概述長期以來，高壓輸電桿塔均以鐵塔為主，盡管隨著鋼材技術(shù)的發(fā)展，鋼材的強度、耐久性能等各方面均有不同程度的提高。然而，傳統(tǒng)的輸電鐵塔依然普遍存在質(zhì)量重、易銹蝕等不足，導(dǎo)致施工效率低下，成品耐久性差、使用壽命較短，容易出現(xiàn)各種安全隱患。同時，大量采用鋼材作為鐵塔材料，也給桿塔的施工運輸、運行維護帶來了諸多困難。因此，采用新型環(huán)保材料代替鋼材成為輸電行業(yè)的一種發(fā)展趨勢。復(fù)合材料一般是指由樹脂和加強纖維兩種材料結(jié)合而成。加強纖維通常是玻璃鋼纖維，樹脂中主要為聚脂、乙烯脂、聚氨酯、環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂。其中聚脂是制造行業(yè)的首選，約占市場的70%以上，但聚脂的強度和抗沖擊能力最小。新型FRP復(fù)合材料在基體樹脂中添加了抗老化成分，以碳纖維和玻璃纖維的混雜纖維作為增強材料，采用纏繞成型工藝進行生產(chǎn)，材料性能得到提高，成本也已大幅降低。由于復(fù)合材料具有重量輕、強度高、絕緣性好、抗腐蝕性能好，工藝優(yōu)良等特點，采用復(fù)合材料桿塔可節(jié)省輸電線路走廊用地，且使桿塔底座的電磁場環(huán)境較好，和同尺寸規(guī)格的金屬桿塔相比，復(fù)合材料桿塔對地場強和導(dǎo)線表面最大場強要小很多，這對減小輸電線路的電能損失和無線電干擾具有積極意義。復(fù)合材料桿塔可降低桿塔高度，縮短橫擔(dān)長度，這可直接減小線路的走廊寬度，可以大幅降低整條線路的造價。在本工程中推薦積極試用FRP復(fù)合材料的塔頭（橫擔(dān)），塔身仍采用普通角鋼。復(fù)合材料橫擔(dān)具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、絕緣性能好等多方面優(yōu)點，而且根據(jù)輸變電線路運行要求，可加工成桿塔所有需要的橫擔(dān)長度及形狀。而且試驗結(jié)果顯示出較好的電氣及機械性能，具有一定的應(yīng)用前景。國內(nèi)復(fù)合橫擔(dān)桿塔結(jié)構(gòu)形式可參見下圖：圖1-1鋼管桿復(fù)合橫擔(dān)圖1-2酒杯型復(fù)合塔頭復(fù)合材料桿塔相比傳統(tǒng)桿塔具有更好的綜合性能，因而通過合理地設(shè)計，充分利用復(fù)合材料的性能，將復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用到輸電工程不僅能夠提高輸電線路運行的可靠性與經(jīng)濟性，對于建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”輸電線路具有重要意義。復(fù)合橫擔(dān)桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計方法復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則(1)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般采用按使用載荷設(shè)計、按設(shè)計載荷校核的方法。使用載荷是指正常使用中可能出現(xiàn)的最大載荷，在該載荷下結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生殘余變形。設(shè)計載荷是指設(shè)計中用來進行強度計算的載荷，在該載荷下結(jié)構(gòu)進入失效狀態(tài)。安全系數(shù)為設(shè)計載荷與使用載荷的比值。(2)按使用載荷設(shè)計時，采用使用載荷所對應(yīng)的許用值稱為使用許用值；按設(shè)計載荷校核時，采用設(shè)計載荷所對應(yīng)的許用值，稱為設(shè)計許用值。許用值分A基準值和B基準值兩種。對主承力結(jié)構(gòu)或單傳力結(jié)構(gòu)采用A基準值，對多傳力結(jié)構(gòu)或破損安全結(jié)構(gòu)采用B基準值。①A基準值：在96%置信度下至少有99%數(shù)值群的性能值高于此值。②B基準值：在95%置信度下至少有90%數(shù)值群的性能值高于此值。(3)復(fù)合材料失效準則只適用于復(fù)合材料的單層。