750 kV輸電線路復合橫擔靜載下的疲勞性能研究

施榮，溫智平，朱岸明，邢海軍

（1.國網陜西省電力公司經濟技術研究院，陜西西安 710065；2.國網陜西省電力公司科學研究院，陜西西安 710054；3.中國電力科學研究院，北京 100192）

750 kV輸電線路復合橫擔靜載下的疲勞性能研究

施榮1，溫智平2，朱岸明1，邢海軍3

（1.國網陜西省電力公司經濟技術研究院，陜西西安 710065；2.國網陜西省電力公司科學研究院，陜西西安 710054；3.中國電力科學研究院，北京 100192）

桿塔是架空輸電線路的重要組成部分，一直以來，桿塔的主要材料均為鋼材，隨著電網的發展，近幾年新的桿塔材料被提出[1-2]。高性能纖維增強復合材料（fiber reinforced polymer，FRP）以其強度大、質量輕、耐腐蝕以及耐久性能和電絕緣性能好等優點得到了廣泛的關注，復合桿塔可提高結構強度，延長結構使用壽命，縮短電桿的更換周期，減少走廊寬，并降低桿塔運行成本[3-4]。目前復合桿塔在220 kV的輸電線路中已經得到了運用[5]，但在更高電壓等級，更大負載情形下是否依然適用，有待于更多的研究。

國內外相關學者為復合桿塔應用于750 kV輸電線路進行了有益的研究。文獻[6]對復合材料性能進行了分析，并提出了一種復合橫擔的設計方案，對設計方案的合理性從多個方面進行了論證；文獻[7]以750 kV初步設計的復合桿塔為例，通過ANSYS有限元對復合材料構件進行分析，對復合材料桿塔的適用性進行討論。上述的工作對復合材料桿塔運用于750 kV輸電線路的適用性進行了探討，但多停留在仿真驗證，缺乏實驗的論證。

本文以新疆750 kV輸電線路中的復合橫擔新型塔為實驗對象，分析其實際的受力情況，設計復合橫擔及其局部桿件的靜載下疲勞試驗，驗證復合橫擔的過載機械性能。通過試驗驗證復合材料能夠有效地運用于750 kV輸電線路中，為實際工程提供參考。

1 靜載下疲勞試驗方案

為研究復合橫擔及其局部桿件在往復荷載作用下的破壞模式，結構受力破壞的薄弱點，疲勞破壞壽命等，需要設計能夠模擬復合橫擔受力特性的試驗裝置、試件以及加載方案等[8-9]。試驗參數尤為重要。根據桿塔橫擔實際受力情況，給出了疲勞試驗的主要參數如下。

1.1 橫擔過載試驗

1.1.1 試驗樣本

橫擔過載試驗所選取的元件均取自復合橫擔塔上橫擔，如圖1所示。上橫擔試驗件樣本數量為2個，編號分別為橫擔A和橫擔B，其中橫擔A不做疲勞試驗直接進行過載破壞試驗，橫擔B做完低周疲勞試驗后再進行過載破壞試驗。

表1 復合橫擔疲勞試驗加載設計值Table 1 Loading design value of fatigue test for composite cross-arms

圖1 橫擔桿件試樣取樣位置圖Fig.1 The sampling locations of cross-arm bar

1.1.2 試驗方案

試驗是靜力試驗，荷載加載分2步，采用先預加載后分級加載。

荷載預加載：預加載可以檢查裝置是否可靠、全部測試儀器儀表是否正常工作，保證加載系統運行良好、荷載與變形關系穩定，其大小為理論極限荷載的20%。

荷載分級加載：荷載加載順序為0%→10%→20%→…→80%→85%→…→125%→130%→140%→…→330%→…，每級為理論極限荷載的10%，每級加載穩定1 min后記錄相應荷載的應變。其中橫擔縱向標準荷載100%是72.673 kN，垂直向標準荷載100%是99.75 kN。

