GFRP管钢筋混凝土结构在输电线路中应用的可行性研究

冯　炳　谢　芳李攀峰

(1.国网浙江省电力公司　绍兴供电公司，浙江　绍兴312000；2．绍兴文理学院　元培学院，浙江　绍兴312000)



GFRP管钢筋混凝土结构在输电线路中应用的可行性研究

冯炳1谢芳2李攀峰1

(1.国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江绍兴312000；2．绍兴文理学院元培学院，浙江绍兴312000)

摘要：提出了一种新型的GFRP管钢筋混凝土结构，通过ANSYS有限元分析、技术经济比较分析，对其在城区输电线路上的应用进行了可行性研究.结果表明，该结构能弥补传统材料输电线路自立杆在承受较大荷载时的众多缺陷，并提高线路安全运行等级，降低施工难度，在城区输电线路中应用具有一定的可行性.作者还提出了GFRP管钢筋混凝土结构在城区输电线路中推广应用需解决连接问题与材料老化等关键技术问题.

关键词：GFRP管钢筋混凝土；输电线路；可行性分析；有限元分析

近年来，我国国民经济飞速发展，电力供应日趋紧张.尤其在东部经济发达地区，城市用电量急剧增加导致低电压线路的输送容量已远远不能满足企业和人民群众用电的要求，许多地区迫切需要在城区内建造大量220 kV及以上的同塔多回路输电线路.然而，由于存在土地资源有限、线路廊道紧缺等问题，在城区中建造一条220 kV以上同塔多回路的输电线路显得困难重重.

常规输电铁塔由于根开较大，在寸土寸金的城区已没有立足之地.目前城区架空输电线路主要采用自立式输电杆作为导线的支撑结构.自立式输电杆根据其主杆材料不同，可分为木杆、水泥杆、钢管杆和复合材料杆.木杆和水泥杆由于材料强度的限制，很少被采用在荷载较大的高电压等级线路中.钢管杆(图1)由于其强度高、结构简单、造型美观等优点被广泛应用于城区输电线路中.但是由于钢管构件受径厚比和层状撕裂等问题的限制，在承受较大荷载时需采用双杆甚至四杆(图2)，导致工程造价、基础占地以及线路走廊均大幅增加；此外钢材的导电性也容易引发各种闪络事故.复合材料(图3)作为一种新型输电线路

图1　常规输电铁塔　　　　　　　　 图2　钢管杆　　　　　　　　 　图3　复合材料杆

杆塔材料在近几年里备受关注，它具有电气绝缘性能好、材料强度高、质量轻、耐腐蚀等特点.但复合材料的刚度要远远小于钢材，在较大荷载作用下杆塔变形过大易引发运行事故.由上可知，传统材料输电线路自立杆在承受较大荷载时均存在一定的问题，已经无法满足城区输电线路向高电压、多回路方向发展需要，因此迫切需要找到一种新型材料建造城区输电线路自立杆的主杆.

1GFRP管钢筋混凝土自立杆的提出

GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)管钢筋混凝土组合构件是在GFRP管内预先架立好钢筋，再向管内浇筑混凝土从而形成的一种新型组合构件.它表现出以下优点：

(1)组合构件利用GFRP管约束核心混凝土使其处于三向受压状态，改善了构件的极限承载能力、变形能力和抗震性；

(2)GFRP管能够限制混凝土内部斜裂缝的发展，从而改善钢筋延性、提高构件的斜截面抗剪承载能力和粘接强度；

(3)GFRP管自身防腐蚀性能好，可保护管内钢筋和混凝土免受外界侵蚀；

(4)内部浇筑的混凝土对GFRP管局部屈曲提供积极作用，可增强结构稳定性，使构件的抗弯刚度和承载力有一定程度的提高[1-4].

采用GFRP管钢筋混凝土组合构件作为主杆的输电杆，GFRP管约束核心钢筋混凝土的结构形式有利于输电杆承载力和抗变形能力大幅提高，弥补了传统材料输电线路自立杆在承受较大荷载时的众多缺陷；同时该组合构件保留了复合材料较好的绝缘性能和高耐腐蚀性等优点，解决了架空线路污秽闪络、雷击闪络以及风偏闪络等问题；另外，GFRP材料的密度是钢材的1/3左右，其构件自重远小于钢管，因此GFRP管钢筋混凝土自立杆的施工难度也要小于传统钢管杆.

2GFRP管钢筋混凝土自立杆电气规划

2.1　基本设计条件

以某城区220 kV双回路输电线路为例，导线采用2×LGJ-630/40，地线采用JLB20A-120.导线安全系数分别取4.5和6.0，设计气象条件为：基本风速33.0 m/s、覆冰5 mm.设计水平档距250 m，设计转角60°～90°.

2.2　塔头间隙

塔头布置的基本要求是保证导线与地线、导线与导线、导线与杆塔构件、导线与运行检修人员之间的必要电气间隙.由于GFRP管钢筋混凝土自立杆外部均采用绝缘的复合材料，无需考虑导线与杆塔构件之间的电气间隙.因此其塔头尺寸可以大幅压缩，即减小塔头高度以及走廊宽度.常规钢管杆与GFRP管钢筋混凝土自立杆塔头尺寸如图4所示.由图4可知，GFRP管钢筋混凝土自立杆塔头尺寸完全由导线间距与导地线间距控制，其层高可以压缩至3.5 m，因此其塔头高度比常规钢管杆降低5 m左右；单侧横担宽度可压缩至3 m，走廊宽度压缩至(3+5)×2=16 m，比常

规钢管杆减小6 m.

