鋪層方式對復合橫擔中復合材料管承載力影響的研究

車勇1 李亞1 潘曉東1 郁杰2 邱勇2

1.國網新疆電力公司經濟技術研究院 新疆烏魯木齊 830011；

2.江蘇神馬電力股份有限公司 江蘇南通 226553

摘要：本文通過有限元軟件msc.marc對不同鋪層結構的復合材料管進行屈曲分析，并對500kV復合橫擔塔進行受力分析，得出左橫擔中支柱絕緣子所受的最大軸力和彎矩，并將軸力和彎矩分別加載至支柱絕緣子的實體模型中，計算不行鋪層結構各層最大應力，得出相關結論。

關鍵詞：支柱復合絕緣子；鋪層結構；復合橫擔

1.引言[1]

復合橫擔作為支撐輸電線路運行的結構，與傳統鐵塔相比，由于自身絕緣性能，取消了懸垂絕緣子串，桿塔受風載荷影響減小，呼高顯著降低，縮小了走廊寬度，使得整塔重量減輕，基礎作用力也相應減小，提升了安全性能，同時具有耐腐蝕，環境適應性強，具有免維護，可設計性好等優點。在特殊的地理環境和氣候條件下，將復合材料桿塔或復合橫擔替代傳統鋼管塔、角鋼塔及橫擔具有重要意義。由于復合材料結構的力學性能如剛度、穩定性、強度等都與鋪層結構有關，支柱復合絕緣子作為構成復合橫擔的重要元件，在復合橫擔運行中主要受軸向壓力和彎矩作用，因此，研究支柱絕緣子鋪層結構對其承載力的影響對復合橫擔的設計及研發有著重要的意義。

2.復合絕緣管的屈曲分析[2]-[3]

復合橫擔中的支柱復合絕緣子承受壓力作用時，當作用載荷達到或超過一定限度就會發生屈曲失穩，在屈曲失穩過程中，主要涉及的是一個求解特征值的問題，特征值是一個理想狀態下的正解，可以作為一個相對保守的值，但這個值具有一定參考意義。屈曲分析具有兩個特點，一是計算時間短，二是產品設計前期分析階段通過線性屈曲分析可預先知道產品的屈曲模態形狀。在進行線性屈曲分析是就是要求出特征值，對于線性結構，其方程

屈曲臨界載荷一般等于特征值乘以施加的初始載荷。

國家電網公司科技項目“110kV220kV輸電線路復合橫擔工程應用研究”220kV復合橫擔中的中相支柱絕緣子，其復合絕緣管內徑300mm，外徑320mm，長度4169mm，復合絕緣管的力學性能見表1。給定鋪層數14層，共給出八種鋪層結構。根據復合絕緣管一般的鋪層結構，前兩層一般采用90°鋪層，因此前六種結構前兩層采用90°鋪層，后面根據不同的角度組合進行鋪層。為了進行比較，給出結構7全部小角度鋪層和結構八內外兩層采用90°鋪層，中間采用小角度鋪層，具體鋪層結構見表2。

表1.FR材料參數

Table1.The material properties of FRP

彈性模量 （Gpa） 泊松比 / 剪切模量 （Gpa）

Ex 35 PRxy 0.3 Gxy 16

Ey 5 PRxz 0.3 Gxz 16

Ez 5 PRyz 0.1 Gyz 3

由于復合絕緣管兩端膠裝法蘭，膠裝部分提高了絕緣管的剛度，在對絕緣管進行屈曲分析時，對膠裝部分橫向位移進行一定的約束，并對絕緣管一端端部固定，另一端施加軸向壓力，總壓力值5000N。通過msc.marc軟件，選用75號shell單元，采用lanczos法進行屈曲分析。圖1是結構4的鋪層顯示，結構1和結構4的一階模態位移云圖如圖2和圖3所示。