圖2 復合橫擔過載試驗Fig.2 The overload test of the composite cross-arm

1.1.3 數據采集方案

由于鋼節點應變復雜，應變最大位置無法測定，本次試驗沒有測量鋼節點上應變，僅在復合材料桿件上布置應變片以反映其受力情況，為研究內外拉桿受力情況，在內拉桿及外拉桿中部各設置一個測量點，每個測量點在管截面圓周上設置4個應變片，以測量各方向上的應變變化。為研究下壓管的受力情況，將下壓管分為靠近桿塔的Ⅰ區及遠離桿塔的Ⅱ區，每個測量點也設置4個應變片。為測量掛線處WO1的位移，在WO1處也粘貼應變片測量位移。橫擔的應變和位移測點布置如圖3所示。

圖3 應變和位移測點布置圖Fig.3 The strains and displacement testing point distribution

1.2 橫擔下壓桿軸心受壓試驗

1.2.1 試驗樣本

橫擔下壓桿軸心受壓試件取自未疲勞過載橫擔的桿件，規格為φ320×10，兩端為套接的法蘭接頭，試件數量為1個。

試驗加載裝置圖如圖4所示。試驗加載缸最大壓力為10 000 kN。在試件兩端設置球形鉸支座，球鉸高度為120 mm，試件的計算長度應考慮兩端球鉸高度，即在設計長度上增加240 mm，試件計算長度為3 800 mm，長細比為34.7。

圖4 橫擔下壓桿軸心受壓試驗Fig.4 Axial compression test of the column bar under cross-arm

1.2.2 試驗方案

荷載加載標準值設定為3 500 kN（即加載值100%），試驗的荷載加載順序為：0%→20%→40%→60%→80%→85%→90%→95%→100%→105%→…，每級為理論極限荷載的5%，每級加載穩定1min后記錄相應荷載的應變。

1.2.3 數據采集方案

試驗中主要測量軸心受壓下構件的縱向應變。試驗時在下壓桿首段連接處及下壓桿中端截面各貼1圈應變片，每圈均勻布置4片。應變測點布置及應變片編號如圖5所示。

圖5 橫擔試件的應變測點布置Fig.5 Distribution of the strain test points for cross-arm specimens

2 橫擔過載試驗結果及分析

2.1 試驗現象

試驗前，因復合材料桿件本體外包傘裙，觀察不到復合材料外觀質量。

橫擔A試驗加載至設計值的330%時，各部件未見異常，鋼結構節點與橫擔連接處無脫接現象，膠接情況完好，因試驗設備加載力受限，未能繼續加載。

橫擔B試驗加載至設計值的247.5%時，橫擔發生破壞，見圖6，其中復合材料長拉桿端頭連接所用的U型環以及復合材料短拉桿端頭套接筒被拉斷。由于短拉桿受力較小，確定為長拉桿U型環先壞，導致橫擔破壞。

圖6 整體破壞照片Fig.6 Photos of overall destruction

2.2 試驗數據分析

2.2.1 橫擔拉桿荷載-應變圖

對受力較大的外拉桿的荷載與應變統計如圖7所示。

圖7 橫擔外拉桿Ⅰ荷載-應變圖Fig.7 The load-strain curve of the outer pull rodⅠon the cross-arm

由圖7可知：在同大小荷載下，橫擔B較橫擔A拉桿的應變要大，說明經歷低周期疲勞實驗后的桿件更易形變。4個應變片變化相似，說明其各部分受力均勻，彎曲現象較弱。當橫擔A加載至330%時橫擔復合材料外拉桿應變最大，達到5 962×10-6；而內拉桿的應變較小，在該受力工況下屬零桿。因此在內外拉桿中，對承載能力起控制作用的桿件是外拉桿。

2.2.2 橫擔下壓桿荷載-應變圖

為研究下壓管的受力分布，對其荷載與應變統計如圖8所示。

圖8 橫擔壓管荷載-應變圖Fig.8 Theload-straincurveofthecross-armpressurepipe

從橫擔下壓管的荷載變化看出，在同大小荷載下，疲勞過的橫擔B較未疲勞過的橫擔A下壓管的應變較大，且同一位置的4個應變片變化差距較大，下壓管應變不均勻，壓彎現象明顯。

從應變數據看，橫擔A加載至荷載級240%時，下壓管Ⅰ區應變最大值是3302×10-6，最小值是1625×10-6，桿件下壓管Ⅱ區應變最大值是2 626×10-6，最小值是1 347×10-6，可見桿件應變不均勻，橫擔下壓管呈現壓彎狀態，荷載作用力不均勻地分布在整個下壓管上。

