鋪層方式對(duì)復(fù)合橫擔(dān)中復(fù)合材料管承載力影響的研究

車(chē)勇1 李亞1 潘曉東1 郁杰2 邱勇2

1.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 新疆烏魯木齊 830011；

2.江蘇神馬電力股份有限公司 江蘇南通 226553

摘要：本文通過(guò)有限元軟件msc.marc對(duì)不同鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料管進(jìn)行屈曲分析，并對(duì)500kV復(fù)合橫擔(dān)塔進(jìn)行受力分析，得出左橫擔(dān)中支柱絕緣子所受的最大軸力和彎矩，并將軸力和彎矩分別加載至支柱絕緣子的實(shí)體模型中，計(jì)算不行鋪層結(jié)構(gòu)各層最大應(yīng)力，得出相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：支柱復(fù)合絕緣子；鋪層結(jié)構(gòu)；復(fù)合橫擔(dān)

1.引言[1]

復(fù)合橫擔(dān)作為支撐輸電線路運(yùn)行的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)鐵塔相比，由于自身絕緣性能，取消了懸垂絕緣子串，桿塔受風(fēng)載荷影響減小，呼高顯著降低，縮小了走廊寬度，使得整塔重量減輕，基礎(chǔ)作用力也相應(yīng)減小，提升了安全性能，同時(shí)具有耐腐蝕，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有免維護(hù)，可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。在特殊的地理環(huán)境和氣候條件下，將復(fù)合材料桿塔或復(fù)合橫擔(dān)替代傳統(tǒng)鋼管塔、角鋼塔及橫擔(dān)具有重要意義。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能如剛度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等都與鋪層結(jié)構(gòu)有關(guān)，支柱復(fù)合絕緣子作為構(gòu)成復(fù)合橫擔(dān)的重要元件，在復(fù)合橫擔(dān)運(yùn)行中主要受軸向壓力和彎矩作用，因此，研究支柱絕緣子鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)其承載力的影響對(duì)復(fù)合橫擔(dān)的設(shè)計(jì)及研發(fā)有著重要的意義。

2.復(fù)合絕緣管的屈曲分析[2]-[3]

復(fù)合橫擔(dān)中的支柱復(fù)合絕緣子承受壓力作用時(shí)，當(dāng)作用載荷達(dá)到或超過(guò)一定限度就會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)，在屈曲失穩(wěn)過(guò)程中，主要涉及的是一個(gè)求解特征值的問(wèn)題，特征值是一個(gè)理想狀態(tài)下的正解，可以作為一個(gè)相對(duì)保守的值，但這個(gè)值具有一定參考意義。屈曲分析具有兩個(gè)特點(diǎn)，一是計(jì)算時(shí)間短，二是產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期分析階段通過(guò)線性屈曲分析可預(yù)先知道產(chǎn)品的屈曲模態(tài)形狀。在進(jìn)行線性屈曲分析是就是要求出特征值，對(duì)于線性結(jié)構(gòu)，其方程

屈曲臨界載荷一般等于特征值乘以施加的初始載荷。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“110kV220kV輸電線路復(fù)合橫擔(dān)工程應(yīng)用研究”220kV復(fù)合橫擔(dān)中的中相支柱絕緣子，其復(fù)合絕緣管內(nèi)徑300mm，外徑320mm，長(zhǎng)度4169mm，復(fù)合絕緣管的力學(xué)性能見(jiàn)表1。給定鋪層數(shù)14層，共給出八種鋪層結(jié)構(gòu)。根據(jù)復(fù)合絕緣管一般的鋪層結(jié)構(gòu)，前兩層一般采用90°鋪層，因此前六種結(jié)構(gòu)前兩層采用90°鋪層，后面根據(jù)不同的角度組合進(jìn)行鋪層。為了進(jìn)行比較，給出結(jié)構(gòu)7全部小角度鋪層和結(jié)構(gòu)八內(nèi)外兩層采用90°鋪層，中間采用小角度鋪層，具體鋪層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表1.FR材料參數(shù)

Table1.The material properties of FRP

彈性模量 （Gpa） 泊松比 / 剪切模量 （Gpa）

Ex 35 PRxy 0.3 Gxy 16

Ey 5 PRxz 0.3 Gxz 16

Ez 5 PRyz 0.1 Gyz 3

由于復(fù)合絕緣管兩端膠裝法蘭，膠裝部分提高了絕緣管的剛度，在對(duì)絕緣管進(jìn)行屈曲分析時(shí)，對(duì)膠裝部分橫向位移進(jìn)行一定的約束，并對(duì)絕緣管一端端部固定，另一端施加軸向壓力，總壓力值5000N。通過(guò)msc.marc軟件，選用75號(hào)shell單元，采用lanczos法進(jìn)行屈曲分析。圖1是結(jié)構(gòu)4的鋪層顯示，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)4的一階模態(tài)位移云圖如圖2和圖3所示。

