玻璃鋼復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研究及材料性能分析

摘 要：本文介紹了玻璃鋼復(fù)合材料在輸電桿塔領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并分析了FRP材料的力學(xué)性能及其工程特點。從實際應(yīng)用出發(fā)，綜述了FRP 復(fù)合材料在工程中的缺點和不足，以期為進一步的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：輸電桿塔 玻璃鋼復(fù)合材料 性能研究

隨著新型材料的興起，輸電線路桿塔的材質(zhì)也有很大的變化。傳統(tǒng)的輸電線路桿塔采用的都是木結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)以及混凝土結(jié)構(gòu)。通常，我們稱木和混凝土的桿型結(jié)構(gòu)為桿，稱塔形的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土煙囪形結(jié)構(gòu)為塔。在長期的運行過程中，傳統(tǒng)的輸電桿塔暴露出許多缺點。例如，木結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境下會受到嚴(yán)重的腐蝕問題，據(jù)統(tǒng)計，木結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境中的平均壽命為30年，并且一旦腐蝕開始就會持續(xù)進行直至失去強度。而混凝土桿塔由于自重大，造成其安裝成本較高；目前鋼結(jié)構(gòu)桿塔應(yīng)用較多，但鋼結(jié)構(gòu)桿塔的成本高昂，且需長期的防腐措施?？偠灾?，傳統(tǒng)的桿塔材料受自然環(huán)境的影響較為明顯。FRP（Fiber Reinforced Plastic）學(xué)名玻璃纖維增強塑料，是一種以玻璃纖維為增強材料，以合成樹脂為基體的塑性基復(fù)合材料。相比傳統(tǒng)材料的桿塔，玻璃鋼復(fù)合材料具有輕質(zhì)、耐腐蝕、便于安裝、使用壽命長的優(yōu)點。雖然復(fù)合材料的早期成本比傳統(tǒng)材料的成本高，但其后期的維修成本較低。如果桿塔在惡劣環(huán)境下產(chǎn)生破壞，其亦能實現(xiàn)快速搶修，對社會的影響降到最低。因此玻璃鋼復(fù)合材料具有很好的發(fā)展前景。

一、復(fù)合材料桿塔的應(yīng)用研究

隨著新材料技術(shù)及其制備工藝的發(fā)展，F(xiàn)RP 甚至于用于高端應(yīng)用領(lǐng)域的先進復(fù)合材料（ACM），近年在國外已逐步應(yīng)用于輸電工程中，我國也正在積極開展這方面的研究工作。

1.復(fù)合材料桿塔在國外的應(yīng)用研究。在國外，用復(fù)合材料制造輸電桿塔，已有二十多年的歷史。1995年，加拿大已經(jīng)開始了復(fù)合材料的研究，并逐步運用在輸電線路中。1996年，美國在230kV電網(wǎng)中應(yīng)用了玻璃鋼復(fù)合材料桿塔，其形式為3基直線雙桿，并于2003年研制出呼高24.4米的多角形錐型玻璃鋼桿塔，并早已投入使用。2005年，荷蘭Movares 工程咨詢公司完成了荷蘭電網(wǎng)一條 1.5公里 380 /150kV試驗線路的方案設(shè)計。隨著復(fù)合材料的深入研究，國外的成功應(yīng)用證實了復(fù)合材料在輸電線路上的可行性，為其在我國的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.復(fù)合材料桿塔在國內(nèi)的應(yīng)用研究。我國的復(fù)合材料桿塔應(yīng)用屬于剛剛起步。雖在上世紀(jì)50年代進行過研究，但當(dāng)時并未得到推廣應(yīng)用。隨著新材料的研究日漸成熟，復(fù)合材料桿塔在工程實際中開始發(fā)揮著重要作用。

1995年，溫嶺市電力絕緣器材有限公司開始研究復(fù)合材料，研制成功了220kV及以下?lián)屝匏?門形、帶拉線） 、110kV復(fù)合材料橫擔(dān)和桿頭。

2006年，鞍山鐵塔開發(fā)研制中心與鞍山鐵塔廠合作，在遼寧省電力公司立項研制高強度復(fù)合材料桿塔。采用了兩段插接八邊形 20m 長桿，端部加載3t 情況下，桿頂撓度為 2m。

2009年，北京玻璃鋼研究設(shè)計院也對玻璃鋼桿塔進行了研發(fā)，并開發(fā)出桿塔樣品在幾條線上進行試用。

2010年浙江舟山 110 kV輸電線路工程，1 基110 kV雙回鐵塔應(yīng)用復(fù)合材料橫擔(dān)，工程建成投運，且運行穩(wěn)定。

2011年10月，南瑞公司自主研制的110kV同塔雙回聚氨酯復(fù)合材料塔頭力學(xué)真型試驗在中國電科院良鄉(xiāng)桿塔試驗站順利完成。

2012年5月，武漢南瑞自主研制的“220kV及以下電力輸送用新型復(fù)合材料桿塔”通過中國電力企業(yè)聯(lián)合會組織的產(chǎn)品技術(shù)鑒定。

除此之外，復(fù)合材料桿塔不僅僅是將復(fù)合材料作為一種結(jié)構(gòu)性材料，更是將復(fù)合材料作為一種功能性材料，利用其良好的絕緣性來優(yōu)化桿塔的電氣性能。因此，復(fù)合材料桿塔的研究仍應(yīng)繼續(xù)，讓其優(yōu)勢完全體現(xiàn)出來。

