复合材料在输电杆塔中的应用研究

1、复合材料在输电杆塔中的应用研究工程设计综合甲级资质A1370027472010年8月 北 京批 准：审 核：校 核：编 写：目 录1.前言42.复合材料在国内外输电杆塔中的应用43.复合材料在输电杆塔领域的应用性研究94.复合材料在单柱杆塔中的应用研究95.复合材料在格构式杆塔中的应用186.复合材料在输变电杆塔中应用展望207.结论201. 前言随着电网的发展，输电线路工程呈现出长距离、规模化、大型化的发展趋势，其对钢材的需求量也在逐年上升，消耗了大量矿产资源，造成生态环境的污染。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

2、电行业的一种发展趋势。复合材料由于具有高强、轻质、耐腐蚀、易加工、可设计性强和绝缘性能好等优点，越来越为工程界所重视，已在石油、化工以及建筑行业得到广泛应用。随着复合材料技术及其制造工艺的发展，其物理力学性能已逐步提高，输电杆塔采用复合材料已成为可能。复合材料塔用于输电线路可以节约钢材，减少对矿产资源的破坏，保护环境；并且，利用复合材料的绝缘性，不仅易于解决输电线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平，同时还可以减小塔头尺寸，减少走廊宽度；杆塔轻便，易加工成型的特点，可以大幅度地降低杆塔的运输和组装成本；杆塔的耐腐蚀、耐高低温、强度大、被盗可能性小的特点，可降低线路的维护成本；同时由于杆塔颜

3、色可调、无毒害、报废后可再利用，还增强了线路的环境友好性。因此复合材料在一定程度上是建造输电杆塔结构的理想材料之一。由此可见，复合材料塔具有更好的综合性能，并且作为一种低碳、节能、环保以及符合工艺美学的新型结构，代表了输电杆塔结构的发展方向之一。因此在材料性能满足要求的基础上，通过合理的设计，将复合材料塔在输电线路工程上推广应用，具有重要的社会意义和经济效益。2. 复合材料在国内外输电杆塔中的应用复合材料电杆在40多年以前已有研究，但当年主要是树脂基玻璃纤维复合材料电杆，树脂一般采用综合性能较好的环氧树脂固化体系为基体材料，采用连续纤维缠绕成型工艺，成本较高，由于工艺技术和树脂配方问题导致抗老

4、化性能差，寿命短，未能在实际工程线路中得到实际应用。随着树脂和纤维材料性能的改进和制造技术的进步，复合材料电杆重新受到世界各国输电行业的重视。新型电杆在基体树脂中添加了抗老化成分，以碳纤维和玻璃纤维或混杂纤维作为增强材料，采用拉挤或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。缠绕型低成本电杆在美国已经投入使用，并且拉挤结构输电塔也已研制成功。2.1 国外研究概况复合材料杆塔由于其优良的综合性能已经在欧美得到应用，其中研究开发和应用最为成熟的是美国。美国各大输配电公司对复合材料杆表现出浓厚的兴趣，各制造企业也积极研制开发出各种复合材料杆。美国的Ebert Composites公司、

5、Powertrusion Composites公司、Shakespear公司、North Pacific 公司和CTC公司等制品厂家都开发了自己的复合材料杆产品，并申请专利和得到了比较广泛的应用，如图2.12.2所示。图2.1 南加州爱迪生公司建造的115kV复合输电杆图2.2 运行中的69kV交叉线路复合输电杆图2.3 复合输电杆的运输吊装图2.3中展示的FRP杆最长可达80英尺（27.84m），底部直径为24.38英寸（619cm），重量为1350磅（611.5kg）。适用于110kV及以下电压等级的输电线路。另外，由于复合材料质的轻质特性，对于复杂的地形条件，其还可采用直升机运输的方式送

6、抵指定塔位，如图2.4所示。图2.4 直升机正在吊装复合输电杆除了单根结构的电杆外，一些公司还开发应用了型材组装的复合材料输电塔。由于复合材料穿孔会破坏内部纤维结构，减弱其整体强度并造成应力集中，因此其不宜采用螺栓穿孔连接。从1992年起，美国提出了一项新的研究计划，由复合材料采用无螺栓装配构建杆塔。它由Ebert Composites公司与加利福尼亚两家供电公司圣地亚哥煤气电力公司（SDGE）和南加利福尼亚爱迪生公司（SCE）一道开发。该计划也得到了美国电科院（ERPI）的技术支持。1996年3月，在加利福尼亚奥克斯纳德的奥蒙德比奇发电站一条已建成的220千伏线路上安装了三基试验杆塔，如图2

