馮 炳 謝 芳李攀峰
(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 紹興供電公司,浙江 紹興312000;2.紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院,浙江 紹興312000)
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GFRP管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在輸電線路中應(yīng)用的可行性研究
馮炳1謝芳2李攀峰1
(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司,浙江紹興312000;2.紹興文理學(xué)院元培學(xué)院,浙江紹興312000)
摘要:提出了一種新型的GFRP管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),通過(guò)ANSYS有限元分析、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析,對(duì)其在城區(qū)輸電線路上的應(yīng)用進(jìn)行了可行性研究.結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)能彌補(bǔ)傳統(tǒng)材料輸電線路自立桿在承受較大荷載時(shí)的眾多缺陷,并提高線路安全運(yùn)行等級(jí),降低施工難度,在城區(qū)輸電線路中應(yīng)用具有一定的可行性.作者還提出了GFRP管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在城區(qū)輸電線路中推廣應(yīng)用需解決連接問(wèn)題與材料老化等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題.
關(guān)鍵詞:GFRP管鋼筋混凝土;輸電線路;可行性分析;有限元分析
近年來(lái),我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,電力供應(yīng)日趨緊張.尤其在東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),城市用電量急劇增加導(dǎo)致低電壓線路的輸送容量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)和人民群眾用電的要求,許多地區(qū)迫切需要在城區(qū)內(nèi)建造大量220 kV及以上的同塔多回路輸電線路.然而,由于存在土地資源有限、線路廊道緊缺等問(wèn)題,在城區(qū)中建造一條220 kV以上同塔多回路的輸電線路顯得困難重重.
常規(guī)輸電鐵塔由于根開(kāi)較大,在寸土寸金的城區(qū)已沒(méi)有立足之地.目前城區(qū)架空輸電線路主要采用自立式輸電桿作為導(dǎo)線的支撐結(jié)構(gòu).自立式輸電桿根據(jù)其主桿材料不同,可分為木桿、水泥桿、鋼管桿和復(fù)合材料桿.木桿和水泥桿由于材料強(qiáng)度的限制,很少被采用在荷載較大的高電壓等級(jí)線路中.鋼管桿(圖1)由于其強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于城區(qū)輸電線路中.但是由于鋼管構(gòu)件受徑厚比和層狀撕裂等問(wèn)題的限制,在承受較大荷載時(shí)需采用雙桿甚至四桿(圖2),導(dǎo)致工程造價(jià)、基礎(chǔ)占地以及線路走廊均大幅增加;此外鋼材的導(dǎo)電性也容易引發(fā)各種閃絡(luò)事故.復(fù)合材料(圖3)作為一種新型輸電線路
圖1 常規(guī)輸電鐵塔 圖2 鋼管桿 圖3 復(fù)合材料桿
桿塔材料在近幾年里備受關(guān)注,它具有電氣絕緣性能好、材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕等特點(diǎn).但復(fù)合材料的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材,在較大荷載作用下桿塔變形過(guò)大易引發(fā)運(yùn)行事故.由上可知,傳統(tǒng)材料輸電線路自立桿在承受較大荷載時(shí)均存在一定的問(wèn)題,已經(jīng)無(wú)法滿足城區(qū)輸電線路向高電壓、多回路方向發(fā)展需要,因此迫切需要找到一種新型材料建造城區(qū)輸電線路自立桿的主桿.
1GFRP管鋼筋混凝土自立桿的提出
GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)管鋼筋混凝土組合構(gòu)件是在GFRP管內(nèi)預(yù)先架立好鋼筋,再向管內(nèi)澆筑混凝土從而形成的一種新型組合構(gòu)件.它表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn):
(1)組合構(gòu)件利用GFRP管約束核心混凝土使其處于三向受壓狀態(tài),改善了構(gòu)件的極限承載能力、變形能力和抗震性;
(2)GFRP管能夠限制混凝土內(nèi)部斜裂縫的發(fā)展,從而改善鋼筋延性、提高構(gòu)件的斜截面抗剪承載能力和粘接強(qiáng)度;
(3)GFRP管自身防腐蝕性能好,可保護(hù)管內(nèi)鋼筋和混凝土免受外界侵蝕;
(4)內(nèi)部澆筑的混凝土對(duì)GFRP管局部屈曲提供積極作用,可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,使構(gòu)件的抗彎剛度和承載力有一定程度的提高[1-4].
采用GFRP管鋼筋混凝土組合構(gòu)件作為主桿的輸電桿,GFRP管約束核心鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)形式有利于輸電桿承載力和抗變形能力大幅提高,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)材料輸電線路自立桿在承受較大荷載時(shí)的眾多缺陷;同時(shí)該組合構(gòu)件保留了復(fù)合材料較好的絕緣性能和高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),解決了架空線路污穢閃絡(luò)、雷擊閃絡(luò)以及風(fēng)偏閃絡(luò)等問(wèn)題;另外,GFRP材料的密度是鋼材的1/3左右,其構(gòu)件自重遠(yuǎn)小于鋼管,因此GFRP管鋼筋混凝土自立桿的施工難度也要小于傳統(tǒng)鋼管桿.
