玻璃鋼復合材料桿塔的應用研究及材料性能分析

摘 要：本文介紹了玻璃鋼復合材料在輸電桿塔領域的應用研究，并分析了FRP材料的力學性能及其工程特點。從實際應用出發，綜述了FRP 復合材料在工程中的缺點和不足，以期為進一步的相關研究提供參考。

關鍵詞：輸電桿塔 玻璃鋼復合材料 性能研究

隨著新型材料的興起，輸電線路桿塔的材質也有很大的變化。傳統的輸電線路桿塔采用的都是木結構，鋼結構以及混凝土結構。通常，我們稱木和混凝土的桿型結構為桿，稱塔形的鋼結構和鋼筋混凝土煙囪形結構為塔。在長期的運行過程中，傳統的輸電桿塔暴露出許多缺點。例如，木結構在自然環境下會受到嚴重的腐蝕問題，據統計，木結構在腐蝕環境中的平均壽命為30年，并且一旦腐蝕開始就會持續進行直至失去強度。而混凝土桿塔由于自重大，造成其安裝成本較高；目前鋼結構桿塔應用較多，但鋼結構桿塔的成本高昂，且需長期的防腐措施?？偠灾?，傳統的桿塔材料受自然環境的影響較為明顯。FRP（Fiber Reinforced Plastic）學名玻璃纖維增強塑料，是一種以玻璃纖維為增強材料，以合成樹脂為基體的塑性基復合材料。相比傳統材料的桿塔，玻璃鋼復合材料具有輕質、耐腐蝕、便于安裝、使用壽命長的優點。雖然復合材料的早期成本比傳統材料的成本高，但其后期的維修成本較低。如果桿塔在惡劣環境下產生破壞，其亦能實現快速搶修，對社會的影響降到最低。因此玻璃鋼復合材料具有很好的發展前景。

一、復合材料桿塔的應用研究

隨著新材料技術及其制備工藝的發展，FRP 甚至于用于高端應用領域的先進復合材料（ACM），近年在國外已逐步應用于輸電工程中，我國也正在積極開展這方面的研究工作。

1.復合材料桿塔在國外的應用研究。在國外，用復合材料制造輸電桿塔，已有二十多年的歷史。1995年，加拿大已經開始了復合材料的研究，并逐步運用在輸電線路中。1996年，美國在230kV電網中應用了玻璃鋼復合材料桿塔，其形式為3基直線雙桿，并于2003年研制出呼高24.4米的多角形錐型玻璃鋼桿塔，并早已投入使用。2005年，荷蘭Movares 工程咨詢公司完成了荷蘭電網一條 1.5公里 380 /150kV試驗線路的方案設計。隨著復合材料的深入研究，國外的成功應用證實了復合材料在輸電線路上的可行性，為其在我國的應用奠定了基礎。

2.復合材料桿塔在國內的應用研究。我國的復合材料桿塔應用屬于剛剛起步。雖在上世紀50年代進行過研究，但當時并未得到推廣應用。隨著新材料的研究日漸成熟，復合材料桿塔在工程實際中開始發揮著重要作用。

1995年，溫嶺市電力絕緣器材有限公司開始研究復合材料，研制成功了220kV及以下搶修塔（ 門形、帶拉線） 、110kV復合材料橫擔和桿頭。

2006年，鞍山鐵塔開發研制中心與鞍山鐵塔廠合作，在遼寧省電力公司立項研制高強度復合材料桿塔。采用了兩段插接八邊形 20m 長桿，端部加載3t 情況下，桿頂撓度為 2m。

2009年，北京玻璃鋼研究設計院也對玻璃鋼桿塔進行了研發，并開發出桿塔樣品在幾條線上進行試用。

2010年浙江舟山 110 kV輸電線路工程，1 基110 kV雙回鐵塔應用復合材料橫擔，工程建成投運，且運行穩定。

2011年10月，南瑞公司自主研制的110kV同塔雙回聚氨酯復合材料塔頭力學真型試驗在中國電科院良鄉桿塔試驗站順利完成。

2012年5月，武漢南瑞自主研制的“220kV及以下電力輸送用新型復合材料桿塔”通過中國電力企業聯合會組織的產品技術鑒定。

除此之外，復合材料桿塔不僅僅是將復合材料作為一種結構性材料，更是將復合材料作為一種功能性材料，利用其良好的絕緣性來優化桿塔的電氣性能。因此，復合材料桿塔的研究仍應繼續，讓其優勢完全體現出來。