7、.5所示。 图2.5 格构式复合材料杆塔及其节点连接方式尽管当地的干旱季节常使线路周边盐污染加剧，但投运过程中，并未出现明显的放电痕迹、机械损伤和电气损伤，或由气候变化或紫外线辐射引起的损伤，杆塔运行状况良好。除美国在复合材料杆塔领域取得的显著成绩外，加拿大的RS公司也是一家先进的复合材料开发商，研发了独特设计的复合材料杆塔，其具有重量轻和安装方便的特点，被南加州爱迪生公司的“未来电路”项目选中，该项目是美国最先进的近傍电力线路。采用的聚氨酯树脂体系具有创新性，比常规不饱和聚酯树脂加工的复合材料有更大的强度、耐冲击力和较大比强度等优势。除此之外，荷兰Movares工程咨询公司2005年完成了荷

8、兰电网一条1.5公里380/150kV试验线路的方案设计，该方案旨在利用复合材料杆塔的电气绝缘性能以改善输电线路电磁场对环境的影响。该项目曾一度受到欧盟重视。Exel Compsites国际集团（分部主要在澳大利亚、奥地利、比利时、芬兰、德国、英国）针对电网应用实际情况研制了复合材料杆塔，集团成立了专门的部门进行市场运作。意大利Topglass Composites公司也生产了复合材料杆结构，并且已经实现了商品产业化应用于路灯。随着应用范围的加大，目前，美国已制定了相关的产品标准。欧美等国的成功经验证实了复合材料在输电杆塔领域应用的可行性，同时也为其在我国的应用奠定了基础。2.2 国内研究概况

9、我国在20世纪50年代就对复合材料杆进行过研究，但由于当时的材料性能和制造工艺方面的原因，尚不能满足输电杆塔所要求的一些性能指标。因此，未能得到推广使用，电力行业和各制品研究开发与生产单位也未对复合材料杆产品给予足够的重视。近年来，由于复合材料具有的明显优势逐步显露出来，尤其是其比强度和比模量高于金属钢材数倍，轻质特性非常适合山区的运输和组装，因此，对于复合材料杆塔工程实践的需求已经显得非常迫切。另外，复合材料的其它性能（结构本体重量轻、耐疲劳、加工成型方便、耐腐蚀、易维护等）也非常适合作为杆塔结构材料，随着复合材料成本的进一步降低和工艺的不断进步，国内的相关专业机构对复合材料杆塔研究的重视程

10、度和积极性越来越高。南方电网的广东电网公司于2007年针对复合杆塔的应用研究进行了立项，项目选用了加拿大RS公司的复合杆塔，其力学真型试验在中国电力科学研究院进行。同时，项目开展了包括电气性能、机械性能、老化性能等关键性问题在内的研究。除此之外，国内已有多家生产企业开始对复合杆塔的应用进行探索研究。温岭市电力绝缘器材有限公司自1995年开始研究复合材料，研制成功了220kV及以下抢修塔（门形、带拉线）、110kV复合材料横担和杆头，其中抢修塔已经进行了多项电气和物理性能试验，并在工程中得到应用。常熟市铁塔有限公司曾与加拿大RS公司洽谈合作复合材料杆塔项目，但因为RS公司要求过高而未能达成一致意

11、见。鞍山铁塔开发研制中心与鞍山铁塔厂合作，于2006年在辽宁省电力公司立项研制高强度复合材料杆塔。采用了两段插接八边形20m长杆，端部加载3t情况下，杆顶挠度为2m。近期，随着国家电网公司倡导建设环境友好型、资源节约型的“两型三新”线路，自2009年6月，尤其牵头召开了“复合材料杆塔项目启动会”，各设计参与单位先后落实了复合材料杆塔应用的试点工程及与之合作的复合材料产品商。项目共设立8个试点工程，电压等级涵盖10kV、35kV、110kV以及220kV四个电压等级。其中，10kV、35kV采用全复合材料杆方案；110kV、220kV仅应用在横担上，利用其绝缘性缩减走廊宽度。长期以来，由于国内在