在未規(guī)定使用某一失效準則時，一般采用蔡吳失效準則，且正則化相互作用系數(shù)F12在未作專門規(guī)定時采用-0.5。(4)有剛度要求的一般部位，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗數(shù)據(jù)的平均值，對有剛度要求的重要部位要選擇B基準值。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮的工藝性要求工藝性包括構(gòu)件的制造工藝性和裝配工藝性。(1)構(gòu)件的拐角應(yīng)具有較大的圓角半徑，并設(shè)計成直角或鈍角，避免在拐角處出現(xiàn)纖維折斷、富樹脂、架空等缺陷。(2)對于外形復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件，設(shè)計時應(yīng)考慮制造工藝的難易程度，可采用合理的分離面分成兩個或兩個以上構(gòu)件；曲率較大的曲面應(yīng)采用織物鋪層；外形突變處應(yīng)采用光滑過渡；壁厚應(yīng)避免從一個數(shù)值在一處突然變成另一數(shù)值。必要時可分為數(shù)級階梯形來實現(xiàn)不同壁厚間的過渡。(3)構(gòu)件的表面質(zhì)量要求較高時，應(yīng)使該表面為貼模面，或在該表面處加壓板，或分解結(jié)構(gòu)件使該表面成為貼模面。(4)復(fù)合材料的壁厚一般應(yīng)控制在7.5mm以下。對于壁厚大于7.5mm的構(gòu)件，除必須采取相應(yīng)的工藝措施以保證質(zhì)量外，設(shè)計時應(yīng)適當降低其力學(xué)性能參數(shù)。(5)機械連接區(qū)的連接板應(yīng)在表面鋪—層織物增強CM鋪層。(6)為減少裝配工作量，盡量將結(jié)構(gòu)設(shè)計成整體件，并采用共固化工藝。許用值的確定⑴使用許用值①拉伸時使用許用值的確定拉伸時使用許用值取下述三種情況中的較小值；第一，對開孔試樣，在使用環(huán)境條件下進行單軸拉伸試驗，測定其斷裂應(yīng)變，并除以安全系數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計分析得到使用許用值。第二，對非缺口試樣，在使用環(huán)境條件下進行單軸拉伸試驗，測定其基體不出現(xiàn)明顯微裂紋所達到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計分所得出使用許用值。第三，對開孔試樣，在使用環(huán)境條件下進行拉伸兩倍疲勞壽命試驗，測定其所能達到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計分析得到使用許用值。②壓縮時使用許用值的確定壓縮時使用許用值取下述三種情況中的較小值：第一，對低速沖擊后的試樣，在使用環(huán)境條件下進行單軸壓縮試驗，測定其破壞應(yīng)變，并除以安全系數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計分析得出使用許用值。第二，對開孔試樣，在使用環(huán)境條件下進行單軸壓縮試驗，測定其破壞應(yīng)變，并除以安全系數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計分析得出使用許用值。第三，對低速沖擊后的試樣，在環(huán)境條件下進行壓縮兩倍疲勞壽命試驗，測定其所能達到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計分析得出使用許用值。③剪切時使用許用值的確定剪切時使用許用值取下述兩種情況中的較小值：第一，對±45°層合板試樣，在使用環(huán)境條件下進行反復(fù)加載—卸載的拉伸(或壓縮)疲勞試驗，并逐漸加大載荷峰值，測定無殘余應(yīng)變下的最大剪應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計分析得出使用許用值。第二，對±45°層合板試樣，在使用環(huán)境條件下經(jīng)小載荷加載—卸載數(shù)次后，將其拉伸至破壞，測定其各級小載荷下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并確定線性段的最大剪應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計分析得出使用許用值。