纖維增強復合材料輸電桿塔研究現狀

張 磊 ，李雅泊 ，趙明珠 ，張 用 ，張 磊

（1.北京國網富達科技發展有限責任公司，北京 100070；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

纖維增強樹脂基復合材料（FRP）桿塔是指以環氧樹脂、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材料，通過拉擠工藝或纏繞工藝制備的輸電線路支承結構［1-4］。其中以玻璃纖維增強聚合物 （GFRP）桿塔應用最為廣泛，GFRP桿比相同電壓等級的混凝土桿和鋼管桿分別輕80%和40%。相比于傳統輸電線路桿塔，復合材料桿塔具有比強度高、比模量高、絕緣性能好、耐腐蝕性能優、維護難度及頻率低、可設計性好等 優 勢［5-8］。

目前，國外復合材料桿塔的制造和使用主要集中在歐洲和北美地區，主要生產廠家有Sharkspeare、CMT、Strongwell、RS、EPL 等［9］。受限于國內復合材料技術的發展，目前我國對復合材料桿塔的研究較少，建立了一些試點工程，實際應用中發現復合材料桿塔存在一些問題，如剛性不足、彈性模量低、節點強度偏低、前期投資高昂等問題［10-11］。針對這些問題學者們進行了大量的研究，本文主要從復合材料桿塔的材料選擇、結構設計、加工工藝等方面綜述了國內外學者的研究成果。

1 材料選擇

FRP桿塔材料包括樹脂基體、增強纖維及各類助劑、填料等。其中復合材料體系對復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］。尤其以環氧樹脂最為常用，環氧樹脂黏結力強、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，抗老化性能優異的聚氨酯樹脂逐漸獲得了大家的關注。相比于傳統的環氧 E51 和不飽和聚酯 196（UP），吳雄等［15］合成的改性聚氨酯樹脂PUP機械性能及電絕緣性更優，如表1所示。

表1 不同樹脂體系的復合材料力學及電學性能

常用的復合材料桿塔增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等無機纖維，而芳綸纖維、滌綸纖維等有機纖維的應用較少，其中延伸能力強、機械強度高、電氣絕緣性好、經濟性好的E-玻璃纖維應用最為廣泛。與玻璃纖維相比，碳纖維比強度高、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構可以有效提高復合材料桿塔的剛度［16］，如圖1所示。助劑主要有固化劑、促進劑等，多用以改善復合材料體系中各材料之間的黏結力。填料以石英砂［17］、發泡填充物［18］等為主，起到提高桿塔強度、降低桿塔自重及桿塔費用等作用。

圖1 碳纖維增強玻璃纖維桿鋪層截面

2 結構設計

2.1 桿型設計

FRP桿塔產品按外形可分為錐形桿、等徑桿、臺階形桿，如圖2所示。按產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。復合材料桿塔的型式又可分為復合橫擔桿塔、復合塔頭桿塔和全復合桿塔3類。

圖2 不同桿型復合材料桿塔

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

復合材料桿塔的桿型結構對其性能有著重大影響，相關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，單桿式全復合材料桿截面多采用圓環型。為了提高桿身剛度，需要通過合理設計桿身的截面或者桿身內部加肋來提高相同截面積下的慣性矩。有限元計算結果顯示，圓環內接三角形肋截面的塔頂位移和根部最大應力均小于薄壁圓環、圓環內接星形肋結構［19］，如表 2所示。

表2 不同截面選型的桿塔的力學性能

研究顯示承受彎曲的空心薄壁管狀桿受壓一側的極限強度取決于局部失穩，材料得不到充分利用，采用厚壁桿經濟性較差。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，并以桿底部達到最大彎曲強度并且上部發生局部失穩破壞為標準確定填充的最佳長度。

復合材料桿塔最大撓度和最大應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量成反比。Desai和Yuan［21］通過對FRP桿屈曲和彎曲行為的研究發現剛度長度比對高于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輸電桿塔進行線性靜力分析，發現當錐度減小、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驗，總結出桿的極限彎矩與單位長度纖維質量成反比。

2.2 桿體設計

一般來講，作為增強材料的纖維在復合材料中的質量分數越大，復合材料的力學性能越好，但是增加纖維的含量意味著要減少膠黏樹脂的含量，這會影響到復合材料的黏結效果，降低復合材料各組分間的結合力。目前，復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合材料纖維含量最大可達到70%［24］。層厚的增加會導致復合材料桿塔的最大應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，層數對其影響不大。

Mohamed等［25］運用有限元方法對纖維取向、層數和層厚等不同參數相結合的6.096 m、10.058 m高的GFRP桿的撓度和彎曲強度進行評估。提出等價風載作用下沿桿高度方向分為3個區域的最佳設計，不僅降低桿身自重，還使桿的極限承載力和彎曲強度都有所提高。Masmoudi等［26］提出了一種優化縱向厚度和圓周層數、纖維取向和層疊順序的新設計，該設計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。