2.2.3 橫擔掛線點荷載-位移

橫擔掛線點和下壓管中部荷載-位移圖如圖9所示。

圖9 橫擔下壓管節點處的荷載-位移圖Fig.9 The load-displacement curve of the cross-arm down pipe node

從位移數據看，橫擔A加載至荷載級240%時，掛點縱向位移為151 mm，垂直位移為96 mm；加載至荷載級330%時，掛點縱向位移為221 mm，垂直位移為125mm；試驗結束后，掛點縱向殘余變形為54mm，垂直殘余變形為24 mm。橫擔B加載至荷載級237.5%時，掛點縱向位移為288 mm，垂直位移為100 mm。

橫擔A和橫擔B在同荷載級別下縱向和垂直位移不一致，疲勞后的橫擔B位移較大（288-151）/151=90.7%，差別這么大主要原因如下。

1）疲勞試驗影響；

2）由于加工外形尺寸偏差或施工人員現場組裝等引起安裝偏差；

3）由于加荷繩角度不準確，會導致掛點處施加荷載總值有差異。

其中影響最大的是加荷繩角度和安裝偏差的影響，安裝時為保證橫擔A和橫擔B預拱值一致，與反力墻連接的桿件位置偏差為150 mm，進而影響橫擔桿件的受力情況。由于疲勞應力為破壞應變的1/4～1/5，從對疲勞試驗經驗看，疲勞對其影響不大。

因此，建議工程中采用的橫擔應考慮橫擔的一致性和安裝的穩定性，尤其是拉桿長度的調節，應注意預拱的統一性。

2.3 橫擔承載能力分析

1）復合材料桿件破壞特性

玻璃纖維增強環氧樹脂的復合材料，在達到極限強度之前近似保持彈性特征。復合材料受壓構件沒有屈服強度和最大強度之說，只有一個破壞強度。復合材料不具有塑性發展的性能，當外層纖維發生斷裂之后，隨即退出工作，僅由內層纖維承擔全部的荷載，在外荷載不變的情況下，纖維將從外到內逐層斷裂。

考慮復合材料桿件在達到極限強度之前荷載-應變近似保持線彈性特征，根據σ=Eε，則ε=σ/E可計算得到該復合材料的破壞應變值。但由于試驗橫擔材料沒有實測數據，不宜推導橫擔的最大破壞值。

2）考慮老化的試驗荷載級

根據復合材料桿塔設計要求，穩定安全系數Kw為2.0，該系數考慮了老化后的影響，可理解為環境影響系數。已考慮當前設計采用概率為基礎的極限狀態法，考慮了荷載分項系數（大致為1.35），材料分項系數（為1.5）以及環境影響系數（為2），換算后的安全系數為4.05。由于荷載分項系數已經在荷載設計值中體現，材料分項系數在試驗中是不應該體現的。所以超載至設計荷載值4.05/1.35=300%時，可以達到因老化后強度損失的強度儲備要求。

雖然橫擔B在標準荷載的247.5%時破壞是因為拉桿連接件引起的，根據復合材料的荷載-應變線性發展特性，橫擔承載力遠超出標準荷載的300%。

3 橫擔下壓桿軸心受壓試驗結果及分析

3.1 試驗現象

試驗加載至3 841 kN時，試件發生整體屈曲破壞，正中部發生屈曲，套接接頭沒發生滑脫想象。試驗破壞如圖10所示。

圖10 軸壓試件破壞現象Fig.10 The damage phenomenon of axial compression specimens

3.2 實驗數據分析

從圖11中看出，加載過程中，管身一直均勻受力，應變一直線形發展，加載至3 675 kN時，應變最大為8 530×10-6，平均應變為7 999×10-6；加載至3 841 kN時，管身中部發生局部破壞。管端頭起初受力均勻，加載至約3 000 kN時，受力不均勻，球鉸有轉動，加載至3 841 kN時，端頭沒有破壞。復合材料管加載至后期，管身內部材料本身也發生損害現象。