2GFRP管鋼筋混凝土自立桿電氣規(guī)劃
以某城區(qū)220 kV雙回路輸電線路為例,導(dǎo)線采用2×LGJ-630/40,地線采用JLB20A-120.導(dǎo)線安全系數(shù)分別取4.5和6.0,設(shè)計(jì)氣象條件為:基本風(fēng)速33.0 m/s、覆冰5 mm.設(shè)計(jì)水平檔距250 m,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角60°~90°.
塔頭布置的基本要求是保證導(dǎo)線與地線、導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與桿塔構(gòu)件、導(dǎo)線與運(yùn)行檢修人員之間的必要電氣間隙.由于GFRP管鋼筋混凝土自立桿外部均采用絕緣的復(fù)合材料,無(wú)需考慮導(dǎo)線與桿塔構(gòu)件之間的電氣間隙.因此其塔頭尺寸可以大幅壓縮,即減小塔頭高度以及走廊寬度.常規(guī)鋼管桿與GFRP管鋼筋混凝土自立桿塔頭尺寸如圖4所示.由圖4可知,GFRP管鋼筋混凝土自立桿塔頭尺寸完全由導(dǎo)線間距與導(dǎo)地線間距控制,其層高可以壓縮至3.5 m,因此其塔頭高度比常規(guī)鋼管桿降低5 m左右;單側(cè)橫擔(dān)寬度可壓縮至3 m,走廊寬度壓縮至(3+5)×2=16 m,比常
規(guī)鋼管桿減小6 m.
3GFRP管鋼筋混凝土自立桿結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[5](GB56608—2010)的規(guī)定,F(xiàn)RP圓管混凝土偏心受壓構(gòu)件正截面承載力應(yīng)按以下公式計(jì)算,并應(yīng)避免FRP管受拉區(qū)破壞:
NNsc+Nfc+Nc-Nst-Nft;
(1)
MMst+Mft+Msc+Mc;
(2)
M=N·ei;
(3)
ei=e0+ea.
(4)
式中:
Nst,Mst為受拉鋼筋合力及其對(duì)截面中心的力矩;Nft,Mft為受拉FRP合力及其對(duì)截面中心的力矩;
Nsc,Msc為受壓鋼筋合力及其對(duì)截面中心的力矩;Nfc,Mfc為受壓FRP合力及其對(duì)截面中心的力矩;
Nc,Mc為受壓混凝土合力及其對(duì)截面中心的力矩;Nst,Mst為受拉鋼筋合力及其對(duì)截面中心的力矩.
3.2.1工況分析
輸電線路桿塔主要工況有:大風(fēng)、覆冰、斷線、安裝等.其中對(duì)于耐張桿,主桿受力主要由導(dǎo)地線張力控制,因此設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮:(1)導(dǎo)地線張力最大的覆冰工況,此時(shí)主桿所受的彎矩最大;(2)導(dǎo)地線前后張力差較大的斷線工況,此時(shí)主桿所受的扭矩最大.各工況下導(dǎo)地線荷載如表1所示.
表1各工況導(dǎo)地線荷載 kN
類 型低 溫?cái)?線長(zhǎng)期荷載導(dǎo)線掛點(diǎn)荷載FX95.1455.1070.15FY0.0093.110.00FZ72.5260.1772.52地線掛點(diǎn)荷載FX37.1537.1534.14FY0.000.000.00FZ25.3125.3125.31
3.2.2ANSYS建模
GFRP材料為各向異性材料,因yy此采用solid 45單元進(jìn)行模擬.solid 45單元用于模擬三維實(shí)體結(jié)構(gòu),單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著x、y和z方向平移的自由度.單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力,能夠很好地模擬各向異性材料[6].
混凝土為非線性材料,采用solid 65單元進(jìn)行模擬.Solid 65單元需要8個(gè)節(jié)點(diǎn)定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具x、y和z 三個(gè)方向的線位移,可以模擬含有鋼筋或是不含鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu).GFRP管鋼筋混凝土有限元模型如圖5所示.
3.2.3分析結(jié)果
對(duì)GFRP管鋼筋混凝土自立桿進(jìn)行了上述工況下的有限元分析,變形如圖6所示.同時(shí),對(duì)純GFRP管自立桿在相同荷載下的受力進(jìn)行了有限元分析,計(jì)算及對(duì)比結(jié)果如表2所示.由表2可知,低溫工況使GFRP管鋼筋混凝土自立桿桿塔受到彎曲作用,桿頂位移347 mm,桿塔撓度約為7‰h,h為桿塔全高,此處h=50 m,桿塔抗彎剛度較好;在斷線工況下GFRP管鋼筋混凝土自立桿桿塔受到扭轉(zhuǎn)作用.橫擔(dān)端部縱向位移為223 mm,橫擔(dān)撓度約為18.6‰L,L為單側(cè)橫擔(dān)長(zhǎng)度,此處L=12 m,桿塔抗扭剛度較好.