圖1 結構4的鋪層

Fig.1 The layer pattern of structure 4

圖2 結構1的一階模態位移云圖

Fig.2 The first-order model displacement of structure 1

圖3 結構4的一階模態位移云圖

Fig.3 The first-order model displacement of structure 4

根據位移云圖，不同鋪層結構的一階失穩模態相近，當絕緣管達到屈曲載荷臨界值時，中間部分出現破壞，符合復合支柱絕緣子受壓試驗中的破壞形式。不同鋪層結構的屈曲載荷相差很大，計算結果見表2。

表2：屈曲分析結果

Table2.The results of bulking analysis

鋪層結構 一階模態特征值 屈曲載荷（kN）

1 [902/（±5）6] 652.4 3262

2 [902/（±45）6] 343.4 1717

3 [902/（±60）6] 221.8 1109

4 [902/（±5/±45）3] 584.4 2922

5 [902/（±5/±60）3] 522.7 2613.5

6 [902/（±45/±60）3] 287.6 1438

7 [（±5）7] 583.7 2918.5

8 [902/（±5）5/902] 584.6 2923

從表2看出鋪層結構1的屈曲載荷最大3262kN，結構3的屈曲載荷最小1109kN，說明在第一層都采用90°鋪層情況下，其它層鋪層角度越小，結構的屈曲載荷越大。結構7的屈曲載荷2918.5kN，小于結構1中的3263kN，說明最內端采用90°鋪層比采用小角度鋪層絕緣管穩定性提高不少。結構1和結構8比較可知最內端采用90°鋪層條件下，最外端采用小角度鋪層其穩定性優于最外端采用90°鋪層。對結構3的屈曲載荷，取絕緣管的穩定安全系數，設計計算值：

1109/4.0=277.25kN

滿足設計要求，即八種鋪層結構均能滿足穩定性要求。

3.整塔的受力計算[4]-[5]

對220kV復合橫擔塔進行整體建模，塔身部分是角鋼材料，橫擔部分為復合支柱絕緣子與拉索的組合，整塔與復合橫擔結構分別見如圖4和圖5。對塔底部進行固定，施加對復合橫擔受力影響較大的工況，即錨左下導線。根據工況條件，左下橫擔受力最大，其水平方向、順線路方向和豎直方向的載荷分別為：4.95kN、10.41kN和93.34kN。計算得到左下橫擔中支柱復合絕緣子的軸力為107kN，彎矩為22kN.m。整塔的變形及位移云圖見圖6。

圖4 整塔圖

Fig.4 The drawing of whole tower

圖5復合橫擔結構圖

Fig.5 The structure of composite cross arm

圖6 變形及位移云圖

Fig.6 Deformation and displacement of whole tower

4.軸向壓力作用下不同鋪層結構的受力計算[6]

支柱復合絕緣子由絕緣管和兩端法蘭構成，法蘭與絕緣管采用膠黏劑進行連接。建立支柱復合絕緣子實體模型，對一端法蘭盤進行固定，另一端施加107kN的壓力，采用有限元軟件msc.marc對不同鋪層結構進行分析，各鋪層結構及計算得到各層最大應力見表3。

表3.鋪層結構和各層最大應力

Table3.The maximum stress in each layer

鋪層結構 最大應力（MPa）

第一層 第七層 第十四層

1 [（±5）7] 59.29 26.88 16.33

2 [（±30）7] 73.5 37.29 21.45

3 [902/（±5）6] 27.26 34.17 18.32

4 [902/（±5）5/902] 27.24 32.48 23.79

5 [902/（±30）6] 36.02 44.6 21.3

6 [902/（±30）5/902] 30.68 43.29 33.33

7 [（±5）6/902] 60.36 24.9 22.22

8 [902/（±30）5/（±5）] 35.23 44.91 25.74

9 [902/（±5）5/（±30）] 27.25 33.78 24.75

10 [902/（±5）5/（±60）] 27.23 32.8 28.08

根據表中的計算結果可知，最內端使用小角度鋪層，最內層應力較大，與使用大角度鋪層相差明顯；在最內端使用大角度鋪層時，中間部分采用小角度鋪層可減小中間層的應力；當最內端使用大角度，中間部分使用小角度鋪層時，對最外端不同鋪層角度進行計算，得到最外層的應力相差不大，各應力變化規律不明顯；無論采用哪種鋪層，最外層應力跟其它層相比都不會很大；表3中的各層應力均能滿足絕緣管的抗壓強度要求。結構10的最外層應力分布云圖分別見圖7和圖8。

