纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輸電桿塔研究現(xiàn)狀

張 磊 ，李雅泊 ，趙明珠 ，張 用 ，張 磊

（1.北京國網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（FRP）桿塔是指以環(huán)氧樹脂、聚氨酯、乙烯基樹脂等熱固性高分子為基體，玻璃纖維、碳纖維等纖維為增強(qiáng)材料，通過拉擠工藝或纏繞工藝制備的輸電線路支承結(jié)構(gòu)［1-4］。其中以玻璃纖維增強(qiáng)聚合物 （GFRP）桿塔應(yīng)用最為廣泛，GFRP桿比相同電壓等級的混凝土桿和鋼管桿分別輕80%和40%。相比于傳統(tǒng)輸電線路桿塔，復(fù)合材料桿塔具有比強(qiáng)度高、比模量高、絕緣性能好、耐腐蝕性能優(yōu)、維護(hù)難度及頻率低、可設(shè)計(jì)性好等 優(yōu) 勢［5-8］。

目前，國外復(fù)合材料桿塔的制造和使用主要集中在歐洲和北美地區(qū)，主要生產(chǎn)廠家有Sharkspeare、CMT、Strongwell、RS、EPL 等［9］。受限于國內(nèi)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，目前我國對復(fù)合材料桿塔的研究較少，建立了一些試點(diǎn)工程，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料桿塔存在一些問題，如剛性不足、彈性模量低、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度偏低、前期投資高昂等問題［10-11］。針對這些問題學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，本文主要從復(fù)合材料桿塔的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝等方面綜述了國內(nèi)外學(xué)者的研究成果。

1 材料選擇

FRP桿塔材料包括樹脂基體、增強(qiáng)纖維及各類助劑、填料等。其中復(fù)合材料體系對復(fù)合材料桿塔的基本性能有著決定性的影響，常用的樹脂有環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、乙烯基樹脂、聚氨酯樹脂等［12-14］。尤其以環(huán)氧樹脂最為常用，環(huán)氧樹脂黏結(jié)力強(qiáng)、浸潤性好、吸水性小、電絕緣性好、價格低廉，但是耐老化性能相對較弱，室外使用一般需要涂覆防紫外線涂料。近年來，抗老化性能優(yōu)異的聚氨酯樹脂逐漸獲得了大家的關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的環(huán)氧 E51 和不飽和聚酯 196（UP），吳雄等［15］合成的改性聚氨酯樹脂PUP機(jī)械性能及電絕緣性更優(yōu)，如表1所示。

表1 不同樹脂體系的復(fù)合材料力學(xué)及電學(xué)性能

常用的復(fù)合材料桿塔增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等無機(jī)纖維，而芳綸纖維、滌綸纖維等有機(jī)纖維的應(yīng)用較少，其中延伸能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高、電氣絕緣性好、經(jīng)濟(jì)性好的E-玻璃纖維應(yīng)用最為廣泛。與玻璃纖維相比，碳纖維比強(qiáng)度高、比模量更大，將碳纖維層鋪放于玻璃纖維纏繞層中形成夾芯結(jié)構(gòu)可以有效提高復(fù)合材料桿塔的剛度［16］，如圖1所示。助劑主要有固化劑、促進(jìn)劑等，多用以改善復(fù)合材料體系中各材料之間的黏結(jié)力。填料以石英砂［17］、發(fā)泡填充物［18］等為主，起到提高桿塔強(qiáng)度、降低桿塔自重及桿塔費(fèi)用等作用。

圖1 碳纖維增強(qiáng)玻璃纖維桿鋪層截面

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 桿型設(shè)計(jì)

FRP桿塔產(chǎn)品按外形可分為錐形桿、等徑桿、臺階形桿，如圖2所示。按產(chǎn)品成型工藝方式可以分為拉擠成型工藝電桿和纏繞成型工藝電桿。復(fù)合材料桿塔的型式又可分為復(fù)合橫擔(dān)桿塔、復(fù)合塔頭桿塔和全復(fù)合桿塔3類。

