孫強(qiáng)，朱勇，施榮，李青文，郁杰，王育路，曹圩娣，王敏，張立明

（1.國網(wǎng)榆林供電公司，陜西榆林 719000；2.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西西安 710065；

3.江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇南通 226553；4. 西北電網(wǎng)有限公司，陜西 西安 710048；

5. 新疆送變電工程公司，新疆 烏魯木齊 830011）

目前國內(nèi)對(duì)復(fù)合材料連接的處理方式有3種：1）預(yù)埋金屬件接頭，通過金屬件接頭相連；2）特殊措施打孔，再利用金屬緊固件進(jìn)行連接；3）螺栓連接后輔以高強(qiáng)度高韌性結(jié)構(gòu)膠膠接。這些連接方法中，2）類節(jié)點(diǎn)和3）類節(jié)點(diǎn)一般均在工廠進(jìn)行，現(xiàn)場組裝質(zhì)量難以控制，并且成本較高，不適合輸電桿塔現(xiàn)場組裝要求。而1）類節(jié)點(diǎn)雖滿足現(xiàn)場組裝要求，連接方便，但由于在成型過程中預(yù)埋金屬頭，技術(shù)要求較高，開模費(fèi)用大，不利于規(guī)模生產(chǎn)[1-3]。750 kV復(fù)合橫擔(dān)塔借鑒上述3種連接方法優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合輸電桿塔具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種節(jié)點(diǎn)連接方式——套管式節(jié)點(diǎn)。復(fù)合材料主要通過套管式節(jié)點(diǎn)連接，由于塔身采用角鋼構(gòu)件，借鑒以往鋼管塔節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，橫擔(dān)端部采用十字插板，通過插板與塔身連接。復(fù)合桿塔節(jié)點(diǎn)除了受軸力影響，彎矩的影響同樣不可忽視。對(duì)于750 kV復(fù)合橫擔(dān)，法蘭膠裝高度不僅影響節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，還對(duì)電氣性能起重要作用[4-7]。本文通過計(jì)算得到橫擔(dān)各桿的軸力和彎矩，并建立單個(gè)桿件實(shí)體模型，將軸力和彎矩施加到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上[8-9]，對(duì)各桿膠裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，研究不同受力條件下，膠裝高度對(duì)膠裝結(jié)構(gòu)的影響。

1 計(jì)算模型

1.1 使用條件

新疆與西北主網(wǎng)750 kV第二通道輸變電工程實(shí)際情況和典型設(shè)計(jì)模塊規(guī)劃的復(fù)合橫擔(dān)塔，其采用“上”字型結(jié)構(gòu)，使用條件：塔高64 m，呼高39 m，水平檔距450 m，垂直檔距600 m，最大設(shè)計(jì)風(fēng)速31 m/s，最大覆冰厚度5 mm，導(dǎo)線型號(hào)LGJ-400/50（鋼芯鋁絞線）；地線型號(hào)1×19-13.0-1270（鍍鋅鋼絞線），考慮到OPGW光纜，荷載設(shè)計(jì)時(shí)按照J(rèn)LB20A—150設(shè)計(jì)。

1.2 有限元模型

考慮到復(fù)合絕緣桿件剛度小于鋼材，塔身采用傳統(tǒng)角鋼構(gòu)件，上橫擔(dān)及左右橫擔(dān)采用復(fù)合絕緣桿件。750 kV復(fù)合橫擔(dān)塔整體有限元模型如圖1所示。根據(jù)各桿件運(yùn)行時(shí)所受主要的荷載，將其分為拉索、拉管、壓管及連接輔材4類，如圖2所示。

圖1 整塔有限元模型Fig. 1 The finite element model of the whole transmission tower

圖2 橫擔(dān)各桿示意圖Fig. 2 Diagram of the cross-arm structure

1.3 節(jié)點(diǎn)連接

復(fù)合橫擔(dān)間節(jié)點(diǎn)連接形式采用套管式連接，即在復(fù)合材料型材成型后，利用膠接連接金屬件，再通過金屬件進(jìn)行螺栓連接。塔身采用角鋼構(gòu)件，借鑒以往鋼管塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，復(fù)合橫擔(dān)之間的連接如圖3所示，復(fù)合橫擔(dān)與塔身連接如圖4所示。

