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輸電桿塔中復(fù)合材料的應(yīng)用實(shí)例論文
引言
玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料簡(jiǎn)稱復(fù)合材料，具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高、耐磨性好、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、建筑施工、航空航天等領(lǐng)域。近些年在輸電桿塔領(lǐng)域，復(fù)合材料也有廣泛應(yīng)用。
1復(fù)合材料特性概述
�。�1）復(fù)合材料絕緣性能好,因此將其應(yīng)用于輸電桿塔領(lǐng)域，可以很好的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料與功能材料的統(tǒng)一，可以體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①性能優(yōu)越，復(fù)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(jià)，運(yùn)用復(fù)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?qū)崿F(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(jìn)口，但是復(fù)合材料的原材料是二氧化硫，而我國(guó)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(huì)產(chǎn)生大量的廢氣，對(duì)環(huán)境造成很大污染，而使用復(fù)合材料不僅易于加工，而且與環(huán)境更加協(xié)調(diào)，可以增強(qiáng)施工線路和環(huán)境的協(xié)調(diào)性。
�。�2）根據(jù)上文所述,復(fù)合材料有很多應(yīng)用優(yōu)點(diǎn),但與此同時(shí)，其在實(shí)際應(yīng)用中也有很多缺點(diǎn)：①連接困難，由于復(fù)合材料屬于脆性材料，因此在施工過(guò)程中，很可能導(dǎo)致纖維材料發(fā)生斷裂，并且引起較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，不利于連接。②易老化，復(fù)合材料老化速度較快，會(huì)造成強(qiáng)度減弱，性能變差，因此目前復(fù)合材料的應(yīng)用推廣難題在于如何緩解材料的老化。③運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，目前我國(guó)電力行業(yè)對(duì)于復(fù)合材料的研究較少，對(duì)其物理性能的理解不夠充分，而這一點(diǎn)在很大程度上制約了復(fù)合材料的應(yīng)用。
2復(fù)合材料在單桿桿塔中的應(yīng)用實(shí)例
本文將結(jié)合某試點(diǎn)工程，從桿塔設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)兩方面介紹單桿復(fù)合材料的設(shè)計(jì)思路以及參數(shù)控制。
2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化
2.1.1材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的選取
復(fù)合材料易于老化，而且各個(gè)廠家的產(chǎn)品具有離散型，因此，為了更好的滿足桿塔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，必須根據(jù)工程的實(shí)際情況對(duì)符合材料的老化性能進(jìn)行檢驗(yàn)。在本次試驗(yàn)中，所用設(shè)計(jì)材料的強(qiáng)度設(shè)置為測(cè)試強(qiáng)度的0.6倍，經(jīng)過(guò)修正后，拉伸強(qiáng)度設(shè)置為618MPa,壓縮強(qiáng)度為389.4MPa,彎曲強(qiáng)度為636MPa.
2.1.2桿塔外形選擇及優(yōu)化
對(duì)試點(diǎn)工程的結(jié)構(gòu)變形以及經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行綜合分析，采用ANSYS有限元軟件，通過(guò)SOLID46層狀單元進(jìn)行模擬，并且對(duì)材料的強(qiáng)度、桿塔重量等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制。經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)加工工藝
桿塔的承載力會(huì)受到結(jié)構(gòu)加工工藝以及鋪設(shè)方向的影響，所以，加工工藝的設(shè)計(jì)是桿塔設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在設(shè)計(jì)方案的選擇上，必須在保證切實(shí)可行的條件下盡量節(jié)約造價(jià)成本。
對(duì)于本次試驗(yàn)所用的桿塔，桿塔的下部應(yīng)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(diǎn)數(shù)量比較多，材料用量比較少，因此，在實(shí)際施工中可以采用全玻璃鋼纏繞方案。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，能夠在很大程度上節(jié)約工程造價(jià)。
2.1.4真型試驗(yàn)的驗(yàn)證
通過(guò)真型試驗(yàn)?zāi)軌蛴行?yàn)證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也能夠驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)方法。
對(duì)于試點(diǎn)工程桿塔，上述結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)能夠順利通過(guò)斷線、90°大風(fēng)超載工況等各種測(cè)試。在正常工況下，桿頂撓度為343mm,能夠保證復(fù)合材料的正常工況。除此以外，通過(guò)試驗(yàn)分析得出的測(cè)試值與理論分析數(shù)值保持一致，由此可見，本次試驗(yàn)方法所得的試驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確，可以供后期設(shè)計(jì)作為參考。
2.2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化