圖1 結(jié)構(gòu)4的鋪層

Fig.1 The layer pattern of structure 4

圖2 結(jié)構(gòu)1的一階模態(tài)位移云圖

Fig.2 The first-order model displacement of structure 1

圖3 結(jié)構(gòu)4的一階模態(tài)位移云圖

Fig.3 The first-order model displacement of structure 4

根據(jù)位移云圖，不同鋪層結(jié)構(gòu)的一階失穩(wěn)模態(tài)相近，當(dāng)絕緣管達(dá)到屈曲載荷臨界值時(shí)，中間部分出現(xiàn)破壞，符合復(fù)合支柱絕緣子受壓試驗(yàn)中的破壞形式。不同鋪層結(jié)構(gòu)的屈曲載荷相差很大，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2：屈曲分析結(jié)果

Table2.The results of bulking analysis

鋪層結(jié)構(gòu) 一階模態(tài)特征值 屈曲載荷（kN）

1 [902/（±5）6] 652.4 3262

2 [902/（±45）6] 343.4 1717

3 [902/（±60）6] 221.8 1109

4 [902/（±5/±45）3] 584.4 2922

5 [902/（±5/±60）3] 522.7 2613.5

6 [902/（±45/±60）3] 287.6 1438

7 [（±5）7] 583.7 2918.5

8 [902/（±5）5/902] 584.6 2923

從表2看出鋪層結(jié)構(gòu)1的屈曲載荷最大3262kN，結(jié)構(gòu)3的屈曲載荷最小1109kN，說(shuō)明在第一層都采用90°鋪層情況下，其它層鋪層角度越小，結(jié)構(gòu)的屈曲載荷越大。結(jié)構(gòu)7的屈曲載荷2918.5kN，小于結(jié)構(gòu)1中的3263kN，說(shuō)明最內(nèi)端采用90°鋪層比采用小角度鋪層絕緣管穩(wěn)定性提高不少。結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)8比較可知最內(nèi)端采用90°鋪層條件下，最外端采用小角度鋪層其穩(wěn)定性優(yōu)于最外端采用90°鋪層。對(duì)結(jié)構(gòu)3的屈曲載荷，取絕緣管的穩(wěn)定安全系數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)算值：

1109/4.0=277.25kN

滿足設(shè)計(jì)要求，即八種鋪層結(jié)構(gòu)均能滿足穩(wěn)定性要求。

3.整塔的受力計(jì)算[4]-[5]

對(duì)220kV復(fù)合橫擔(dān)塔進(jìn)行整體建模，塔身部分是角鋼材料，橫擔(dān)部分為復(fù)合支柱絕緣子與拉索的組合，整塔與復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)如圖4和圖5。對(duì)塔底部進(jìn)行固定，施加對(duì)復(fù)合橫擔(dān)受力影響較大的工況，即錨左下導(dǎo)線。根據(jù)工況條件，左下橫擔(dān)受力最大，其水平方向、順線路方向和豎直方向的載荷分別為：4.95kN、10.41kN和93.34kN。計(jì)算得到左下橫擔(dān)中支柱復(fù)合絕緣子的軸力為107kN，彎矩為22kN.m。整塔的變形及位移云圖見(jiàn)圖6。

圖4 整塔圖

Fig.4 The drawing of whole tower

圖5復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)圖

Fig.5 The structure of composite cross arm

圖6 變形及位移云圖

Fig.6 Deformation and displacement of whole tower

4.軸向壓力作用下不同鋪層結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算[6]

支柱復(fù)合絕緣子由絕緣管和兩端法蘭構(gòu)成，法蘭與絕緣管采用膠黏劑進(jìn)行連接。建立支柱復(fù)合絕緣子實(shí)體模型，對(duì)一端法蘭盤(pán)進(jìn)行固定，另一端施加107kN的壓力，采用有限元軟件msc.marc對(duì)不同鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，各鋪層結(jié)構(gòu)及計(jì)算得到各層最大應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3.鋪層結(jié)構(gòu)和各層最大應(yīng)力

Table3.The maximum stress in each layer

鋪層結(jié)構(gòu) 最大應(yīng)力（MPa）

第一層 第七層 第十四層

1 [（±5）7] 59.29 26.88 16.33

2 [（±30）7] 73.5 37.29 21.45

3 [902/（±5）6] 27.26 34.17 18.32

4 [902/（±5）5/902] 27.24 32.48 23.79

5 [902/（±30）6] 36.02 44.6 21.3

6 [902/（±30）5/902] 30.68 43.29 33.33

7 [（±5）6/902] 60.36 24.9 22.22

8 [902/（±30）5/（±5）] 35.23 44.91 25.74

9 [902/（±5）5/（±30）] 27.25 33.78 24.75

10 [902/（±5）5/（±60）] 27.23 32.8 28.08

根據(jù)表中的計(jì)算結(jié)果可知，最內(nèi)端使用小角度鋪層，最內(nèi)層應(yīng)力較大，與使用大角度鋪層相差明顯；在最內(nèi)端使用大角度鋪層時(shí)，中間部分采用小角度鋪層可減小中間層的應(yīng)力；當(dāng)最內(nèi)端使用大角度，中間部分使用小角度鋪層時(shí)，對(duì)最外端不同鋪層角度進(jìn)行計(jì)算，得到最外層的應(yīng)力相差不大，各應(yīng)力變化規(guī)律不明顯；無(wú)論采用哪種鋪層，最外層應(yīng)力跟其它層相比都不會(huì)很大；表3中的各層應(yīng)力均能滿足絕緣管的抗壓強(qiáng)度要求。結(jié)構(gòu)10的最外層應(yīng)力分布云圖分別見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 整體應(yīng)力分布及變形云圖（放大66倍）