圖3 復(fù)合絕緣子節(jié)點(diǎn)連接圖Fig. 3 Joints of the composite insulator

2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過梁桿混合單元對(duì)整塔進(jìn)行各種工況荷載的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析復(fù)合橫擔(dān)各桿的受力，再建立復(fù)合橫擔(dān)各桿實(shí)體模型，施加相應(yīng)荷載，研究其節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度[10-12]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，復(fù)合橫擔(dān)在運(yùn)行時(shí)受力較大的構(gòu)件為拉索及壓管，相比絕緣筒與法蘭，膠黏劑的強(qiáng)度較小，而膠黏劑又對(duì)法蘭與絕緣管連接強(qiáng)度起決定作用。因此，研究膠黏劑的應(yīng)力與膠裝高度的關(guān)系對(duì)膠裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性具有重要意義。本文主要對(duì)壓管拉索及拉管的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，驗(yàn)證其強(qiáng)度。由于各結(jié)構(gòu)曲面過渡復(fù)雜，采用基于曲率的網(wǎng)格劃分技術(shù)，網(wǎng)格疏密過渡自然，確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確[13-14]。

圖4 復(fù)合橫擔(dān)與塔身連接圖Fig.4 Connection of the composite cross arm to the tower

2.1 拉索

拉索與其他桿件的連接可視為鉸接，在進(jìn)行整塔有限元計(jì)算時(shí)將其看作桿單元。拉索金具與芯棒之間采用壓接形式，其拉伸強(qiáng)度較高，在復(fù)合橫擔(dān)中充分利用了該優(yōu)勢。對(duì)拉索金具一端固定，另一端端部施加210 kN拉伸載荷，得到應(yīng)力分布云圖如圖5所示。

圖5 金具與芯棒整體應(yīng)力分布Fig. 5 Stress distribution in the metal fitting and composite core

由圖5知，在金屬環(huán)曲面過渡處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力502 MPa，小于金具的屈服應(yīng)力620 MPa。圖6是芯棒的應(yīng)力分布云圖，芯棒上的拉伸應(yīng)力176 MPa，應(yīng)力集中部位為金具與芯棒壓接處，最大應(yīng)力200 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。拉伸試驗(yàn)中，試件破壞時(shí)最大拉力為800 kN，破壞方式為芯棒抽出，遠(yuǎn)高于拉索的設(shè)計(jì)載荷。

圖6 芯棒應(yīng)力分布云圖Fig. 6 Stress distribution in the core

2.2 拉管

拉管法蘭與絕緣管采用膠裝形式，拉管在運(yùn)行中主要受拉伸作用。對(duì)拉管一端的法蘭固定，另一端的法蘭通過螺栓分別施加33 kN拉伸載荷和17 kN·m彎曲荷載，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 拉管應(yīng)力分布云圖Fig. 7 Stress distribution in the pulling tube

圖8 沿膠裝高度方向的應(yīng)力分布Fig. 8 Stress distribution along the gluing height

由圖5和圖6知，隨膠裝高度的增加，膠黏劑上的應(yīng)力逐漸變小，膠黏劑上的最大應(yīng)力為9 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。在對(duì)拉管作拉伸試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)拉力達(dá)到477 kN，螺栓被拉斷，膠裝部位完好，可見膠裝部位具備足夠應(yīng)力儲(chǔ)備。

2.3 壓管

壓管在運(yùn)行時(shí)主要受壓縮和彎曲作用，壓管法蘭與絕緣管同樣采用膠裝形式。對(duì)壓管一端法蘭固定，另一端的法蘭通過螺栓分別施加300 kN的壓縮載荷和67 kN·m的彎曲荷載，得到膠裝高度與應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 沿膠裝高度方向的應(yīng)力分布Fig. 9 Stress distribution along the gluing height

隨膠裝高度的增加，膠黏劑上應(yīng)力先減小后增加，在端部，膠黏劑受到擠壓作用，應(yīng)力比中間部分大，至中間位置，應(yīng)力變化緩慢。膠裝高度達(dá)到260 mm的位置，膠黏劑上的應(yīng)力快速增加，至膠裝最高位置，應(yīng)力達(dá)到最大值16 MPa。根據(jù)計(jì)算，絕緣筒上最大應(yīng)力為65.9 MPa。