⑵設(shè)計許用值設(shè)計許用值是在對使用環(huán)境條件下材料破壞試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后給出的。使用環(huán)境條件包括使用溫度上限和1%水分含量(對于環(huán)氧類基體復(fù)合材料)的聯(lián)合情況。對破壞試驗結(jié)果應(yīng)進行分布檢查(韋伯分布或正態(tài)分布)，并按一定的可靠性要求(A基準值或B基準值)給出設(shè)計許用值。安全系數(shù)的確定⑴結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性結(jié)構(gòu)的可靠性，是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用壽命內(nèi)，在給定的載荷情況和環(huán)境條件下，充分實現(xiàn)所預(yù)期的性能而保證結(jié)構(gòu)正常工作的能力。稱為結(jié)構(gòu)的可靠性（概率值）。結(jié)構(gòu)破壞一般為靜載破壞和疲勞斷裂破壞，結(jié)構(gòu)可靠性分析也分為結(jié)構(gòu)靜強度可靠性和結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠性。結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性最終主要表現(xiàn)在可靠性和經(jīng)濟性兩方面。結(jié)構(gòu)成本與可靠性的關(guān)系如下圖所示：圖2.4-1結(jié)構(gòu)成本與可靠性的關(guān)系(2)在保證安全的前提下，應(yīng)盡可能降低安全系數(shù)。影響安全系數(shù)的主要因素有：①載荷值的準確性；作用在結(jié)構(gòu)上的外力數(shù)值，一般是經(jīng)過力學(xué)方法簡化或估算獲得的，很難與實際情況完全相符，對載荷值的不準確性所產(chǎn)生的問題通過安全系數(shù)予以考慮。對載荷值的選定愈符合實際情況，則所選用的安全系數(shù)可以愈小，一般動載比靜載應(yīng)選用較大的安全系數(shù)。②材料性質(zhì)的均勻性和分散性；材料內(nèi)部組織的非均質(zhì)和缺陷對結(jié)構(gòu)強度有一定的影響。材質(zhì)組織愈不均勻，其強度試驗結(jié)果的分散性就愈大，安全系數(shù)相應(yīng)地就要選大些。③理論計算公式的近似性；對實際結(jié)構(gòu)進行模型簡化和理想化假設(shè)條件下所推導(dǎo)的計算公式，一般都是近似的，選擇安全系數(shù)時要考慮到計算公式的近似程度。④構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的重要性；如果構(gòu)件的損壞會引起整個結(jié)構(gòu)失效從而發(fā)生嚴重事故，則該構(gòu)件的安全系數(shù)應(yīng)取大些。⑤加工工藝的可重復(fù)性；由于加工工藝水平的限制，制件不可能完全沒有缺陷或偏差，并因各種工藝因素的偶然性變化而使所加工的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的性能分散，因此對工藝可重復(fù)性差的應(yīng)取大的安全系數(shù)。⑥無損檢驗的局限性。⑦使用環(huán)境條件。本工程選用FRP復(fù)合材料，根據(jù)已有復(fù)合材料桿塔設(shè)計經(jīng)驗，本工程復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計強度安全系數(shù)取3。典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計⑴受拉桿件受拉桿件一般可制成圓棒狀或平板狀。對于圓棒狀拉桿可以將纖維沿載荷方向(即圓棒軸向)鋪設(shè)，而對于平板狀(矩形)拉桿．不宜沿載荷方向全部鋪設(shè)0°單向?qū)?。由于平板狀拉桿不可避免有橫向的載荷，而全部0°單向?qū)訖M向強度太小，且泊松比和橫向熱膨脹系數(shù)較大，與其他構(gòu)件連接時易引起較大的附加應(yīng)力和熱應(yīng)力，故應(yīng)鋪設(shè)若干90°層，例如6%-10%。