Fig.7 Stress distribution in the whole insulator

圖8 最外層絕緣管局部應(yīng)力云圖

Fig.8 Stress distribution in outer layer of the tube

5.彎矩作用下不同鋪層結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算[6]

建立支柱復(fù)合絕緣子實(shí)體模型，對(duì)一端法蘭盤(pán)進(jìn)行固定，另一端施加彎曲力，使端部彎矩等效于22kN.m。對(duì)不同鋪層結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行抗彎計(jì)算，各鋪層結(jié)構(gòu)及各層最大應(yīng)力見(jiàn)表4。

表4.鋪層結(jié)構(gòu)和各層最大應(yīng)力

Table4.The maximum stress in each layer

鋪層結(jié)構(gòu) 最大應(yīng)力（MPa）

第一層 第七層 第十四層

1 [902/（±45）3/（±5）3] 81.8 47.8 73.6

2 [（±5）3/（±45）3/902] 82.6 25.2 41.15

3 [902/（±5）6] 52.37 67.2 54.65

4 [902/（±5）5/902] 51.73 69.37 44.58

5 [902/（±30）6] 81.11 59.67 50.21

6 [902/（±30）5/902] 72.97 62.04 64.4

7 [（±45）7] 93.13 47.38 42.65

8 [（±60）7] 72.93 44.06 49.64

9 [902/（±5）5/（±45）] 53.45 70.6 45.52

10 [902/（±5）5/（±60）] 52.48 70.46 38.89

通過(guò)對(duì)大量不同組合的鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗彎計(jì)算，得到如下結(jié)論：當(dāng)最內(nèi)端采用大角度，中間部分采用小角度鋪層的結(jié)構(gòu)受彎曲作用時(shí)最內(nèi)層的應(yīng)力小于中間層，且最內(nèi)層與中間層應(yīng)力相差不多，如表中結(jié)構(gòu)3、4、9、10，而其它形式的鋪層會(huì)使最內(nèi)層應(yīng)力大于中間層，且兩者相差較多，如表中結(jié)構(gòu)1、2、7、8；當(dāng)最內(nèi)端采用大角度，中間部分采用小角度鋪層時(shí)，最外層的應(yīng)力與第一層接近或偏小，最外端的鋪層角度對(duì)最外層應(yīng)力影響規(guī)律不明顯；當(dāng)復(fù)合絕緣管第一層應(yīng)力大于其它層應(yīng)力較多時(shí)，在抗彎試驗(yàn)中，隨著加載的彎矩越來(lái)越大，第一層首先發(fā)生破壞，即內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)絕緣管鋪層時(shí)，應(yīng)盡可能使絕緣管各層受力均勻，提高其承載力。對(duì)不同鋪層結(jié)構(gòu)的支柱絕緣子一端固定，另一端施加22kN.m的彎矩，得到不同層的最大應(yīng)力如表所示，表中的最大彎曲應(yīng)力為93.13MPa，遠(yuǎn)小于絕緣管抗彎強(qiáng)度400MPa。在對(duì)絕緣管做抗彎破壞試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)加載彎矩至69kN.m，絕緣子破壞，破壞形式為絕緣管被拔出，說(shuō)明現(xiàn)有絕緣管的鋪層結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求，試驗(yàn)出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象并非由鋪層結(jié)構(gòu)引起的。結(jié)構(gòu)10的最外層應(yīng)力分布云圖分別見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 整體應(yīng)力及變形云圖（放大4倍）

Fig.9 Stress distribution in the whole insulator

圖10 最外層絕緣筒局部應(yīng)力云圖

Fig.10 Stress distribution in outer layer of the tube

6.結(jié)論

（1）根據(jù)計(jì)算，對(duì)于屈曲載荷來(lái)說(shuō)，絕緣管最內(nèi)端采用大角度鋪層，其它部分采用小角度鋪層的結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定性最好。

（2）對(duì)于受壓力和彎曲作用的絕緣管最內(nèi)端宜采用大角度，中間部分宜采用小角度進(jìn)行鋪層。

（3）絕緣筒鋪層結(jié)構(gòu)各層應(yīng)力相差不能太大，防止絕緣筒在運(yùn)行時(shí)內(nèi)壁應(yīng)力大于其它層首先出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

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作者簡(jiǎn)介：

郁杰（1981），男，江蘇如皋人，工程師，研究方向?yàn)椋狠斪冸姀?fù)合桿塔研究與應(yīng)用（email）yjie@shenmapower.com