壓管受彎曲作用計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 彎曲應(yīng)力分布圖Fig.10 Bending stress distribution in the compressing tube

圖11 沿膠裝高度方向的應(yīng)力分布Fig. 11 Stress distribution along the gluing height

隨膠裝高度的變化，膠黏劑上應(yīng)力變化緩慢，從高度達(dá)到80 mm位置開始，應(yīng)力迅速增加，至膠裝最高位置達(dá)到最大值14.7 MPa。絕緣管受彎曲作用時(shí)，應(yīng)力集中位置在膠裝最高處，絕緣筒下半部分為拉應(yīng)力，上半部分為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力73.6 MPa。

正常運(yùn)行條件下，壓管受壓縮和彎曲作用，在某些條件下如斷線或不均勻覆冰，使橫擔(dān)產(chǎn)生不平衡張力，出現(xiàn)壓管受拉情況。經(jīng)計(jì)算，斷上導(dǎo)線時(shí)壓管受到的拉力最大，其值為90 kN，相當(dāng)于所受最大壓力值的30%。

對(duì)壓管施加135 kN的拉伸荷載，得到膠裝高度與應(yīng)力關(guān)系曲線如圖12所示。

圖12 沿膠裝高度方向的應(yīng)力分布Fig. 12 Stress distribution along the gluing height

通過膠裝高度與應(yīng)力關(guān)系曲線可知壓管受到拉力較小，而當(dāng)膠裝高度達(dá)到80 mm時(shí)膠黏劑上應(yīng)力趨于穩(wěn)定，計(jì)算得到膠黏劑的最大應(yīng)力6.5 MPa，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度[15]。

3 結(jié)論

1）由拉管受拉與壓管受拉計(jì)算結(jié)果可知，拉管上膠黏劑應(yīng)力沿膠裝高度方向變化趨勢為逐步減小，而壓管在膠裝高度達(dá)到80 mm時(shí)應(yīng)力減小緩慢，趨于穩(wěn)定，即膠裝高度的增加對(duì)膠黏劑應(yīng)力影響不大，可見，壓管設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足其受拉強(qiáng)度要求。

2）壓管受壓與受彎時(shí)，膠裝位置最高處膠黏劑應(yīng)力較大，中間部分應(yīng)力變化穩(wěn)定，且應(yīng)力值較小，可知其具有一定應(yīng)力儲(chǔ)備，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）由于計(jì)算時(shí)將模型及載荷簡化，實(shí)際運(yùn)行條件下受力復(fù)雜，彎曲與壓力或拉力同時(shí)存在，因此在計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)條件的情況下，能保證足夠的裕度確保運(yùn)行安全。

[1] 楊建平. 架空輸電線路鋼管塔結(jié)構(gòu)[M]. 北京：中國電力出版社，2011.

[2] 王虎長，胡建民，趙雪靈. 玻璃鋼復(fù)合材料軸壓構(gòu)桿穩(wěn)定性分析[J]. 電力建設(shè)，2011，32（9）: 85-89.WANG Huchang，HU Jianmin，ZHAO Xueling. Stability analysis of axial compression component of FRP[J]. Electric Power Construction，2011，32（9）: 85-89（in Chinese）.

[3] 張磊，孫清，王虎長，等. E-玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 電力建設(shè)，2010，31（9）:118-121.ZHANG Lei，SUN Qing，WANG Huchang，et al. Experimental study on the mechanical properties of E-glass fiber epoxy composite material[J]. Electric Power Construction，2010，31（9）: 118-121（in Chinese）.

[4] 孫仲齊，陳關(guān)甫，黃李煙. 采用新模式復(fù)合桿塔解決輸電系統(tǒng)閃絡(luò)跳閘問題[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（10）:23-26.SUN Zhongqi，CHEN Guanfu，HUANG Liyan. Flashover and trip problems of transmission system are solvable by new mode composite tower and poles[J]. Power System and Clean Energy，2008，24（10）: 23-26（in Chinese）.