二、復合材料的性能分析

由于玻璃鋼是一種復合材料，和普通材料相比，其性能的適應范圍非常廣泛，其玻璃鋼結構在不同工況下的受力及變形也有著明顯的優勢。目前，復合材料不僅應用于桿塔結構，而且廣泛應用于建筑行業、化學化工行業、交通運輸行業，與此同時，相關學者對其性能也進行了更深入的研究。

1.工程使用特點。與傳統輸電桿塔普遍存在的不良問題相比較，玻璃纖維增強復合材料具有耐腐蝕、電絕緣性好和可設計性好等優點，是理想的輸電桿塔結構材料。

1.1質量輕。FRP桿的質量約為木質桿的1/3，混凝土桿的1/10，鋼質桿的1/2。質量輕是FRP桿塔突出的優點之一。由于質量輕，可大幅度降低運輸和施工安裝成本，尤其適于山區和軟弱土質地區的輸電線路使用。

1.2電絕緣性能好。FRP 桿電氣絕緣性能優良，可以減少導線與塔身間隙，使輸電線路結構更為緊湊，可減少線路走廊寬度。這在土地資源稀缺，線路走廊的獲得日益困難的情況下尤其有意義。

1.3耐腐蝕。FRP 桿對酸、堿、鹽及有機溶劑等腐蝕介質的耐腐蝕性能和耐候性能優良，因此特別適合沿海地區、內陸鹽漬土地區以及工業區和酸雨多發地區等對混凝土和鋼質桿塔有特殊防腐要求的環境。

2.軸心受壓性能。在輸電桿塔的主腹材結構形式選擇時，由于圓形斷面主腹材的連接比較復雜，且重量將增加 25～30%，但采用角鋼卻可以使連接變得簡單，且質量又較輕，因此輸電線路桿塔等多數采用角鋼制作。鑒于此，我們以桿塔結構為基礎，進行FRP等邊角材軸心受壓性能的實驗，并得出以下結論。

2.1FRP材質作為一種新型的桿塔結構材料，其受壓屈服強度高，彈性模量小，與普通鋼結構材料有著較大的區別。

2.2FRP 等邊角材軸壓試驗的本構關系近似表現為線性，沒有明顯的屈服平臺，表明 FRP材質為脆性材質。

2.3軸壓試驗中，FRP 等邊角材在荷載達到峰值前產生的位移變化較小，達到峰值后產生的位移變化較大；且完全卸荷后，構件基本可以恢復，無明顯的殘余變形。

3.低溫力學性能。近年來，玻璃鋼復合材料在低溫工程領域中的研究和應用取得了較大進展。在美國，已有二種符合NEMA標準，并已投入批量生產的玻璃纖維增強材料，這二種材料在低溫工程中得到了普遍應用。我們在基于國產樹脂和增強材料的基礎上，選擇適當材料制作適用于承力支撐的玻璃鋼復合材料，并驗證其在低溫下的力學性能是否滿足要求。

一系列實驗結果表明，對于添加改進劑的玻璃鋼來說，壓縮彈性模量與溫度的關系呈雙曲線方程型。它們的特點是，隨溫度降低，壓縮彈性模量值變化較小，而且稍有增加并趨于定值，這就為進一步向液氮溫區延伸提供了可能性。而對于采用脂肪族固化劑固化的玻璃鋼來說，隨溫度的降低，壓縮彈性模量值的變化稍大，在目前的溫度范圍內還沒有趨于定值的現象。以上結果說明我們所研究的材料的壓縮彈性模量對溫度的敏感性較小，這對作為一種支撐材料來說是有利的。以環氧樹脂為基礎，適當加人改性劑，并與適當的固化荊相匹配，加入某些促進劑及采用合理的固化工藝，可以獲得具有良好的低溫力學性能的玻璃鋼復合材料。

三、結語

對于我國的行業發展，雖然玻璃鋼復合材料在電力行業中獲得了日益廣泛的應用，但產品的發展仍然還有很大的空間，有些市場還沒有完全打開，仍需進一步探索。對于產品自身，隨著電力輸送對新型桿塔結構需求的增長以及FRP原材料和生產工藝的不斷改進，FRP 桿的結構性能將不斷提高，成本將進一步降低，其技術性能、經濟性、環境影響等綜合效益亦將得到充分體現。

參考文獻：

[1]柳偉鈞，張錦南，王強華.復合材料桿塔技術和應用現狀.玻璃鋼/復合材料. 2014.6.

[2]曹寧.110V輸電線路復合材料桿塔的應用研究.碩士論文.2012.4.

[3]熊淦輝，劉江釩.電力輸送用復合材料桿塔發展現狀.絕緣材料.2013，46（4）.

[4]玻璃鋼復合材料的低溫力學性能研究.中國科學院低溫技術實驗室中心.