复合横担杆塔研究

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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②B基准值：在95%置信度下至少有90%数值群的性能值高于此值。 (3) 复合材料失效准则只适用于复合材料的单层。在未规定使用某一失效准则时，一般采用蔡---吴失效准则，且正则化相互作用系数F12在未作专门规定时采用-0.5。

(4) 有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数据的平均值，对有刚度要求的重要部位要选择B基准值。

2.2 结构设计应考虑的工艺性要求

工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。

(1) 构件的拐角应具有较大的圆角半径，并设计成直角或钝角，避免在拐角处出现纤维折断、富树脂、架空等缺陷。

(2) 对于外形复杂的复合材料构件，设计时应考虑制造工艺的难易程度，可采用合理的分离面分成两个或两个以上构件；曲率较大的曲面应采用织物铺层；外形突变处应采用光滑过渡；壁厚应避免从一个数值在一处突然变成另一数值。必要时可分为数级阶梯形来实现不同壁厚间的过渡。

(3) 构件的表面质量要求较高时，应使该表面为贴模面，或在该表面处加压板，或分解结构件使该表面成为贴模面。

(4) 复合材料的壁厚一般应控制在7.5mm以下。对于壁厚大于7.5mm的构件，除必须采取相应的工艺措施以保证质量外，设计时应适当降低其力学性能参数。

(5) 机械连接区的连接板应在表面铺—层织物增强CM铺层。 (6) 为减少装配工作量，尽量将结构设计成整体件，并采用共固化工艺。

2.3 许用值的确定 ⑴使用许用值

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①拉伸时使用许用值的确定

拉伸时使用许用值取下述三种情况中的较小值；

第一，对开孔试样，在使用环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其断裂应变，并除以安全系数，经统计分析得到使用许用值。

第二，对非缺口试样，在使用环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其基体不出现明显微裂纹所达到的最大应变值，经统计分所得出使用许用值。

第三，对开孔试样，在使用环境条件下进行拉伸两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经统计分析得到使用许用值。

②压缩时使用许用值的确定

压缩时使用许用值取下述三种情况中的较小值：

第一，对低速冲击后的试样，在使用环境条件下进行单轴压缩试验，测定其破坏应变，并除以安全系数，经统计分析得出使用许用值。

第二，对开孔试样，在使用环境条件下进行单轴压缩试验，测定其破坏应变，并除以安全系数，经统计分析得出使用许用值。

第三，对低速冲击后的试样，在环境条件下进行压缩两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经统计分析得出使用许用值。

③剪切时使用许用值的确定

剪切时使用许用值取下述两种情况中的较小值：

第一，对±45°层合板试样，在使用环境条件下进行反复加载—卸载的拉伸(或压缩)疲劳试验，并逐渐加大载荷峰值，测定无残余应变下的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值。

第二，对±45°层合板试样，在使用环境条件下经小载荷加载—卸载数次后，将其拉伸至破坏，测定其各级小载荷下的应力—应变曲线，并确定线性段的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值。

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⑵设计许用值

设计许用值是在对使用环境条件下材料破坏试验结果进行数据统计分析后给出的。使用环境条件包括使用温度上限和1%水分含量(对于环氧类基体复合材料)的联合情况。对破坏试验结果应进行分布检查(韦伯分布或正态分布)，并按一定的可靠性要求(A基准值或B基准值)给出设计许用值。

2.4 安全系数的确定 ⑴结构的可靠性与经济性

结构的可靠性，是指结构在规定的使用寿命内，在给定的载荷情况和环境条件下，充分实现所预期的性能而保证结构正常工作的能力。称为结构的可靠性（概率值）。

结构破坏一般为静载破坏和疲劳断裂破坏，结构可靠性分析也分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。

结构设计的合理性最终主要表现在可靠性和经济性两方面。结构成本与可靠性的关系如下图所示：

图2.4-1 结构成本与可靠性的关系

(2)在保证安全的前提下，应尽可能降低安全系数。影响安全系数的主要因素有：

①载荷值的准确性；作用在结构上的外力数值，一般是经过力学方法简化或估算获得的，很难与实际情况完全相符，对载荷值的不准确性所产

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