圖2 不同桿型復(fù)合材料桿塔

復(fù)合橫擔(dān)桿塔是指桿塔塔身部分采用角鋼或鋼管桿，橫擔(dān)采用復(fù)合材料型材，復(fù)合橫擔(dān)桿塔絕緣子串中的絕緣子和復(fù)合橫擔(dān)中的復(fù)合材料共同承擔(dān)絕緣性能的桿塔。復(fù)合塔頭桿塔是指桿塔的塔頭部分采用復(fù)合材料型材，金屬材料僅出現(xiàn)在塔頭部分的復(fù)合材料型材構(gòu)件的連接，其特點(diǎn)是整個桿塔塔頭部分整體呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。全復(fù)合桿塔是指桿塔的整體采用復(fù)合材料型材，金屬材料僅出現(xiàn)在復(fù)合材料型材構(gòu)件的連接，其特點(diǎn)是整個桿塔呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。

復(fù)合材料桿塔的桿型結(jié)構(gòu)對其性能有著重大影響，相關(guān)研究主要集中在單桿錐度、底面直徑、截面形式、桿塔壁厚、局部填充加固等方面。與鋼管塔截面多采用正多邊形不同，單桿式全復(fù)合材料桿截面多采用圓環(huán)型。為了提高桿身剛度，需要通過合理設(shè)計(jì)桿身的截面或者桿身內(nèi)部加肋來提高相同截面積下的慣性矩。有限元計(jì)算結(jié)果顯示，圓環(huán)內(nèi)接三角形肋截面的塔頂位移和根部最大應(yīng)力均小于薄壁圓環(huán)、圓環(huán)內(nèi)接星形肋結(jié)構(gòu)［19］，如表 2所示。

表2 不同截面選型的桿塔的力學(xué)性能

研究顯示承受彎曲的空心薄壁管狀桿受壓一側(cè)的極限強(qiáng)度取決于局部失穩(wěn)，材料得不到充分利用，采用厚壁桿經(jīng)濟(jì)性較差。為此，Mitchell和Fam［20］提出在桿身底部局部填充混凝土可以起到較好的加固作用，并以桿底部達(dá)到最大彎曲強(qiáng)度并且上部發(fā)生局部失穩(wěn)破壞為標(biāo)準(zhǔn)確定填充的最佳長度。

復(fù)合材料桿塔最大撓度和最大應(yīng)力均隨桿塔錐度的減小而減小；桿的極限彎矩與單位長度纖維質(zhì)量成反比。Desai和Yuan［21］通過對FRP桿屈曲和彎曲行為的研究發(fā)現(xiàn)剛度長度比對高于9.14 m的桿影響不大，但是上下截面慣性矩之比對桿屈曲行為有很大影響。Saboori和 Khalili［22］運(yùn)用二階殼單元和一階剪切變形理論對薄壁圓截面FRP輸電桿塔進(jìn)行線性靜力分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)錐度減小、纖維體積含量增加或壁厚增大時，桿塔最大撓度和應(yīng)力均隨之減小。Metiche 和 Masmoudi［23］通過空心圓截面各種壁厚直線桿的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出桿的極限彎矩與單位長度纖維質(zhì)量成反比。

2.2 桿體設(shè)計(jì)

一般來講，作為增強(qiáng)材料的纖維在復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，復(fù)合材料的力學(xué)性能越好，但是增加纖維的含量意味著要減少膠黏樹脂的含量，這會影響到復(fù)合材料的黏結(jié)效果，降低復(fù)合材料各組分間的結(jié)合力。目前，復(fù)合材料中纖維含量一般在50%～60%，采用真空模塑成型等新型合成工藝制備的復(fù)合材料纖維含量最大可達(dá)到70%［24］。層厚的增加會導(dǎo)致復(fù)合材料桿塔的最大應(yīng)力和塔頂最大位移的減小，但是在桿塔全厚度相同的情況下，層數(shù)對其影響不大。