12、输电结构领域缺乏复合材料试验和理论的研究。为此该项目由国家电网公司牵头，国网电科院及中国电科院负责，起草了针对复合材料在输电杆塔应用的试验大纲。各参与单位根据试点工程情况选择测试项目，测试包括：材料基本力学性能测试、腐蚀老化性能测试、材料电气性能测试、构件真型试验、结构真型试验以及防雷接地性能测试。目前，各参与单位负责的试验项目已基本完成，对复合材料的物理力学及电气性能有了较为全面的认识，并就结构的变形控制等问题达成了一致。截止2010年8月，已有包括江苏XXX工程、XXX工程在内XX项工程投入运行。目前运行状况良好，未出现异常状况。3. 复合材料在输电杆塔领域的应用性研究复合材料应用于输电杆

13、塔领域，其主要技术优势包括：（1）节约钢材、减少对矿产资源的消耗，保护环境；（2）良好的绝缘性，不仅避免了风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平；同时，还可以减少塔头尺寸、缩减走廊宽度；（3）杆塔质轻高强，易于加工成型，可大幅降低杆塔的运输组装成本；（4）材料可设计性强，通过不同的纤维分布方式实现材料各项异性，从而满足不同受力构件的力学要求；（5）材料良好的耐腐蚀性、耐候性，降低了线路的运行维护成本。因此，复合材料在一定程度上是建造输电杆塔结构的理想材料之一。但我们也应该清楚地认识到，一直以来复合材料在我国主要作为功能性材料或受力较小的构件，将其应用于输电杆塔中还存在以下技术瓶颈：（1）材料弹性

14、模量低，尽管复合材料具有质轻高强的特性，但其弹性模量仅为钢材的1/5，造成在较大的荷载下结构挠度较大；（2）材料不宜打孔，不能采用传统的螺栓连接方式，造成其节点连接复杂；（3）生产成本较高，尽管复合材料的生产工艺在翻新，但与钢杆相比，其建设成本在3倍以上，即便考虑到日后维护少、使用寿命长等优势，综合全寿命比较，其费用仍然偏高。针对以上问题开展复合材料在输电杆塔上的应用研究就显得尤为重要。4. 复合材料在单柱杆塔中的应用研究单柱结构主要应用于荷载较小的低电压等级铁塔中，其具有传力路径清晰，构造简单的优势，适合于FRB这种可设计性强，但不宜穿孔的材料。同时，由于材料弹性模型较低，采用单杆结构后其整

15、塔的挠度控制将成为杆塔设计的关键环节。下面将以山东某35kV工程FH35全复合材料杆塔为例从杆体设计、节点设计两方面探讨复合材料单杆杆塔的设计应用问题。4.1 结构设计及优化杆体的设计及优化主要在于协调结构强度、变形以及经济性三方面的要求，其应按以下流程开展工作。1）材料设计强度的选取考虑老化及各生产厂商产品的离散性，为满足构件的强度要求，应首先根据材料基本力学性能及腐蚀老化试验的结果，对实测值进行修正。以FH35塔为例，设计时，将测试强度乘以0.6作为材料的设计强度，修正后拉伸强度为618.0MPa，压缩强度389.4MPa，弯曲强度636MPa。2）杆塔外形选择及优化为兼顾结构变形及经济性

16、，杆体选形利用ANSYS有限元程序采用SOLID46层状单元进行模拟，优化主要以正常运行工况下的杆顶挠度、材料强度及塔重最轻作为控制因素。以FH35塔为例，利用ANSYS进行优化选型后，最终其采用单杆上字型结构形式，呼称高18m、杆塔全高22.4m。整杆采用拔梢杆的截面形式，顶端直径为240mm，底端直径为576mm，壁厚20mm，如图4.1和4.2所示。真型试验测试显示其正常运行工况下，杆顶挠度为343mm，满足复合材料杆塔正常运行工况15的变形要求。 图4.1 复合材料杆塔结构图 图4.2 复合材料杆塔真型试验3）加工工艺的选择玻璃钢的加工工艺、纤维层的敷设方向等都将影响结构的承载力，因此

