復合材料在輸電桿塔中的研究與應用 zund G3 2XL-3200-皮革台中切割加工－李延海焦點新聞熱搜

引言
    桿塔結構是輸電、通訊、鐵路、市政等基礎設施中一類重要的特種支撐結構物，其結構性能直接影響線路的安全性、經濟性和可靠性。本文對架空輸電線路桿塔結構的應用歷史與現狀進行了簡要的綜述，介紹了FRP桿在國內外的應用情況，從桿塔結構的技術、經濟、環境與社會影響等方面對各種材料的輸電桿塔進行了評述，著重對FRP在桿塔結構中的應用前景進行了討論。1國內外輸電桿塔結構的應用現狀
    國內外架空輸電線路中使用較為廣泛的桿塔主要有木質桿、混凝土或預應力混凝土桿、鋼管混凝土桿、鋼管桿和鐵塔等幾類。木質桿主要應用于加拿大和美國等森林資源豐富的地區，混凝土或預應力混凝土桿主要應用于南美洲、歐洲、非洲、亞洲等森林資源較為貧乏的地區或發展中，在美國只有俄勒岡州使用
混凝土桿。鐵塔是各國超高壓輸電線路中常用的桿塔型式。
    我國基本不再使用木質桿，混凝土桿以前在35-110 kV線路上大量使用，在新建330 kV及以下線路運輸和施工條件較好的平原和丘陵地區也得到一定應用。鋼管桿和鋼管混凝土桿在近年的城市電網建設和改造中應用較多，而在220 kV及以上的線路中，多采用格構式鐵塔。
    傳統的輸電桿塔普遍存在質量重、易腐爛、銹蝕或開裂等缺陷，耐久性差，使用壽命較短，施工運輸和運行維護困難，容易出現各種安全隱患。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。
2 FRP輸電桿塔的特點
    FRP具有強度高、質量輕、耐腐蝕以及耐疲勞性能、耐久性能和電絕緣性能好等特點，非常適于制造輸電桿塔。目前國外FRP在輸電桿塔上的應用形式主要有變截面單桿和直管裝配式塔架兩種。與木質、混凝土和鋼質桿塔相比，FRP桿塔具有以下特點：
    (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木，尤其適于山區和軟弱土質地區的輸電線路使用。
    (2)強度高。FRP單向板的縱向抗拉強度為800-1200MPa，遠高于普通鋼材的抗屈服強度。同時具有優良的耐疲勞性能。
    (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。
    (4)溫度適應性強。FRP桿幾乎適用于各種氣象條件而不改變性能，特別適用于高寒地區使用。高寒地區混凝土桿常發生凍融循環破壞，而鐵塔常發生低溫冷脆破壞。
    (5)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。
    (6)可設計性好。FRP桿有別于其它桿塔的重要特點是其材料可設計性，可以根據特殊的結構性能要求選擇基體和纖維材料及其相對質量分數和鋪層方向等進行合理的設計，以滿足對桿塔強度、剛度、耐疲勞特性、產品色彩等多方面的要求，以充分發揮FRP比強度高的優點，經濟地使用材料。
    (7)易于成型。FRP桿的成型根據成型條件和設計要求，可以采用手糊、纏繞、拉擠、模壓等工藝。
    (8)維護性好。FRP桿塔由于耐久性好，其本上是一種免維護的結構。這對保障線路安全和降低輸電線路的維護成本很有意義。
    (9)環境性能好。FRP在使用過程中無毒害作用，對環境影響小，報廢后可回收利用。可在樹脂基體中加入顏料糊，可以生產出任意色彩的FRP桿，使輸電線路更為美觀，從而增強其環境適應性。
    FRP桿還具有良好的防撞和抗沖擊性能及耐細菌性能。在特殊地區，還可以有效地防止塔材盜竊等人為外力破壞。
    因此，FRP桿比傳統的電桿具有更好的綜合性能，通過合理的設計，FRP桿完全可以滿足輸電線路對桿塔結構的各項性能要求。從制造工藝方面看，FRP己經在我國其它工業部門得到廣泛的應用，已基本具備復合材料電桿的制造能力。
3 FRP在桿塔結構中的研究與應用
    FRP性能優良，主要以鋼材的替代材料的形式應用于輸電桿塔中。采用FRP的電桿可以提高結構強度，延長結構使用壽命，縮短電桿的更換周期，并降低桿塔運行成本。同時由于FRP桿絕緣性能好，也可使輸電線路走廊更加緊湊，從而節約線路走廊費用，并減小輸電線路對環境的影響。FRP在架空電桿中的應用主要有以下幾種形
式。
3.1纖維增強混凝土(FRC)桿
