复合材料在输电线路管塔中的运用

[摘 要]本文在阐述了输电线路管塔结构中采用纤维增强复合材料的意义后，重点对FRP管塔的结构、运用及问题进行了研究，希望以此能为相关人员提供有意义的借鉴。

[关键词]输电线路管塔；FRP；碳纤维；复合材料

中图分类号：TM753 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0379-01

管塔结构是输电、铁路、通讯等基础设施中重要的支撑结构，其结构性能直接影响线路的安全性、经济性和可靠性。本文在对输电线路管塔采用纤维增强复合材料FRP的意义进行简述后，从FRP管塔的结构性能、环境等方面进行评述，并指出采用FRP管塔需要注意的问题，以此希望为行业人员提供借鉴。

1 FRP输电管塔研究的意义

随着我国经济的快速发展，电力需求愈来愈大。为解决我国的电力能源配置问题，我国正在实施1000 kV特高压输电等新一轮电网改造工程，这些工程迫切需要研究开发低成本、高性能的输电管塔结构。FRP具有强度高、质量轻、耐腐蚀和电绝缘性好等特点，非常适于制造输电管塔。与木质、混凝土和钢质管塔相，FRP管塔的优点明显：质量轻。FRP 管塔的质量约为木质管塔的1/3，混凝土管塔的1/10，钢质管塔的1/2。由于质量轻，可大幅度降低运输和施工安装成本；强度高。FRP单向板的纵向抗拉强度为800～1200 MPa，远高于普通钢材的抗屈服强度。同时具有优良的耐疲劳性能；耐腐蚀。FRP管塔对酸、碱、盐等腐蚀介质的耐腐蚀、耐候性能优良，适合沿海、酸雨等恶劣环境；温度适应性强。FRP管塔几乎适用于各种气象条件而不改变性能，特别适用于高寒地区；电绝缘性能好。FRP管塔电气绝缘性能优良，可以减少导线与塔身间隙，使输电线路结构更为紧凑，减少线路走廊宽度；可设计性强。FRP管塔可以根据特殊的结构性能要求，合理的选择基体和纤维材料等，设计出满足对强度、刚度、耐疲劳特性、产品色彩等多方面的要求的管塔；易成型。FRP管塔的成型根据成型条件和设计要求，可以采用手糊、缠绕、拉挤、模压等工艺；维护性好。FRP管塔由于耐久性好，其本上是一种免维护的结构；环境性能好。FRP在使用过程中无毒害作用，对环境影响小，报废后可回收利用。

FRP管塔还具有良好的防撞和抗冲击性能及耐细菌性能。因此FRP管塔比传统的电管塔具有更好的综合性能，通过合理的设计，FRP管塔完全可以满足输电线路对管塔结构的各项性能要求。从制造工艺方面看，FRP已经在我国其它工业部门得到广泛的应用，已基本具备复合材料电管塔的制造能力。

2 FRP在管塔结构中的应用

FRP性能优良，主要以钢材的替代材料的形式应用于输电管塔中，其在架空电管塔中的应用主要有以下几种形式。

2.1 纤维增强混凝土（FRC）管塔

FRC管塔有两种主要形式，一种是以非连续短纤维作为混凝土增强纤维材料，即在混凝土中加入杜拉纤维或碳纤维等短纤维，代替钢纤维作为混凝土的增强材料，可以提高混凝土管塔的强度，增强其抗裂与抗冻性能。尤其在我国北方高寒地区，FRC管塔可以大大提高其抗冻融循环作用的能力；另一种是以连续FRP筋材作为钢筋的替代材料。FRP筋材耐腐蚀，是混凝土增强筋的理想替代材料，尤其在盐腐蚀比较严重的盐渍土地区，采用FRP筋能有效地改善混凝土电管塔的抗腐蚀能力。由于FRP 抗拉强度高，FRP筋也非常适合作为预应力混凝土管塔的预应力筋。

2.2 FRP管塔

FRP 管塔的前期研究，主要是树脂基玻璃纤维管塔，其树脂一般以环氧型树脂为基体材料，采用拉挤成型工艺，成本较高，抗老化性能差，寿命短，未能在实际工程中得到广泛应用。新型FRP管塔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。

FRP管塔的设计较木质管塔和混凝土管塔复杂，一般应满足强度、抗变形、抗剪、抗疲劳等综合力学性能要求。变形量大小决定于FRP中纤维方向和纤维用量的大小；而强度则通过纵向纤维满足抗弯曲荷载和抗受压屈曲失稳的要求；抗剪性能通过以一定倾斜角度进行缠绕的纤维来满足；抗疲劳性能可以通过减小内应力和纤维之间的相互作用来实现。

FRP管塔的承载能力主要由结构刚度决定，而不由结构强度决定。因此增强纤维的缠绕角度对管塔的刚度影响较大，管塔体的刚度由占80%的纵向纤维提供。横担、拉线、紧具等附件增大了结构荷载，在管塔内产生较大的纵向压力。因此，应增加斜向的纤维以满足抗压屈失稳的要求。

紫外线常常造成FRP管塔结构表面的损伤和老化，而紫外线对基体树脂的影响取决于紫外线的强度。新一代FRP管塔在树脂中加入紫外线抑制剂进行处理，使其预期寿命可达80年之久。

FRP管塔的制造一般采用预浸纤维缠绕成型工艺进行生产，纤维缠绕角度及其纤维用量根据设计要求确定。这种生产工艺在国外已经用于架空线路管塔的生产，我国目前还没有这种生产工艺。

纤维布或预成型板等片材、FRP筋材和型材等是良好的结构加固修复材料。玻璃纤维布或碳纤维布的结构适应性和材料性能优良，施工方便，是架空输电线路管塔结构加固修复的理想材料。我国也已研究开发了玻璃纤维和碳纤维布加固修复混凝土管塔的技术，并已在电网改造中得到比较广泛的应用。

3 FRP管塔应注意的问题

输电线路跨越距离长，长期处于各种复杂的自然环境和气象条件下，输电管塔必须满足强度、刚度、抗疲劳、耐久性等性能要求。同时，输电管塔作为输电导线的支撑结构，必须满足必要的电气性能要求。因此FRP管塔在用于输电线路时有以下几个问题需要特别注意：

1）刚度。由于FRP的弹性模量在25～50GPa间，因此在弯曲荷载作用下其变形较大，而管塔过大的变形将对输电线的电气安全距离造成影响，因此要在设计过程中，考虑电管塔的刚度问题。

2）节点连接。节点连接是FRP应用于塔架结构的关键问题，要研究开发有效的节点连接技术。

3）热稳定性。输电管塔运行的环境一般比较恶劣，复合材料材料的热稳定性非常重要。

4）老化。管塔老化将导致输电线路停电事故的产生，而FRP管塔的树脂基体受紫外线影响容易老化。

5）环境。FRP管塔的生产和报废处理会造成一定程度的环境污染，因此FRP管塔宜为盐渍土地区、沿海地区、山区、高寒高湿等特殊地区传统输电管塔的理想替代产品。

4 结束语

在纤维增强复合材料被广泛应用的背景下，FRP原材料和生产工艺不断改进，FRP产品的整体结构性能、结构质量和成本将进一步降低，其技术性能、经济性、环境影响等综合效益将得到充分体现，而在电力输电线路中，FRP材料也必将在架空输电线路管塔中得到广泛的应用。

参考文献

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