蘭套筒具有加工便捷、安裝簡單等應用優(yōu)勢，而且有利于控制結構變形。
（2）節(jié)點方案的優(yōu)化
對于本次試驗設計方案，可以使用有限元分析法進行優(yōu)化，金屬套筒越長，則其與主桿之間的抗剪強度也越大，一旦其長達大于臨界值，則套筒與主桿間的抗剪強度增加的幅度會越來越小，趨于穩(wěn)定。除此以外，增加套筒長度的長度以及加筋肋的高度，能夠有效增強節(jié)點的剛度，有利于避免節(jié)點局部變形，但是值得注意的是，如果節(jié)點剛度過高，則會最終導致下段桿體受彎情況越來越嚴重，如圖3所示。優(yōu)化節(jié)點方案后，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(jié)點方案，能夠確保節(jié)點部分應力均勻。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例
在實際應用中，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，本文將對試驗塔進行仔細研究，并且通過一系列試驗，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，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(jié)點設計采用套管式剛節(jié)點，有利于構件連接。運用格構式桿塔進行相關試驗分析，并通過理論分析，能夠得到較為精確的試驗結果。
通過方案設計和優(yōu)化，格構式桿塔設計方案能夠通過事故斷線工況、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
輸電桿塔在架空線路工程中應用十分廣泛，市場需求潛力巨大。新時期，我國國民經濟發(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)化問題，我國積極實行"西電東送"以及"全國聯(lián)網(wǎng)"戰(zhàn)略，并且積極推進城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造等重大工程。
對于這些規(guī)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，復合材料在輸電桿塔中的應用前景十分廣闊。
目前，從需求量以及技術水平角度而言，在我國電力行業(yè)，復合材料輸電桿塔技術已經比較成熟。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(xiàn)出較高的優(yōu)越性。
5結束語
綜上所述，本文主要對試驗桿塔進行探究，分別介紹了復合材料桿塔以及桿塔節(jié)點的設計形式。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，推動我國架空線路工程的發(fā)展。
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