Mohamed等［25］運(yùn)用有限元方法對纖維取向、層數(shù)和層厚等不同參數(shù)相結(jié)合的6.096 m、10.058 m高的GFRP桿的撓度和彎曲強(qiáng)度進(jìn)行評估。提出等價風(fēng)載作用下沿桿高度方向分為3個區(qū)域的最佳設(shè)計(jì)，不僅降低桿身自重，還使桿的極限承載力和彎曲強(qiáng)度都有所提高。Masmoudi等［26］提出了一種優(yōu)化縱向厚度和圓周層數(shù)、纖維取向和層疊順序的新設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)有效減輕重量的同時，提高了桿塔的極限承載力和彎曲剛度。

碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高但脆性大，高昂的價格限制了其應(yīng)用范圍，而應(yīng)用鋪層設(shè)計(jì)獲得的玻碳混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料綜合性能優(yōu)異。Khalili和Saboori［27］研究薄壁圓截面錐形纖維復(fù)合材料輸電桿塔，發(fā)現(xiàn)在薄板內(nèi)外層選用剛度較大的纖維可以有效減小桿尖撓度。趙士成等［28］研究發(fā)現(xiàn)與純碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比，玻璃纖維的添加可以提高材料的韌性，從而增加層合板的抗沖擊性能；玻璃纖維靠近層合板表面鋪設(shè)時吸收的沖擊能量最多，當(dāng)玻璃纖維布置于靠近層合板上下表面時，材料的抗沖擊性能提升最為明顯。

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

復(fù)合材料桿塔節(jié)點(diǎn)分為桿身節(jié)點(diǎn)、桿身與橫擔(dān)節(jié)點(diǎn)、金具與絕緣部件連接、踏腳與基礎(chǔ)連接等。桿身節(jié)點(diǎn)連接方式有插接膠粘、管壁預(yù)埋金屬螺栓、金屬法蘭套筒、復(fù)合材料法蘭套筒等，如圖3所示。其中金屬法蘭套筒黏結(jié)主桿輔以抗扭銷釘?shù)倪B接方案可以減小塔身結(jié)構(gòu)變形。套接金屬法蘭的外夾層結(jié)構(gòu)避免了節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力集中，增強(qiáng)了連接的可靠性。套筒長度的增加可增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的可靠性，但長度超過一定范圍后，增強(qiáng)效果趨于穩(wěn)定［29］。不同應(yīng)力幅和加載工況下連接節(jié)點(diǎn)的足尺疲勞試驗(yàn)證明復(fù)合桿與鋼套管膠接端部節(jié)點(diǎn)處抗剪切承載力偏低，受拉時發(fā)生典型脆性破壞［30］。

受限于復(fù)合材料技術(shù)，復(fù)合材料桿塔構(gòu)件一般不能直接鉆孔，桿塔構(gòu)件連接處往往成為力學(xué)薄弱點(diǎn)。110 kV及以下電壓等級線路復(fù)合材料桿塔多采用單桿形式，結(jié)構(gòu)較為簡單，只需考慮每節(jié)主桿之間及主桿與附屬構(gòu)件間的連接；而高電壓等級一般采用復(fù)合材料塔頭與鋼鐵塔身組合連接的方式，桿件交叉較多，節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜，對材料及其加工要求極高，限制了其使用和發(fā)展。可以通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料拉擠型材的截面形狀來改善構(gòu)件的穩(wěn)定承載能力，常見的構(gòu)件界面形式有圓形、方形、“L”形、“D”形。

圖3 塔身節(jié)點(diǎn)連接方案

周磊等［31］對雙K形節(jié)點(diǎn)的研究表明，節(jié)點(diǎn)薄弱處位于鋼套管與復(fù)合材料管的連接處，建議以主材軸向應(yīng)變達(dá)到5 000微應(yīng)變作為該GFRP材料節(jié)點(diǎn)極限承載力的一個臨界值。王明哲等［32］針對復(fù)合材料輸電桿塔中各個部件間的連接，經(jīng)過嚴(yán)格的方案設(shè)計(jì)與科學(xué)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，獲得可以由16種連接部件經(jīng)合理組合安裝得到6種連接結(jié)構(gòu)件方案。Turvey［33］通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)及理論研究了具有兩種膠結(jié)連接拼接節(jié)點(diǎn)的寬翼緣工字形FRP梁的性能。測試結(jié)果表明，所有拼接梁的橫向剛度大于主梁和短軸彎曲的初始梁和橫向剛度隨搭接長度。相比之下，接頭旋轉(zhuǎn)剛度隨拼接長度的增加而減小。