    FRC桿有兩種主要形式。一種是以非連續短纖維作為混凝土增強纖維材料，另一是以連續FRP筋材作為鋼筋的替代材料．
    由于混凝土電桿受力工況復雜，混凝土為脆性材料，抗拉性能差，容易開裂，從而導致內部鋼筋的銹蝕。同時，混凝土電桿的保護層一般比較薄，混凝土容易碳化，失去對內部鋼筋的保護作用，同樣會導致混凝土內鋼筋的銹蝕。而鋼筋銹蝕產物體積膨脹，進一步加劇混凝土的開裂直至破壞。因此，鋼筋銹蝕和混凝土開裂是混凝土桿的兩大缺點。
    在混凝土中加入杜拉纖維或碳纖維等短纖維，代替鋼纖維作為混凝土的增強材料，可以提高混凝土桿的強度，增強其抗裂與抗凍性能．尤其在我國北方高寒地區，FRC桿可以大大提高其抗凍融循環作用的能力。
    FRP筋材耐腐蝕，是混凝土增強筋的理想替代材料，尤其在鹽腐蝕比較嚴重的鹽漬土地區，采用FRP筋能有效地改善混凝土電桿的抗腐蝕能力。由于FRP抗拉強度高，FRP筋也非常適合作為預應力混凝土桿的預應力筋。
    我國已開發了FRC桿，并對其進行了試驗研究，而FRP筋混凝土桿目前還處于研究開發中。
3. 2 FRP桿塔
    FRP桿在40多年以前己有研究，但當年主要是樹脂基玻璃纖維（GFRP）桿，其樹脂一般以環氧型樹脂為基體材料，采用拉擠成型工藝，成本較高，抗老化性能差，壽命短，未能在實際工程中得到廣泛應用。隨著樹脂和纖維材料性能的改進和FRP制造技術的進步，FRP桿重新受到各國輸電行業的重視。新型FRP桿在基體樹脂中添加了抗老化成分，以碳纖維和玻璃纖維的混雜纖維作為增強材料，采用纏繞成型工藝進行生產，材料性能得到提高，成本也己大幅降低。這種纏繞型低成本ACM桿在美國己經投入使用，其輸電塔也已研制成功。我國在20世紀50年代也開發過GFRP桿，但由于性能較差未能得到推廣應用。目前我國也正在研究開發拉擠成型的GFRP桿。
    FRP桿的設計較木質桿和混凝土桿復雜，一般應滿足強度、抗變形、抗剪、抗疲勞等綜合力學性能要求。變形量大小決定于FRP中纖維方向和纖維用量的大小；而強度則通過縱向纖維滿足抗彎曲荷載和抗受壓屈曲失穩的要求：抗剪性能通過以一定傾斜角度進行纏繞的纖維來滿足；抗疲勞性能可以通過減小內應力和纖維之間的相互作用來實現。
   從結構的角度來講，FRP桿的承載能力主要由結構剛度決定，而不由結構強度決定。因此，增強纖維的纏繞角度對桿的剛度影響較大，桿體的剛度由占80％的縱向纖維提供。橫擔、拉線、緊具等附件增大了結構荷載，在桿內產生較大的縱向壓力。因此，應增加斜向的纖維以滿足抗壓屈失穩的要求。
   紫外線常常造成結構表面的損傷和老化。由于這一原因，使得FRP桿不能在工程中廣泛應用。事實上，紫外線對基體樹脂的影響取決于紫外線的強度。新一代FRP桿在樹脂中加入紫外線抑制劑進行處理，使其預期壽命可達80年之久。
   FRP桿的制造一般采用預浸纖維纏繞成型工藝進行生產，纖維纏繞角度及其纖維用量根據設計要求確定。這種生產工藝在國外已經用于架空線路桿塔的生產，我國目前還沒有這種生產工藝。
   FRP桿由于其優良的綜合性能己經在歐美和日本得到應用，其中研究開發和應用為成熟的是美國。由于美國環保署已做出嚴格限制對木質桿進行化學方法處理的規定，加上木質桿的其它缺陷，FRP桿在美國己成為傳統木質電桿的理想替代品．因此，美國各大輸配電公司對FRP桿表現出濃厚的興趣，各FRP制造企業也積極研制開
發出各種FRP桿。Strongwell公司、Shakespear公司、Newmark公司等FRP制品廠家都開發了自己的FRP桿產品，并得到了比較廣泛的應用。CTC公司主要研制FRP輸電導線，但也開發了FRP輸電塔。目前，美國已制定了相關的產品標準，美國土木工程師學會也己經制定了輸電桿塔中FRP產品的應用標準。
    而同在北美的加拿大，對FRP桿應用的興趣卻沒有美國濃厚，其主要原因在于對FRP桿抗紫外線老化性能缺乏信心。
    我國在20世紀50年代對GFRP桿進行過研究，但由于當時的材料性能和制造工藝方面的原因，還不能滿足輸電桿塔所要求的一些性能指標，因此，未能得到推廣使用，電力行業和各FRP制品研究開發與生產單位也未對FRP桿產品給予足夠的重視。近些年，由于老舊輸電線路中傳統混凝土電桿耐久性差的缺陷逐步顯露出來，電力行業對FRP桿也表現出了一定的興趣。因此，輸電桿塔制造廠家也開始了在我國輸電工程中應用FRP桿的探索性研究。
3.3電桿的加固修復