二、復(fù)合材料的性能分析

由于玻璃鋼是一種復(fù)合材料，和普通材料相比，其性能的適應(yīng)范圍非常廣泛，其玻璃鋼結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力及變形也有著明顯的優(yōu)勢。目前，復(fù)合材料不僅應(yīng)用于桿塔結(jié)構(gòu)，而且廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)、化學(xué)化工行業(yè)、交通運輸行業(yè)，與此同時，相關(guān)學(xué)者對其性能也進行了更深入的研究。

1.工程使用特點。與傳統(tǒng)輸電桿塔普遍存在的不良問題相比較，玻璃纖維增強復(fù)合材料具有耐腐蝕、電絕緣性好和可設(shè)計性好等優(yōu)點，是理想的輸電桿塔結(jié)構(gòu)材料。

1.1質(zhì)量輕。FRP桿的質(zhì)量約為木質(zhì)桿的1/3，混凝土桿的1/10，鋼質(zhì)桿的1/2。質(zhì)量輕是FRP桿塔突出的優(yōu)點之一。由于質(zhì)量輕，可大幅度降低運輸和施工安裝成本，尤其適于山區(qū)和軟弱土質(zhì)地區(qū)的輸電線路使用。

1.2電絕緣性能好。FRP 桿電氣絕緣性能優(yōu)良，可以減少導(dǎo)線與塔身間隙，使輸電線路結(jié)構(gòu)更為緊湊，可減少線路走廊寬度。這在土地資源稀缺，線路走廊的獲得日益困難的情況下尤其有意義。

1.3耐腐蝕。FRP 桿對酸、堿、鹽及有機溶劑等腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕性能和耐候性能優(yōu)良，因此特別適合沿海地區(qū)、內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)以及工業(yè)區(qū)和酸雨多發(fā)地區(qū)等對混凝土和鋼質(zhì)桿塔有特殊防腐要求的環(huán)境。

2.軸心受壓性能。在輸電桿塔的主腹材結(jié)構(gòu)形式選擇時，由于圓形斷面主腹材的連接比較復(fù)雜，且重量將增加 25～30%，但采用角鋼卻可以使連接變得簡單，且質(zhì)量又較輕，因此輸電線路桿塔等多數(shù)采用角鋼制作。鑒于此，我們以桿塔結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進行FRP等邊角材軸心受壓性能的實驗，并得出以下結(jié)論。

2.1FRP材質(zhì)作為一種新型的桿塔結(jié)構(gòu)材料，其受壓屈服強度高，彈性模量小，與普通鋼結(jié)構(gòu)材料有著較大的區(qū)別。

2.2FRP 等邊角材軸壓試驗的本構(gòu)關(guān)系近似表現(xiàn)為線性，沒有明顯的屈服平臺，表明 FRP材質(zhì)為脆性材質(zhì)。

2.3軸壓試驗中，F(xiàn)RP 等邊角材在荷載達到峰值前產(chǎn)生的位移變化較小，達到峰值后產(chǎn)生的位移變化較大；且完全卸荷后，構(gòu)件基本可以恢復(fù)，無明顯的殘余變形。

3.低溫力學(xué)性能。近年來，玻璃鋼復(fù)合材料在低溫工程領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用取得了較大進展。在美國，已有二種符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)，并已投入批量生產(chǎn)的玻璃纖維增強材料，這二種材料在低溫工程中得到了普遍應(yīng)用。我們在基于國產(chǎn)樹脂和增強材料的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)材料制作適用于承力支撐的玻璃鋼復(fù)合材料，并驗證其在低溫下的力學(xué)性能是否滿足要求。

一系列實驗結(jié)果表明，對于添加改進劑的玻璃鋼來說，壓縮彈性模量與溫度的關(guān)系呈雙曲線方程型。它們的特點是，隨溫度降低，壓縮彈性模量值變化較小，而且稍有增加并趨于定值，這就為進一步向液氮溫區(qū)延伸提供了可能性。而對于采用脂肪族固化劑固化的玻璃鋼來說，隨溫度的降低，壓縮彈性模量值的變化稍大，在目前的溫度范圍內(nèi)還沒有趨于定值的現(xiàn)象。以上結(jié)果說明我們所研究的材料的壓縮彈性模量對溫度的敏感性較小，這對作為一種支撐材料來說是有利的。以環(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)，適當(dāng)加人改性劑，并與適當(dāng)?shù)墓袒G相匹配，加入某些促進劑及采用合理的固化工藝，可以獲得具有良好的低溫力學(xué)性能的玻璃鋼復(fù)合材料。

三、結(jié)語

對于我國的行業(yè)發(fā)展，雖然玻璃鋼復(fù)合材料在電力行業(yè)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用，但產(chǎn)品的發(fā)展仍然還有很大的空間，有些市場還沒有完全打開，仍需進一步探索。對于產(chǎn)品自身，隨著電力輸送對新型桿塔結(jié)構(gòu)需求的增長以及FRP原材料和生產(chǎn)工藝的不斷改進，F(xiàn)RP 桿的結(jié)構(gòu)性能將不斷提高，成本將進一步降低，其技術(shù)性能、經(jīng)濟性、環(huán)境影響等綜合效益亦將得到充分體現(xiàn)。

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