圖7 整體應力分布及變形云圖（放大66倍）

Fig.7 Stress distribution in the whole insulator

圖8 最外層絕緣管局部應力云圖

Fig.8 Stress distribution in outer layer of the tube

5.彎矩作用下不同鋪層結構的受力計算[6]

建立支柱復合絕緣子實體模型，對一端法蘭盤進行固定，另一端施加彎曲力，使端部彎矩等效于22kN.m。對不同鋪層結構分別進行抗彎計算，各鋪層結構及各層最大應力見表4。

表4.鋪層結構和各層最大應力

Table4.The maximum stress in each layer

鋪層結構 最大應力（MPa）

第一層 第七層 第十四層

1 [902/（±45）3/（±5）3] 81.8 47.8 73.6

2 [（±5）3/（±45）3/902] 82.6 25.2 41.15

3 [902/（±5）6] 52.37 67.2 54.65

4 [902/（±5）5/902] 51.73 69.37 44.58

5 [902/（±30）6] 81.11 59.67 50.21

6 [902/（±30）5/902] 72.97 62.04 64.4

7 [（±45）7] 93.13 47.38 42.65

8 [（±60）7] 72.93 44.06 49.64

9 [902/（±5）5/（±45）] 53.45 70.6 45.52

10 [902/（±5）5/（±60）] 52.48 70.46 38.89

通過對大量不同組合的鋪層結構進行抗彎計算，得到如下結論：當最內端采用大角度，中間部分采用小角度鋪層的結構受彎曲作用時最內層的應力小于中間層，且最內層與中間層應力相差不多，如表中結構3、4、9、10，而其它形式的鋪層會使最內層應力大于中間層，且兩者相差較多，如表中結構1、2、7、8；當最內端采用大角度，中間部分采用小角度鋪層時，最外層的應力與第一層接近或偏小，最外端的鋪層角度對最外層應力影響規律不明顯；當復合絕緣管第一層應力大于其它層應力較多時，在抗彎試驗中，隨著加載的彎矩越來越大，第一層首先發生破壞，即內壁出現裂紋現象，因此在設計絕緣管鋪層時，應盡可能使絕緣管各層受力均勻，提高其承載力。對不同鋪層結構的支柱絕緣子一端固定，另一端施加22kN.m的彎矩，得到不同層的最大應力如表所示，表中的最大彎曲應力為93.13MPa，遠小于絕緣管抗彎強度400MPa。在對絕緣管做抗彎破壞試驗時，當加載彎矩至69kN.m，絕緣子破壞，破壞形式為絕緣管被拔出，說明現有絕緣管的鋪層結構能夠滿足強度要求，試驗出現的破壞現象并非由鋪層結構引起的。結構10的最外層應力分布云圖分別見圖9和圖10。

圖9 整體應力及變形云圖（放大4倍）

Fig.9 Stress distribution in the whole insulator

圖10 最外層絕緣筒局部應力云圖

Fig.10 Stress distribution in outer layer of the tube

6.結論

（1）根據計算，對于屈曲載荷來說，絕緣管最內端采用大角度鋪層，其它部分采用小角度鋪層的結構其穩定性最好。

（2）對于受壓力和彎曲作用的絕緣管最內端宜采用大角度，中間部分宜采用小角度進行鋪層。

（3）絕緣筒鋪層結構各層應力相差不能太大，防止絕緣筒在運行時內壁應力大于其它層首先出現裂紋現象。

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作者簡介：

郁杰（1981），男，江蘇如皋人，工程師，研究方向為：輸變電復合桿塔研究與應用（email）yjie@shenmapower.com