受拉桿件的強度條件為：N/A≤[σ]式中N——受拉桿的軸力；A——受拉桿的橫截面面積；[σ]——許用拉應(yīng)力，為極限拉應(yīng)力除以安全系數(shù)。極限拉應(yīng)力即設(shè)計拉伸強度，對于圓棒可近似取單向?qū)雍习宓睦鞆姸?，而對于正交對稱層合板組成的受拉桿，可取相應(yīng)方向的面內(nèi)拉伸強度。⑵受壓桿件對于短粗的受壓桿，由于抗壓強度不夠而導(dǎo)致破壞，可按強度條件設(shè)計： ︱N︱/A≤[σ]式中N——受壓桿的軸力；A——受壓桿的橫截面面積；[σ]——許用壓應(yīng)力，為極限壓應(yīng)力除以安全系數(shù)。極限壓應(yīng)力即設(shè)計壓縮強度，由壓桿所采用的材料確定。對于細長的受壓桿件，通常是因屈曲而失效，故應(yīng)按穩(wěn)定性條件進行設(shè)計： P≤[P]式中P——使用載荷；[P]——許用載荷。臨界載荷Pcr——臨界載荷EI——橫截面對其形心的最小抗彎剛度；L——壓桿長度;c——壓桿的端部支持系數(shù)。表2.5-1壓桿端部支持系數(shù)取值支持條件兩端固支兩端簡支一端簡支一端自由一端固支一端簡支理論C值0.51.02.00.7建議C值0.651.02.10.8⑶受扭桿件以扭轉(zhuǎn)為主要變形的桿件一般做成圓管狀，用鋪迭的方法或纏繞的方法制成與軸線成±45°鋪層的圓管，此時受扭的剛度和強度較大。由1:1編織布按45°鋪設(shè)的受扭圓管的強度條件為Mn——圓管所受的扭矩；Wn——抗扭截面矩量。D——圓管外徑；α——圓管內(nèi)徑d與外徑D的比值。[τ]——為許用剪應(yīng)力[σ]——1:1編織布0°方向的許用應(yīng)力。當單向布按±45°逐層交錯鋪設(shè)時，則[σ]為[0/90]s層合板在0°方向許用應(yīng)力。⑷受彎構(gòu)件——薄壁梁工字梁受載彎曲時，上下冀緣受拉或受壓，在冀緣上布置沿梁軸的0°鋪層。由于薄壁冀緣還可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)，還需在冀緣表層布置沿梁軸的±45°鋪層，在腹板主要承受剪切載荷，同時還承受彎曲引起的壓縮應(yīng)力或拉伸應(yīng)力，鋪層布置以±45°為主，配以適當?shù)?0°鋪層(垂直凸緣方向)和0°鋪層。圖2.5-1工字形梁的鋪層布置1—±45°；2—0°；3—以±45°為主，輔（0°，90°）假定工字梁的彎矩由上、下翼緣承擔(dān)，而剪力由腹板承擔(dān)，且應(yīng)力分布都是均勻的，則翼緣和腹板的強度條件分別為M——截面彎矩；Q——截面剪力；b——翼緣寬度；t——翼緣厚度；h——腹板高度；δ——腹板厚度；[σ]——冀緣的許用應(yīng)力，拉、壓強度取其小者為許用應(yīng)力；[τ]——腹板的許用剪應(yīng)力?？紤]到工字梁的腹板很有可能發(fā)生剪切屈曲，即在剪應(yīng)力作用下發(fā)生屈曲，因此還需滿足剪切屈曲的強度條件：n——為剪切屈曲安全系數(shù)；τcr——為剪切屈曲臨界應(yīng)力。D——沿腹板高度方向的彎曲剛度E——沿腹板高度方向的彈性模量；ν——沿腹板高度方向的泊松比?？紤]到受壓部分的翼緣也會發(fā)生屈曲，要求翼緣寬度2c(不包含腹板厚度部分，即b—δ)小于下列公式給出的有效寬度：E——梁軸方向的有效彈性模量；σb——梁軸方向的壓縮強度；t——受壓翼緣厚度。復(fù)合橫擔(dān)桿塔結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化復(fù)合橫擔(dān)塔頭選型本工程輸電線路按單回路架設(shè)。單回輸電線路導(dǎo)線排列方式有水平排列、垂直排列、三角形排列等。本工程采用部分絕緣桿塔技術(shù)，桿塔塔身采用傳統(tǒng)鋼材結(jié)構(gòu)，橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料（FRP）結(jié)構(gòu)，與桿塔構(gòu)件采用干涉配合螺栓連接。為節(jié)約線路走廊，本工程推薦采用導(dǎo)線三角形排列，主要有上字型和貓頭型兩種方式。這些型式的主要特點如下：1)干字型：“上”字型塔頭由主桿、連接框架、橫擔(dān)及斜連支撐等部件組成的框架結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是橫擔(dān)采用高性能環(huán)氧復(fù)合材料纖維纏繞成型，具有高強度、高電性能；其缺點是框架模具及工藝成本均較高，因此造價較高，影響推廣效益；缺點是管狀結(jié)構(gòu)和角鋼結(jié)構(gòu)連接較復(fù)雜。