桿塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)施過(guò)程中都應(yīng)該嚴(yán)格依據(jù)桿塔結(jié)構(gòu)連接的可靠性、經(jīng)濟(jì)性要求，另外，還應(yīng)該綜合考慮桿塔的協(xié)調(diào)性、粘結(jié)強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等要求。對(duì)此，本文將以試點(diǎn)工程桿塔的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造為例，并進(jìn)行詳細(xì)探討。
�。�1）節(jié)點(diǎn)方案的選擇
表1是對(duì)管壁預(yù)埋金屬螺栓、插接膠粘、金屬法蘭套筒三種方案的對(duì)比研究，通過(guò)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?yàn)�，金屬法蘭套筒具有加工便捷、安裝簡(jiǎn)單等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，而且有利于控制結(jié)構(gòu)變形。
�。�2）節(jié)點(diǎn)方案的優(yōu)化
對(duì)于本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，可以使用有限元分析法進(jìn)行優(yōu)化，金屬套筒越長(zhǎng)，則其與主桿之間的抗剪強(qiáng)度也越大，一旦其長(zhǎng)達(dá)大于臨界值，則套筒與主桿間的抗剪強(qiáng)度增加的幅度會(huì)越來(lái)越小，趨于穩(wěn)定。除此以外，增加套筒長(zhǎng)度的長(zhǎng)度以及加筋肋的高度，能夠有效增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的剛度，有利于避免節(jié)點(diǎn)局部變形，但是值得注意的是，如果節(jié)點(diǎn)剛度過(guò)高，則會(huì)最終導(dǎo)致下段桿體受彎情況越來(lái)越嚴(yán)重，如圖3所示。優(yōu)化節(jié)點(diǎn)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(yàn)節(jié)點(diǎn)方案，能夠確保節(jié)點(diǎn)部分應(yīng)力均勻。套筒與桿體的銜接位置的應(yīng)力以及螺栓孔周邊應(yīng)力分別為47MPa以及263MPa,均低于復(fù)合材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)膠層剪應(yīng)力最大值為7.62MPa.
3復(fù)合材料在格構(gòu)式桿塔中的應(yīng)用實(shí)例
在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合材料不僅可以應(yīng)用在單桿桿塔上，而且還可以應(yīng)用于格構(gòu)式桿塔中。對(duì)此，本文將對(duì)試驗(yàn)塔進(jìn)行仔細(xì)研究，并且通過(guò)一系列試驗(yàn)，探究復(fù)合材料在格構(gòu)式輸電桿塔中的應(yīng)用。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行基本性能以及強(qiáng)度試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度為849MPa,抗壓強(qiáng)度為273MPa.復(fù)合材料具有容易老化的缺點(diǎn)，如何材料的強(qiáng)度修正一般可以設(shè)置為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.5倍。
但是，在實(shí)際應(yīng)用中，采用格構(gòu)式的桿塔形式，有利于在一定程度上提高桿塔的強(qiáng)度和剛度，有利于減少?gòu)?fù)合材料彈性模量低的缺陷。除此以外，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用套管式剛節(jié)點(diǎn)，有利于構(gòu)件連接。運(yùn)用格構(gòu)式桿塔進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)分析，并通過(guò)理論分析，能夠得到較為精確的試驗(yàn)結(jié)果。
通過(guò)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化，格構(gòu)式桿塔設(shè)計(jì)方案能夠通過(guò)事故斷線工況、正常工況在內(nèi)的各項(xiàng)測(cè)試，并且復(fù)合材料最大應(yīng)力在65%左右，結(jié)構(gòu)剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
4復(fù)合材料在我國(guó)輸電桿塔中的應(yīng)用前景
輸電桿塔在架空線路工程中應(yīng)用十分廣泛，市場(chǎng)需求潛力巨大。新時(shí)期，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，各行各業(yè)對(duì)于電力的需求日益增加，電力供應(yīng)問(wèn)題日漸嚴(yán)峻。因此，為了有效解決我國(guó)電力能源配置優(yōu)化問(wèn)題，我國(guó)積極實(shí)行"西電東送"以及"全國(guó)聯(lián)網(wǎng)"戰(zhàn)略，并且積極推進(jìn)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造等重大工程。
對(duì)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(jié)構(gòu)。由此可見，復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用前景十分廣闊。
目前，從需求量以及技術(shù)水平角度而言，在我國(guó)電力行業(yè)，復(fù)合材料輸電桿塔技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是，初期投入成本較高、復(fù)合材料抗老化性能較低等問(wèn)題也在很大程度上制約了我國(guó)復(fù)合材料的推廣和應(yīng)用。但是，從輸電桿塔減輕質(zhì)量、降低成本等角度出發(fā)，復(fù)合材料在輸電桿塔中的應(yīng)用仍然能夠體現(xiàn)出較高的優(yōu)越性。
5結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，本文主要對(duì)試驗(yàn)桿塔進(jìn)行探究，分別介紹了復(fù)合材料桿塔以及桿塔節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)形式。另外，本文還詳細(xì)介紹了復(fù)合材料在格構(gòu)式桿塔中的應(yīng)用，輸電桿塔的應(yīng)用前景十分廣闊，對(duì)此，必須加深復(fù)合材料的研究，推動(dòng)我國(guó)架空線路工程的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
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