复合横担杆塔研究 - 图文

复合横担杆塔研究

摘 要

传统的输电铁塔普遍存在质量重、易锈蚀等缺陷，耐久性差，使用寿命较短，容易出现各种安全隐患，运行成本高。近年来，采用新型环保材料代替钢材成为输电行业的一种发展趋势。随着材料技术的发展，国际上已经开发了多种高性能的增强复合材料(FRP)。FRP材料具备抗腐蚀、强度高、自重小，而且其弹性变形能力以及抗疲劳能力强的特点。而且使用FRP材料之后杆塔与各构件之间能够实现物理绝缘，FRP复合材料已成为搭建输电杆塔的理想材料。

本专题推荐积极试用FRP复合材料的塔头（横担），塔身仍采用普通角钢。复合材料横担不仅具有重量轻、结构简单、绝缘性能好等多方面优点，而且可以根据运行要求，加工成杆塔所有需要的横担长度及形状。

本专题主要针对复合横担杆塔展开研究，介绍了复合横担杆塔结构的设计方法，随后对复合横担杆塔结构选型及优化进行了详细论述，通过研究分析，推荐直线塔采用猫头型复合材料塔头，耐张塔采用干字型复合材料横担杆塔。经对比分析，显示复合横担杆塔能明显降低杆塔和基础材料耗量，以及有效减小走廊宽度，有一定的经济效益。随着复合材料研究的进一步深入和推广应用，其经济效益将更为明显，建议进一步加强研究与积极推广试用。

目 录

1 概述 ...................................................... 1 2 复合横担杆塔结构设计方法 .................................. 2

2.1 复合材料结构设计的一般原则 ............................ 2 2.2 结构设计应考虑的工艺性要求 ............................ 3 2.3 许用值的确定 .......................................... 3 2.4 安全系数的确定 ........................................ 5 2.5 典型结构构件的设计 .................................... 6 3 复合横担杆塔结构选型及优化 ............................... 10

3.1 复合横担塔头选型 ..................................... 10 3.2 复合塔头有限元分析 ................................... 12 3.3 复合横担耐张塔 ....................................... 15 4 复合横担杆塔对比分析 ..................................... 18 5 结论及建议 ............................................... 19

1 概述

长期以来，高压输电杆塔均以铁塔为主，尽管随着钢材技术的发展，钢材的强度、耐久性能等各方面均有不同程度的提高。然而，传统的输电铁塔依然普遍存在质量重、易锈蚀等不足，导致施工效率低下，成品耐久性差、使用寿命较短，容易出现各种安全隐患。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电行业的一种发展趋势。

复合材料一般是指由树脂和加强纤维两种材料结合而成。加强纤维通常是玻璃钢纤维，树脂中主要为聚脂、乙烯脂、聚氨酯、环氧树脂和酚醛树脂。其中聚脂是制造行业的首选，约占市场的70%以上，但聚脂的强度和抗冲击能力最小。新型 FRP 复合材料在基体树脂中添加了抗老化成分，以碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维作为增强材料，采用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。

由于复合材料具有重量轻、强度高、绝缘性好、抗腐蚀性能好，工艺优良等特点，采用复合材料杆塔可节省输电线路走廊用地，且使杆塔底座的电磁场环境较好，和同尺寸规格的金属杆塔相比，复合材料杆塔对地场强和导线表面最大场强要小很多，这对减小输电线路的电能损失和无线电干扰具有积极意义。复合材料杆塔可降低杆塔高度，缩短横担长度，这可直接减小线路的走廊宽度，可以大幅降低整条线路的造价。

在本工程中推荐积极试用FRP复合材料的塔头（横担），塔身仍采用普通角钢。复合材料横担具有重量轻、结构简单、安装方便、绝缘性能好等多方面优点，而且根据输变电线路运行要求，可加工成杆塔所有需要的横担长度及形状。而且试验结果显示出较好的电气及机械性能，具有一定的应用前景。

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国内复合横担杆塔结构形式可参见下图：

图1-1 钢管杆复合横担 图1-2 酒杯型复合塔头

复合材料杆塔相比传统杆塔具有更好的综合性能，因而通过合理地设计，充分利用复合材料的性能，将复合材料技术应用到输电工程不仅能够提高输电线路运行的可靠性与经济性，对于建设“资源节约型、环境友好型”输电线路具有重要意义。

2 复合横担杆塔结构设计方法

2.1 复合材料结构设计的一般原则

(1) 复合材料结构一般采用按使用载荷设计、按设计载荷校核的方法。使用载荷是指正常使用中可能出现的最大载荷，在该载荷下结构不应产生残余变形。设计载荷是指设计中用来进行强度计算的载荷，在该载荷下结构进入失效状态。安全系数为设计载荷与使用载荷的比值。

(2) 按使用载荷设计时，采用使用载荷所对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核时，采用设计载荷所对应的许用值，称为设计许用值。许用值分A基准值和B基准值两种。对主承力结构或单传力结构采用A基准值，对多传力结构或破损安全结构采用B基准值。

①A基准值：在96%置信度下至少有99%数值群的性能值高于此值。

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