圖3.1-1“上”字型塔復(fù)合材料塔頭2)絕緣貓頭型：絕緣貓頭型塔頭由四根主桿、下層組合橫擔(dān)、上層橫擔(dān)及各種斜拉桿等組成。其優(yōu)點結(jié)構(gòu)緊湊簡單，組裝速度快；橫擔(dān)可采用硅橡膠傘裙或高性能環(huán)氧成型，絕緣距離大，懸垂絕緣子短，降低導(dǎo)線風(fēng)偏，綜合走廊寬度??；綜合成本低。缺點是管狀結(jié)構(gòu)和角鋼結(jié)構(gòu)連接較復(fù)雜。圖3.1-2貓頭型塔復(fù)合材料塔頭以上直線塔塔頭的橫擔(dān)均采用高性能的復(fù)合材料，具有高強度、高電性能的優(yōu)點，其絕緣距離可以安裝硅橡膠設(shè)計。因此，塔頭可以達到絕緣為絕緣橫擔(dān)及短絕緣子串的方式。經(jīng)對比計算分析，直線塔選用復(fù)合貓頭型塔頭時，鋼材重量和復(fù)合材料重量均較輕，本體造價較低。復(fù)合塔頭有限元分析采用Ansys軟件建模，對于以上幾種直線塔結(jié)構(gòu)型式，在不同工況荷載作用下的應(yīng)力及變形進行分析計算，各種復(fù)合材料塔頭的應(yīng)力分布云圖及變形分布支圖如下：a)“上”字型塔頭結(jié)構(gòu)圖3.2-1上字型塔頭應(yīng)力分布云圖圖3.2-2上字型塔頭整體變形分布b)絕緣貓頭型塔頭結(jié)構(gòu)圖3.2-3貓頭型塔頭應(yīng)力分布圖3.2-4貓頭型塔頭變形分布通過以上分析，在相同載荷條件下采用三角形布置的絕緣貓頭型應(yīng)力和變形均最小，應(yīng)力水平也最合理，綜合電氣及其他因素，推薦采用絕緣貓頭型塔頭。經(jīng)計算比較，直線塔推薦采用角鋼塔及貓頭型復(fù)合塔頭的結(jié)構(gòu)型式，與國網(wǎng)通用設(shè)計的直線塔相比，可壓縮走廊寬度5.2m，由于懸垂絕緣子串縮短，鐵塔呼高降低2.0m，鐵塔綜合費用降低約4%。圖3.2-5絕緣貓頭塔效果圖復(fù)合橫擔(dān)耐張塔耐張塔的載荷相對較大，為最大程度發(fā)揮材料性能，降低塔重，轉(zhuǎn)角塔推薦采用角鋼塔身及組合橫擔(dān)的塔形結(jié)構(gòu)，復(fù)合橫擔(dān)是懸臂梁結(jié)構(gòu)，主要承受彎曲載荷。復(fù)合材料模量相對較小，承受大彎矩時變形較大，需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高剛度。設(shè)計采用4根絕緣桿組合來增加橫擔(dān)的抗彎性能。設(shè)計結(jié)構(gòu)型式如下：圖3.3-1絕緣橫擔(dān)設(shè)計圖橫擔(dān)和支撐桿的機械強度是由芯棒來承擔(dān)的，因此選擇優(yōu)質(zhì)芯棒是保證交、直流復(fù)合絕緣子長期安全可靠運行的重要手段。選用環(huán)氧樹脂玻璃纖維拉擠材料，其強度可以長期不受酸的腐蝕，抗張強度達1300MPa以上，具有良好的吸振能力，抗振阻尼高，經(jīng)過15min染色滲透試驗、100h的水擴散試驗和耐應(yīng)力腐蝕試驗，表明完全滿足交直流復(fù)合絕緣子的運行要求。橫擔(dān)組件主要承受導(dǎo)線在各工況狀況下的載荷，受力較大，對于橫擔(dān)部件來說，上部兩根主要承擔(dān)拉伸應(yīng)力，設(shè)計采用圓形截面；下部兩根主要承擔(dān)壓縮及彎曲應(yīng)力，采用十字截面。圖3.3-2絕緣橫擔(dān)示意圖(底部抗彎桿為十字截面)復(fù)合橫擔(dān)和塔身的連接方式主要采用節(jié)點板連接。在復(fù)合橫擔(dān)的端部，套裝金屬連接件，然后通過節(jié)點板和塔身連接。圖3.3-3塔頭橫擔(dān)和塔身采用金屬件連接由于復(fù)合橫擔(dān)的絕緣特性，耐張塔推薦采用角鋼塔身及復(fù)合絕緣橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)型式；與國網(wǎng)通用設(shè)計的耐張塔相比，可壓縮走廊寬度3m，由于跳線絕緣子串縮短或取消，鐵塔呼高降低1.5m，鐵塔綜合費降低約5%。圖3.3-4絕緣橫擔(dān)耐張塔復(fù)合橫擔(dān)桿塔對比分析相比常規(guī)角鋼塔，復(fù)合材料橫擔(dān)桿塔可以使呼高降低約1.5