    纖維布或預成型板等片材、FRP筋材和型材等是良好的結構加固修復材料，近10年在建筑與橋梁等土木工程結構加固修復中得到廣泛應用。玻璃纖維布或碳纖維布的結構適應性和材料性能優良，施工方便，是架空輸電線路桿塔結構加固修復的理想材料。美國和加拿大正在開發木質桿的FRP加固修復技術，我國也己研究開發了玻璃纖維和碳纖維布加固修復混凝土桿的技術，并己在電網改造中得到比較廣泛的應用。
4 FRP在我國輸電桿塔中的應用前景
   電桿在架空線路工程中的應用非常廣泛，數量巨大，其市場需求的潛力非常可觀，全僅北美和歐洲的年市場需求量就達190億美元。隨著我國經濟的高速發展，電力需求愈來愈大，電力供應日趨緊張。為解決我國的電力能源配置問題，我國正在實施1000 kV特高壓輸電、“西電東送，和“全國聯網”戰略以及新一輪的城鄉網改造等重大工程，這些工程迫切需要研究開發低成木高性能的輸電桿塔結構。因此，FRP桿在輸電工程中將有著廣闊的應用前景。
   目前，從需求和技術的角度來看，FRP桿塔應用于我國輸電行業的條件己基本成熟。但制約這種新材料輸電桿塔的主要因素，是其初期投入成本較高以及材料抗老化性能在短時間內還難以得到證實等。但如果從桿塔結構在減輕質量、降低基礎成本以及運行維護的全壽命過程方面進行成本分析，不難看出FRP桿的性價比具有明顯的優越性。
4.1幾種材料電桿的性能與經濟指標比較
    在輸電線路的經濟分析中，通常注重建設期間的費用投資，往往忽視了結構全壽命過程費用（Life Cycle Cost, LCC）的分析，這里主要指線路桿塔的維護費用。隨著經濟、技術與管理的發展，人們越來越傾向于采用包括運行維護在內的結構全壽命過程的經濟、技術以及環境影響等綜合指標來評價架空輸電線路桿塔結構。隨著輸電網建設規模的不斷擴大，輸電線路結構的運行維護問題將日益突出，線路結構的綜合費用效益分析將逐步受到重視。為保證供電可靠性，輸電線路應盡可能采用在使用期內免維護或少維護的電力設施。
    表1是木質桿、鋼管桿、混凝土桿和FRP桿的全壽命成本分析比較。由于木質桿和FRP桿目前主要應用于美國，因此，表中成本以美元為貨幣計算單位，按美國標準5類10.16 m（40英尺）長的電桿進行比較。表中成本計算不含建設和維修期間的運輸、安裝和報廢處理成本。
    結構質量是結構經濟性的重要指標之一。FRP桿塔比木質桿、混凝土桿和鋼管桿質量輕，可以大幅降低運輸成本和施工人工成本。FRP架空線路電桿基本不需要維護，壽命長達80年,其優良的維護性能是其它材料無法相比的。從表1可以看出，FRP桿與目前廣泛應用的各種材料桿相比，盡管首次投入成本較高，但其綜合性價比要優越得多。
4.2應用FRP桿塔應考慮的一些特殊問題
    輸電線路跨越距離長，長期處于各種復雜的自然環境和氣象條件下，輸電桿塔必須滿足強度、剛度、抗疲勞、耐久性等性能要求。同時，輸電桿塔作為輸電導線的支撐結構，必須滿足必要的電氣性能要求。因此，FRP桿塔在用于輸電線路時有以下幾個問題需要特別注意：
    (1)剛度問題。由于FRP彈性模量在25-50GPa之間，與混凝土相近，但比鋼材低得多，因此，受彎曲荷載作用下變形較大。桿塔過大的變形將影響輸電線的電氣安全距離。因此，應在設計過程中考慮電桿的剛度問題。
    (2)節點連接問題。節點連接是FRP應用于塔架結構的關鍵問題，應研究開發有效的節點連接技術。
    (3)熱穩定性問題。輸電桿塔運行的環境一般比較惡劣，尤其在高熱與高寒地區，樹脂材料的熱穩定性非常重要。
    (4)老化問題。輸電桿塔老化破壞可能引起輸電線路的停電事故。FRP桿的樹脂基體受紫外線影響容易老化，這是制約FRP桿應用的重要因素。
    (5)環境問題。FRP桿盡管是一種性能優越的產品，但FRP的生產和報廢處理面臨一定程度的環境污染問題，因此，在對待FRP桿時，宜視其為鹽漬土地區、沿海地區、山區、高寒高濕和人為破壞嚴重地區等特殊地區傳統輸電桿塔的理想替代產品。
5結語
    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，結構質量和成本將進一步降低，其技術性能、經濟性、環境影響等綜合效益將得到充分體現。可以預言，FRP將逐漸在架空輸電線路桿塔中得到廣泛的應用。

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