3 加工工藝

復(fù)合材料的成型工藝對復(fù)合材料桿塔的性能也有著較大的影響，不同制備方法獲得的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能相差較大，需根據(jù)復(fù)合材料的用途設(shè)計(jì)成型工藝，從而制備不同的復(fù)合材料桿塔。目前，常用的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成型工藝有：手糊成型技術(shù)、模壓成型技術(shù)、樹脂傳遞成型技術(shù)、纖維纏繞技術(shù)、拉擠成型技術(shù)。

其中拉擠成型技術(shù)多用來制備截面積較小的實(shí)心復(fù)合材料棒，在輸電線路中多用做復(fù)合材料橫擔(dān)件或是格構(gòu)塔部件。而纖維纏繞技術(shù)可以制備較大截面積的空心復(fù)合材料型材，既可用來制備復(fù)合材料桿塔也可以用來制備復(fù)合材料橫擔(dān)。

纏繞技術(shù)根據(jù)纏繞角度的大小還可以細(xì)分為小角度纏繞、大角度纏繞、零度鋪放等。纖維的纏繞角度對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較大，如圖4所示，當(dāng)纏繞角在0°～60°范圍內(nèi)，復(fù)合材料桿塔的最大撓度隨纖維取向角的增大而增大；而最大應(yīng)力隨著纖維取向角的增大而先增大后減小，在45°時達(dá)到最大值，如圖 5 所示［34］。

圖4 纏繞角對桿塔最大撓度的影響

圖5 纏繞角對桿塔最大應(yīng)力的影響

纖維纏繞成型的優(yōu)點(diǎn)是能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，使其能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度。纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼制容器相比，重量輕、可靠性高，易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。然而纏繞成型技術(shù)有一個明顯的局限，沿制品軸向鋪設(shè)純縱向即零度角纖維較為困難，強(qiáng)度的方向性比較明顯，層間剪切強(qiáng)度低，限制了它在某些結(jié)構(gòu)類管狀制品中的應(yīng)用。

吳非等［35］采用濕法纏繞成型工藝制得了具有不同纏繞角度的GFRP管，認(rèn)為隨著纏繞角度的增大，復(fù)合材料纏繞管的壁厚逐漸減小，抗剪切性能逐漸減弱。高晨曉等［36］成功研發(fā)出零度纖維連續(xù)纏繞復(fù)合材料工藝技術(shù)，解決了傳統(tǒng)纏繞工藝的弊端，很大程度上提高了纖維纏繞復(fù)合材料制品的軸向力學(xué)性能，擴(kuò)大了纖維纏繞復(fù)合材料制品的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)輸電鐵塔和混凝土電桿相比，復(fù)合材料桿塔具有優(yōu)異的機(jī)械與電氣性能，近年來在國內(nèi)的一些線路上獲得了應(yīng)用。未來仍需進(jìn)一步提高國內(nèi)復(fù)合材料研究及生產(chǎn)加工水平，降低復(fù)合材料桿塔建設(shè)成本。應(yīng)以工程應(yīng)用為依托，進(jìn)一步研究復(fù)合材料輸電桿塔的設(shè)計(jì)方法，推動復(fù)合材料桿塔模塊化、規(guī)模化、自動化生產(chǎn)進(jìn)程，建立復(fù)合材料桿塔設(shè)計(jì)及加工標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)復(fù)合材料桿塔專用的金屬配套構(gòu)件，為復(fù)合材料桿塔的大規(guī)模、多范圍應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。