碳纖維復合材料強度高但脆性大，高昂的價格限制了其應用范圍，而應用鋪層設計獲得的玻碳混雜纖維增強復合材料綜合性能優異。Khalili和Saboori［27］研究薄壁圓截面錐形纖維復合材料輸電桿塔，發現在薄板內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］研究發現與純碳纖維增強環氧樹脂復合材料相比，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時吸收的沖擊能量最多，當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 節點設計

復合材料桿塔節點分為桿身節點、桿身與橫擔節點、金具與絕緣部件連接、踏腳與基礎連接等。桿身節點連接方式有插接膠粘、管壁預埋金屬螺栓、金屬法蘭套筒、復合材料法蘭套筒等，如圖3所示。其中金屬法蘭套筒黏結主桿輔以抗扭銷釘的連接方案可以減小塔身結構變形。套接金屬法蘭的外夾層結構避免了節點局部應力集中，增強了連接的可靠性。套筒長度的增加可增強節點的可靠性，但長度超過一定范圍后，增強效果趨于穩定［29］。不同應力幅和加載工況下連接節點的足尺疲勞試驗證明復合桿與鋼套管膠接端部節點處抗剪切承載力偏低，受拉時發生典型脆性破壞［30］。

受限于復合材料技術，復合材料桿塔構件一般不能直接鉆孔，桿塔構件連接處往往成為力學薄弱點。110 kV及以下電壓等級線路復合材料桿塔多采用單桿形式，結構較為簡單，只需考慮每節主桿之間及主桿與附屬構件間的連接；而高電壓等級一般采用復合材料塔頭與鋼鐵塔身組合連接的方式，桿件交叉較多，節點連接復雜，對材料及其加工要求極高，限制了其使用和發展?？梢酝ㄟ^調節復合材料拉擠型材的截面形狀來改善構件的穩定承載能力，常見的構件界面形式有圓形、方形、“L”形、“D”形。

圖3 塔身節點連接方案

周磊等［31］對雙K形節點的研究表明，節點薄弱處位于鋼套管與復合材料管的連接處，建議以主材軸向應變達到5 000微應變作為該GFRP材料節點極限承載力的一個臨界值。王明哲等［32］針對復合材料輸電桿塔中各個部件間的連接，經過嚴格的方案設計與科學的結構計算，獲得可以由16種連接部件經合理組合安裝得到6種連接結構件方案。Turvey［33］通過四點彎曲試驗及理論研究了具有兩種膠結連接拼接節點的寬翼緣工字形FRP梁的性能。測試結果表明，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，接頭旋轉剛度隨拼接長度的增加而減小。

3 加工工藝

復合材料的成型工藝對復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合材料的結構和性能相差較大，需根據復合材料的用途設計成型工藝，從而制備不同的復合材料桿塔。目前，常用的纖維增強樹脂基復合材料成型工藝有：手糊成型技術、模壓成型技術、樹脂傳遞成型技術、纖維纏繞技術、拉擠成型技術。

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

纏繞技術根據纏繞角度的大小還可以細分為小角度纏繞、大角度纏繞、零度鋪放等。纖維的纏繞角度對復合材料的力學性能影響較大，如圖4所示，當纏繞角在0°～60°范圍內，復合材料桿塔的最大撓度隨纖維取向角的增大而增大；而最大應力隨著纖維取向角的增大而先增大后減小，在45°時達到最大值，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力的影響

纖維纏繞成型的優點是能夠按產品的受力狀況設計纏繞規律，使其能充分發揮纖維的強度。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，易實現自動化生產。然而纏繞成型技術有一個明顯的局限，沿制品軸向鋪設純縱向即零度角纖維較為困難，強度的方向性比較明顯，層間剪切強度低，限制了它在某些結構類管狀制品中的應用。

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，認為隨著纏繞角度的增大，復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］成功研發出零度纖維連續纏繞復合材料工藝技術，解決了傳統纏繞工藝的弊端，很大程度上提高了纖維纏繞復合材料制品的軸向力學性能，擴大了纖維纏繞復合材料制品的應用領域。

4 結語

與傳統輸電鐵塔和混凝土電桿相比，復合材料桿塔具有優異的機械與電氣性能，近年來在國內的一些線路上獲得了應用。未來仍需進一步提高國內復合材料研究及生產加工水平，降低復合材料桿塔建設成本。應以工程應用為依托，進一步研究復合材料輸電桿塔的設計方法，推動復合材料桿塔模塊化、規模化、自動化生產進程，建立復合材料桿塔設計及加工標準，設計復合材料桿塔專用的金屬配套構件，為復合材料桿塔的大規模、多范圍應用提供有力的技術支撐。