圖11 橫擔壓管荷載-應變曲線圖Fig.11 Theload-straincurveofthecross-armpressurepipe

3.3 復合材料管的設計計算

10 kV～220 kV復合材料桿塔設計要求中規定了軸心受壓構件的承載力計算。具體為：

1）按強度驗算

式中：N為軸心受壓構件壓力設計值，N；An為受壓構件的凈截面面積，mm2；fc為抗壓強度設計值，N/mm2；

2）按穩定驗算

式中：σcr為歐拉臨界應力，N/mm2；Kw為穩定安全系數，取值Kw=2.0；A為受壓構件的全截面面積，mm2；Ec為壓縮彈性模量，N/mm2；λ為受壓構件的長細比。

該試驗采用的復合材料管的長細比λ=34.7，壓縮彈性模量為2.5×104 N/mm2。根據式（3）計算得該管歐拉臨界應力為：

當不考慮穩點安全因素時：

Ncr1遠小于試驗值Ntest，按該公式計算是比較安全的。本工程所采用復合材料管的穩定安全系數Kw=4.0（考慮荷載分項系數值1.35），根據設計計算的該復合材料Φ320×10下壓管設計承載力為

以上計算表明，本工程采用的復合材料滿足設計要求。

4 結論

1）復合材料橫擔拉桿均勻受力，復合材料橫擔各部位的應變線性發展。退零后材料彈性恢復性較好。

2）在斷線工況下，復合材料橫擔下壓管桿件受壓彎作用，復合材料橫擔壓桿應變線性發展。

3）考慮荷載分項系數1.35，復合材料橫擔設計安全系數超過4.0。復合材料橫擔防老化強度損傷的強度儲備強，該復合材料桿塔滿足設計要求。

4）復合橫擔下壓管軸心受壓過程中應變線形發展，破壞屬脆性破壞。軸壓試驗中復合材料管的套接法蘭完好，粘接部分牢固。

5）建議應用于工程中的橫擔短拉桿接頭套筒形式繼續優化加強，同時避免桿塔中所用螺栓桿處于受彎受力狀態。

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Study on Fatigue Properties of Composite Cross-Arms in 750 kV AC Transmission Lines

SHI Rong1，WEN Zhiping2，ZHU Anming1，XING Haijun3
（1.State Grid Shaanxi Electric Power Company Economic Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China；2.Shaanxi Electric Power Research Institute，State Grid Shaanxi Electric Power Company，Xi’an 710054，Shaanxi，China；3.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）

In order to explore the static fatigue properties of the composite cross-arm in 750 kV transmission lines，in this paper，a fatigue test under the static load of the composite cross-arm and its local bar is designed based on the actual stress distribution of the composite cross-arm in 750 kV transmission lines，and the overload test and axial compression experiment are performed.The test results indicate that the stress distribution of cross-arm parts，suggesting that the outer pull rod and lower bar are the main stress parts and the junction of cross arms the weak stress part.These findings should be fully considered in the design and construction.Meanwhile，The results also suggest that the composite cross-arm and its rods have good fatigue properties，which can meet the engineering requirements and be used in 750 kV transmission lines.

750 kV transmission line；composite cross arm；fatigue property；composite materials

為了探索750kV復合橫擔的靜態疲勞性能，根據750 kV輸電線路復合橫擔的實際受力情況，設計復合橫擔及其局部桿件的靜載下的疲勞試驗，進行了復合橫擔的過載試驗及軸心受壓實驗。試驗揭示了橫擔各部分的受力情況，外拉桿及下壓桿件為主要受力部件，桿件接通處為橫擔受力的薄弱部分，橫擔設計及工程施工時需要重點考慮。同時，試驗也驗證了復合材料橫擔滿足各項試驗要求，可以應用于750 kV輸電線路中。

750 kV輸電線路；復合橫擔；疲勞性能；復合材料

1674-3814（2017）09-0054-07

TM753

A

新疆與西北主網聯網750 kV第二通道輸變電工程（60-S7761S）。

Project Supported by the Second Channel of the 750 kV Power Inter－Connection between Xinjiang Power Grid and Northwest Main Grid（60-S7761S）.

2016-12-15。

施 榮（1977—），男，碩士，高級工程師，從事電力系統分析規劃、電網運行分析方面的工作；

溫智平（1970—），通訊作者，男，本科，高級工程師，從事電網技術研究工作；

朱岸明（1973—），男，碩士，教授級高級工程師，從事電力系統分析規劃、電網運行分析方面的工作。

（編輯 徐花榮）