17、，加工工艺的设计是杆塔设计的重要环节。同时，由于原材料价格居高不下，使得即便考虑复合材料在缩减走廊、交通运输、运行维护上的综合效益，其生产成本仍为钢材的两倍，因此有必要采用 更加经济合理的杆体加工工艺。对于FH35塔，在杆塔结构设计中，重新设计了主杆的加工工艺，采用石英砂/树脂颗粒的夹层结构。一方面石英砂的材料价格仅为玻璃钢的35%，另一方面二者共同作用下的协调性好，并已有丰富的工程应用经验。图4.3 石英砂/树脂夹层结构杆体结构分为四层：纤维缠绕内结构层、石英砂/树脂刚度层、纤维缠绕外结构层以及表面功能层。纤维缠绕内结构层为连续纤维缠绕复合材料，起密封及部分承载的作用；石英砂刚度层由石英砂/

18、树脂组成，起提高刚度、抵抗变形的作用；纤维缠绕外结构层为连续纤维缠绕复合材料，主要起承载作用；表面功能层由抗老化添加剂和树脂配置而成，起防止大气老化等作用。实际结构中，杆塔下段塔身采用夹层结构，而上段塔身由于节点构造多，为保证结构的可靠性，未采用夹砂结构。采用此方案后整塔造价可降低15%，经济性明显。4）真型试验的验证真型试验一方面是对产品的一种验证，同时，也是对设计方法和思路的一种检验。对FH35塔，该结构方案顺利通过了断线、覆冰、90°大风超载工况在内的7项工况的测试，如图4.4所示。该图显示了各工况下杆顶变形的理论值及实测值，由图可以发现理论解与实测结果基本一致，除正常运行工况

19、（相差在44%）外，其余偏差均控制在10%左右，说明了有限元模型的准确性。正常运行工况偏差较大的主要原因在于该工况的荷载较小，低于加荷系统加荷的最小量级，加荷误差对杆塔变形产生了较大的影响，但其仍满足15的变形要求；而其他工况基本表现出理论值较实测值大10%的现象，这主要是由于有限元分析时简化了节点构造，未考虑金属套筒的影响，而节点优化的结果显示，金属套筒可减少约10%的塔顶挠度，进一步说明了计算的准确性。另外，对于不均匀冰、断线在内的3种工况，塔顶均出现了反弯现象。这主要是由于张力作用于导线挂点处，其上塔身并未受到断线张力的影响。 图4.4 各工况下结构挠度曲线在对结构变形分析后，我们将继续

20、选取90°大风工况（纯弯）以及断上导线工况（弯扭）两种典型工况，分析杆塔在不同受力特点下的力学反应。计算显示，其最大应力出现在结构底部，拉、压最大应力分别为165MPa和166MPa，远低于材料的设计强度。因此，即便大风工况超载至146%时，仍未出现破坏，此时杆顶变形已达到5m，但在卸去荷载后，杆塔仍能恢复原始状态，未出现残余变形。而在断线工况下，其最大应力出现在断线横担与塔身的连接处。这一方面是由于断线张力较大，而另一方面是由于计算模型将横担与杆身的连接处简化为单节点连接，从而造成连接处局部应力集中。忽略此应力集中后，可发现最大应力仍出现在结构底部，拉、压最大应力为154MPa和1

21、46MPa，结构安全可靠。图4.5 展示了杆体底部在90°大风工况下的应变发展情况，从图可以看出，拉压侧应变发展趋势基本一致，而杆体应变以环向应变为主，达到3000左右，换算为应力后，拉、压应力分别为155MPa和149MPa，与理论值想接近。这一方面体现了玻璃钢本身的各向异性，提醒我们在材料设计时，应合理选择纤维的敷设方向及层数；另一方面也验证了SOLID46层状单元在模拟玻璃钢纤维结构的准确性。图4.5 杆体底部应变荷载曲线另外，从应力分布云图中可以看出，下段塔身应力明显较上段大，这主要是由于夹砂层刚度较低，使结构变形加剧，增大了P-效应。当将下段杆身夹砂层换为玻璃钢后，杆顶挠度