表2自立桿在不同工況的有限元計(jì)算結(jié)果
類 型項(xiàng) 目低 溫?cái)?線長(zhǎng)期荷載GFRP管鋼筋混凝土自立桿最大位移/mm347223269最大應(yīng)力/MPa369254278純GFRP管自立桿最大位移/mm491312367最大應(yīng)力/MPa558376409
長(zhǎng)期效應(yīng)組合工況使GFRP管鋼筋混凝土自立桿桿塔受到彎曲作用,塔頂最大位移269 mm,桿塔撓度約為5.4‰h,h為桿塔全高50 m,滿足《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的7‰h的要求[7].
同時(shí)由計(jì)算結(jié)果可知,GFRP管鋼筋混凝土自立桿相比純GFRP管自立桿,其各工況下的桿頂位移減小40%以上,應(yīng)力減小50%以上.說(shuō)明GFRP管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大大改進(jìn)了輸電線路自立桿的剛度與受力性能.
4技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
y根據(jù)本文2.1節(jié)的設(shè)計(jì)條件,我們對(duì)鋼管、鋼管混凝土、純GFRP材料以及GFRP管鋼筋混凝土四種結(jié)構(gòu)的輸電線路自立桿進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較.比較結(jié)果如表3所示.由表3可知,GFRP管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各方面指標(biāo)均較優(yōu),在城區(qū)輸電線路自立桿中應(yīng)用具有一定的可行性.
表3不同主桿結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
主桿結(jié)構(gòu)主桿造價(jià)(鋼管為1)走廊寬度/m基礎(chǔ)造價(jià)(鋼管為1)施工難度桿頂位移鋼管1.00221.00難符合規(guī)范要求鋼管混凝土1.10221.20難符合規(guī)范要求GFRP1.20160.90易較難符合規(guī)范要求GFRP管鋼筋混凝土0.95161.00易符合規(guī)范要求
5GFRP管鋼筋混凝土自立桿推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
GFRP材料與金屬材料性能差別較大[8-9],不易直接在其上面打孔,傳統(tǒng)的螺栓連接并不適合該結(jié)構(gòu).因此,GFRP主桿與主桿之間的連接以及主桿與橫擔(dān)之間的連接方式的選擇,是GFRP管鋼筋混凝土自立桿推廣應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題.
GFRP在太陽(yáng)輻射、風(fēng)吹雨打、高溫潮濕等作用下,其機(jī)械強(qiáng)度會(huì)下降[10],容易引起輸電線路事故,這也是制約GFRP管鋼筋混凝土自立桿推廣應(yīng)用的重要因素.因此,如何提高GFRP材料的抗老化能力,也是GFRP管混凝土自立桿的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題.
6結(jié)論與建議
(1)GFRP管鋼筋混凝土組合構(gòu)件作為主桿的輸電桿,可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)材料輸電線路自立桿在承受較大荷載時(shí)的很多缺陷,還可以解決架空線路污穢閃絡(luò)、雷擊閃絡(luò)以及風(fēng)偏閃絡(luò)等問(wèn)題,同時(shí)降低施工難度.
(2)通過(guò)有限元計(jì)算分析可知,GFRP管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大幅改進(jìn)了輸電線路自立桿的剛度與受力性能.
(3)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的結(jié)果表明,GFRP管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各方面指標(biāo)均較優(yōu),在城區(qū)輸電線路自立桿中應(yīng)用具有一定的可行性.
(4)GFRP管鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在輸電線路中的應(yīng)用推廣尚需解決構(gòu)件連接與材料老化等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題.
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(責(zé)任編輯鄧穎)
On Feasibility of Reinforced Concrete Filled GFRP Tube Structure
in Transmission Lines in Urban Areas
Feng Bing1Xie Fang2Li Panfeng1
(1. State Grid Shaoxing Power Supply Company, Shaoxing, Zhejiang 312000;
2. Yuanpei College, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)
Abstract:A new reinforced concrete filled GFRP tube structure is proposed, and its feasibility in the application of transmission lines in urban areas is analyzed by ANSYS finite element analysis and technical-economic comparison. The results show that the structure can make up for the defects when the self-reliance lever of traditional material transmission lines is under high load, and improve the safety operation level of the circuit, reduce the construction difficulty, thus having a certain feasibility in the application of transmission lines in urban areas. Additionally, the paper maintains that such key technical problems as connection and material ageing should be solved before GFRP tube reinforced concrete structures are applied in urban transmission lines.
Key words:reinforced concrete filled GFRP tube; transmission line; feasibility analysis; finite element analysis
中圖分類號(hào):TM753;TU32
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1008-293X(2015)10-79-05
doi:10.16169/j.issn.1008-293x.k.2015.10.17
*收稿日期:2015-09-18基金項(xiàng)目:國(guó)家電網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目;浙江省建設(shè)廳科研項(xiàng)目.
作者簡(jiǎn)介:馮炳(1982-),男,浙江紹興人,碩士,高級(jí)工程師,主要從事輸電線線路設(shè)計(jì)工作.