[5] 任貴清，郭振芳，李曉明，等. 雙二四添加量對(duì)復(fù)合絕緣子用硅橡膠性能影響[J]. 電瓷避雷器，2012（4）：1-4.REN Guiqing，GUO Zhenfang，LI Xiaoming，et al. The effect of 2，4 -dichlorobenzoyl peroxide additive to the property of composite insulator silicone rubber[J]. Insulators and Surge Arresters，2012（4）：1-4（in Chinese）.

[6] 張銳. 復(fù)合絕緣子用硅橡膠材料的配方設(shè)計(jì)與老化性能評(píng)估[J]. 電瓷避雷器，2012（6）：39-45.ZHANG Rui. The ingredient design and aging performance evaluation for silicone rubber of composite insulator[J].Insulators and Surge Arresters，2012（6）：39-45 （in Chinese）.

[7] 任貴清，李曉明，郭振芳，等. 硅橡膠復(fù)合絕緣子耐低溫性能研究[J]. 電瓷避雷器，2012（5）：1-4.REN Guiqing，LI Xiaoming，GUO Zhenfang，et al.Research on low temperature resistance of silicone rubber composite insulators[J]. Insulators and Surge Arresters，2012（5）：1-4（in Chinese）.

[8] 齊立忠，江文強(qiáng)，陳大斌.螺栓連接滑移對(duì)輸電鐵塔力學(xué)性能的影響研究[J].電力科學(xué)與工程，2013，29（3）:12-17.QI Lizhong，JIANG Wenqiang，CHEN Dabin. Influences of bolted joint slippage on the mechanical behaviour of transmission tower[J]. Electric Power Science and Engineering，2013，29（3）: 12-17（in Chinese）.

[9] 周志強(qiáng)，張丹丹，陳衛(wèi)忠. 輸電線路桿塔避雷器優(yōu)化配置研究[J]. 高壓電器，2013，49（2）: 62-63.ZHOU Zhiqiang，ZHANG Dandan，CHEN Weizhong.Optimal configuration of surge arresters on transmission line tower[J]. High Voltage Apparatus，2013，49（2）: 62-63（in Chinese）.

[10] 鄧世聰，劉庭，李漢明，等. 110 kV架空輸電線路復(fù)合材料桿塔的材料、電氣和機(jī)械特性試驗(yàn)[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5（3）: 36-40.DENG Shicong，LIU Ting，LI Hanming，et al. Material eletrical and mechanical characteristics tests of composite pole for 110 kV overhead transmission lines[J]. Southern Power System Technology，2011，5（3）:36-40（in Chinese）.

[11] 夏開全. 復(fù)合材料在輸電桿塔中的研究與應(yīng)用[J]. 高科技纖維及應(yīng)用，2005，30（5）: 19-23.XIA Kaiquan. Application of fiber reinforced polymer in overhead transimission pole and tower[J]. High Tech Fibers and Should，2005，30（5）: 19-23（in Chinese）.

[12] 梁清香. 有限元與MARC實(shí)現(xiàn)[M]. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[13] 馬鋼，謝金華. 110 kV、220 kV大風(fēng)區(qū)防風(fēng)偏復(fù)合絕緣子[J]. 電瓷避雷器，2012（3）：15-18.MA Gang，XIE Jinhua. The windage protection composite insulator in 110 kV and 220 kV strong wind area[J]. Insulators and Surge Arresters，2012（3）：15-18（in Chinese）.

[14] 侯建峰，馬西武，金強(qiáng). 棒形懸式復(fù)合絕緣子壓接結(jié)構(gòu)耐溫特性研究[J]. 電瓷避雷器，2012（6）：1-3.HOU Jianfeng，MA Xiwu，JIN Qiang. Research on heat resistance properties of crimping structure for rod suspension composite insulator[J]. Insulators and Surge Arresters，2012（6）：1-3（in Chinese）.

[15] 李想玉，韓曉東，張福林，等. 復(fù)合絕緣子芯棒與傘套界面膠粘劑選擇及粘接工藝的確定[J]. 電瓷避雷器，2012（6）：7-13.LI Xiangyu，HAN Xiaodong，ZHANG Fulin，et al. The selection of the interface between composite insulator core rod and housing and the determination of the bonding process[J]. Insulators and Surge Arresters，2012（6）：7-13（in Chinese）.