22、大幅降低，拉压应力减少为86.4MPa和86.9MPa。因此，未来待玻璃钢生产成本降低后，可考虑全杆采用玻璃钢，从而提高杆塔的抗变形性能。4.2 节点设计及优化节点的设计工作主要包括节点方案的选择及方案优化两部分，其选择及优化的依据应围绕连接的可靠性、加工制造的可行性及经济性进行，同时考虑上下杆体的变形协调性、套筒与杆体间的粘结强度及抗扭强度、杆塔挠度控制、套筒局部变形对胶层开裂等方面的要求。下面将以FH35塔的节点构造为例进行讨论。表4.1对比了管壁预埋金属螺栓、插接胶粘、金属法兰套筒三种方案的可靠性、可加工性及安装性，最终选择金属法兰套筒粘结主杆，辅以抗扭销钉的连接方案。该节点型式承载力高

23、，金属套筒可控制结构变形，避免连接的疲劳失效；同时加工、安装方便，便于工程应用。1）节点方案的选择表4.1 FH35塔节点方案对比表节点型式优点缺点节点构造简单，便于现场拼装杆体受拉侧螺杆与管壁粘结的可靠度低.；对于径厚比较大主杆结构，预埋螺栓易导致接头管壁劈裂。连接可靠度高插接段采用胶接连接，现场施工质量难以保证；螺栓穿孔结构破坏纤维连续性，杆体易发生局部撕裂。套筒结构控制杆体变形，避免疲劳失效；现场组装方便构造复杂，节点单重大2）节点方案的优化（1）节点的优化由于金属套筒与管壁为粘结连接，因此结构胶层的抗剪强度将直接决定着节点的可靠性。本文利用ANSYS有限元程序，选取套筒长度0.35m0

24、.65m间隔0.05m共七个方案进行对比优化。其中，金属套筒及结构胶采用solid45单元进行模拟，玻璃钢杆体采用solid46层状单元进行模拟。有限元计算的结果显示出，随着套筒长度增加，尽管包括套筒、加劲肋、法兰盘在内的节点重量呈线性增加，但胶层的剪应力逐渐降低，当套筒长度增加至0.5m时，其基本维持在7.27MPa7.62MPa之间，低于材料考虑老化后的设计强度7.86MPa，如图4.6所示。以上结果说明当套筒长度增加到一定范围后，其对提高节点连接强度的贡献将趋于稳定，继续增加长度意义不大。故本塔最终采用0.5m套筒方案，其受力及经济性均满足工程要求。图4.6 胶层剪应力与套筒高度关系曲线

25、真型测试的结果显示出，玻璃钢杆体及金属套筒的应变荷载曲线基本成线性变化，材料处于线弹性阶段，如图4.7和图4.8所示。换算为应力后，玻璃钢接头处应力为47MPa，金属套筒应力为148MPa，与有限元分析结果相吻合，说明了该计算模型及分析方法的准确性。 图4.7 玻璃钢应变荷载曲线 图4.8 金属套筒应变荷载曲线（2）变形的控制变形控制主要包括两个方面：杆塔的整体挠度及套筒的局部变形。计算结果显示，随着套筒长度的增加，节点刚度增加，杆塔的挠度逐渐降低，0.5m较0.35m杆顶挠度下降9.3%，尽管继续增大套筒长度可进一步控制结构变形，但增大的节点刚度使上、下杆身的变形协调性显著降低，下段杆身的弯

26、曲作用显著增加。控制套筒的局部变形，主要是为了减少套筒与杆体间的相对变形，避免节点在往复荷载下出现结构胶层的撕裂。计算表明，当套筒变形控制在0.015mm时，胶层的拉剪强度满足设计强度的要求，为此可通过增加加劲肋高度提高套筒的抗变形能力。根据规范计算，当加劲肋为8mm厚时，其最小高度为140mm，但规范仅针对法兰盘与套筒的连接刚度进行设计，并未考虑套筒与杆体的粘结构造，故造成套筒相对变形较大为0.31mm。为此利用有限元程序，通过调节加劲肋的布置高度，以控制套筒的局部变形，如图4.9所示。结果表明，当加劲肋高度达到套筒高度的0.6时，其变形将控制在0.01mm，减少了套筒与杆身间的相对变形。图

27、4.9套筒局部变形与套筒高度关系曲线综合以上分析，本工程最终推荐金属外套筒方案，通过结构胶与杆身相连，并辅以抗扭销钉以增强节点的抗扭刚度。综合考虑结构受力及变形，优化后套筒高度为0.5m，加劲肋高度取0.6倍的套筒高度。4.3横担连接及优化横担作为传力的重要构件，其节点设计应遵循结构简单，传力清晰的原则。横担连接主要包括：横担与塔身的连接以及横担与金具的连接，其具体方案如下：（1）横担与塔身的连接在设计FH35复合材料杆塔横担与塔身的连接时，考虑了3种方案，如图4.10所示：采用承托板支撑，利用U型环进行固定；采用全复合材料翼型横担，利用杆壁的锥度套接连接，辅以结构胶；采用金属套筒加转接法兰，

28、并辅以抗扭螺杆或螺栓； 图4.10 横担节点连接方案方案1类似于10kV电杆的横担连接方式，其优点在于结构简单，便于施工，但其偏心会导致一定的初弯曲；同时，偏心受力使承托套筒受弯，对杆壁产生局部挤压，造成应力集中。而U型环的固定方式易使横担表面在风振作用下磨损，破坏表面涂层。方案2为全复合材料方案，避免了不同材料间的变形不协调问题，充分发挥了复合材料轻质高强的特性。但目前国内技术条件很难兼顾构件承力和外形的要求，批量化生产难度大；且胶粘的连接方式为运行后的检修更换带来了不便。方案3的转接法兰设计使横担与塔身参考了塔身节点的连接方案，其连接可靠，但套筒与杆身为全粘接，造成检修更换的不便。综合以上

29、3种方案各自的特点，FH35复合材料塔横担节点最终采用金属抱箍加转接法兰的方案，并增设抗扭销钉（不穿透杆壁），增强法兰套筒与管壁间的抗扭性能。经过真型试验测试，该方案顺利通过了断线、大风等工况的测试，并经受了大风超载146%的考验，未出现任何异常。（2）横担与金具的连接图4.11 横担抗拉试验横担与金具连接时采用螺纹连接并充填环氧树脂胶的方案，该方案加工方便，且抗拔能力优异。在拉力试验中（图4.11所示），其拉断力达到了193.9kN，远高于设计荷载，确保了连接的安全可靠。5. 复合材料在格构式杆塔中的应用除单杆复合材料杆塔外，国内也开展了格构式复合材料杆塔的应用研究。该项目由西北电力设计院承

30、担，依托660kV接地极线路工程，通过材料试验、构件试验、结构真型试验以及疲劳老化试验等测试，研究了复合材料在格构式输电杆塔中的应用。该试验塔采用环氧/E玻璃纤维型材料。通过材料基本性能及强度试验，其抗拉强度为849MPa、抗压强度为273MPa，考虑材料老化，其强度设计值取强度乘以0.5进行修正。杆塔采用格构式可有效提高杆塔的刚度及承载力，从而弥补复合材料低弹模的缺陷。另外，为便于现场连接，节点采用套管式刚节点；斜材采用拉索体系，从而充分利用复合材料抗拉性能优异的特点，如图5.1所示。通过对此种结构进行强度、稳定性试验，结合理论研究，设计方推荐构件强度校验按钢结构规范方法计算，稳定校验按0.7倍欧拉公式进行计算。 图5.1 格构式复合材料杆塔节点连接方式图5.2 格构式复合材料杆塔真型试验通过以上设计及优化，该格构式复合材料杆塔顺利通过了包括正常运行工况、事故断线工况在内的7个工况的测试。试验结果表明，复合材料塔传力合理，最大应力控制在65%，结构刚度满足设计要求。6. 复合材料在输变电杆塔中应用展望目前，复合材料在低电压等级输电线路中的应用研究已全面启动，部分试点工程已挂网运行。未来，应继续坚持围绕耐腐蚀、抗覆冰、绝缘性这三方面的优势，结合运行过程中暴露出的问题，开展复合材料杆塔的应用研