3GFRP管钢筋混凝土自立杆结构分析

3.1　构件计算方法

根据《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》[5](GB56608—2010)的规定，FRP圆管混凝土偏心受压构件正截面承载力应按以下公式计算，并应避免FRP管受拉区破坏：

NNsc+Nfc+Nc-Nst-Nft；

(1)

MMst+Mft+Msc+Mc；

(2)

M=N·ei；

(3)

ei=e0+ea.

(4)

式中：

Nst,Mst为受拉钢筋合力及其对截面中心的力矩；Nft,Mft为受拉FRP合力及其对截面中心的力矩；

Nsc,Msc为受压钢筋合力及其对截面中心的力矩；Nfc,Mfc为受压FRP合力及其对截面中心的力矩；

Nc,Mc为受压混凝土合力及其对截面中心的力矩；Nst,Mst为受拉钢筋合力及其对截面中心的力矩.

3.2　ANSYS数值模拟

3.2.1工况分析

输电线路杆塔主要工况有：大风、覆冰、断线、安装等.其中对于耐张杆，主杆受力主要由导地线张力控制，因此设计时主要考虑：(1)导地线张力最大的覆冰工况，此时主杆所受的弯矩最大；(2)导地线前后张力差较大的断线工况，此时主杆所受的扭矩最大.各工况下导地线荷载如表1所示.

表1各工况导地线荷载 kN

类 型低 温断 线长期荷载导线挂点荷载FX95.1455.1070.15FY0.0093.110.00FZ72.5260.1772.52地线挂点荷载FX37.1537.1534.14FY0.000.000.00FZ25.3125.3125.31

3.2.2ANSYS建模

GFRP材料为各向异性材料，因yy此采用solid 45单元进行模拟.solid 45单元用于模拟三维实体结构，单元具有8个节点，每个节点有3个沿着x、y和z方向平移的自由度.单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，能够很好地模拟各向异性材料[6].

混凝土为非线性材料，采用solid 65单元进行模拟.Solid 65单元需要8个节点定义，每个节点均具x、y和z 三个方向的线位移，可以模拟含有钢筋或是不含钢筋的混凝土结构.GFRP管钢筋混凝土有限元模型如图5所示.

3.2.3分析结果

对GFRP管钢筋混凝土自立杆进行了上述工况下的有限元分析，变形如图6所示.同时，对纯GFRP管自立杆在相同荷载下的受力进行了有限元分析，计算及对比结果如表2所示.由表2可知，低温工况使GFRP管钢筋混凝土自立杆杆塔受到弯曲作用，杆顶位移347 mm，杆塔挠度约为7‰h，h为杆塔全高,此处h=50 m，杆塔抗弯刚度较好;在断线工况下GFRP管钢筋混凝土自立杆杆塔受到扭转作用.横担端部纵向位移为223 mm，横担挠度约为18.6‰L，L为单侧横担长度,此处L=12 m，杆塔抗扭刚度较好.

表2自立杆在不同工况的有限元计算结果

类 型项 目低 温断 线长期荷载GFRP管钢筋混凝土自立杆最大位移/mm347223269最大应力/MPa369254278纯GFRP管自立杆最大位移/mm491312367最大应力/MPa558376409

长期效应组合工况使GFRP管钢筋混凝土自立杆杆塔受到弯曲作用，塔顶最大位移269 mm，杆塔挠度约为5.4‰h，h为杆塔全高50 m，满足《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》的7‰h的要求[7].

同时由计算结果可知，GFRP管钢筋混凝土自立杆相比纯GFRP管自立杆，其各工况下的杆顶位移减小40%以上，应力减小50%以上.说明GFRP管钢筋混凝土结构大大改进了输电线路自立杆的刚度与受力性能.

4技术经济分析

y根据本文2.1节的设计条件，我们对钢管、钢管混凝土、纯GFRP材料以及GFRP管钢筋混凝土四种结构的输电线路自立杆进行技术经济比较.比较结果如表3所示.由表3可知，GFRP管钢筋混凝土结构的各方面指标均较优，在城区输电线路自立杆中应用具有一定的可行性.

表3不同主杆结构技术经济比较

主杆结构主杆造价(钢管为1)走廊宽度/m基础造价(钢管为1)施工难度杆顶位移钢管1.00221.00难符合规范要求钢管混凝土1.10221.20难符合规范要求GFRP1.20160.90易较难符合规范要求GFRP管钢筋混凝土0.95161.00易符合规范要求

5GFRP管钢筋混凝土自立杆推广应用的关键技术问题

5.1　构件连接问题

GFRP材料与金属材料性能差别较大[8-9]，不易直接在其上面打孔，传统的螺栓连接并不适合该结构.因此，GFRP主杆与主杆之间的连接以及主杆与横担之间的连接方式的选择，是GFRP管钢筋混凝土自立杆推广应用亟需解决的关键技术问题.

5.2　GFRP材料抗老化问题

GFRP在太阳辐射、风吹雨打、高温潮湿等作用下，其机械强度会下降[10]，容易引起输电线路事故，这也是制约GFRP管钢筋混凝土自立杆推广应用的重要因素.因此，如何提高GFRP材料的抗老化能力，也是GFRP管混凝土自立杆的关键技术问题.

6结论与建议

(1)GFRP管钢筋混凝土组合构件作为主杆的输电杆，可以弥补传统材料输电线路自立杆在承受较大荷载时的很多缺陷，还可以解决架空线路污秽闪络、雷击闪络以及风偏闪络等问题，同时降低施工难度.

(2)通过有限元计算分析可知，GFRP管钢筋混凝土结构大幅改进了输电线路自立杆的刚度与受力性能.

(3)技术经济比较的结果表明，GFRP管钢筋混凝土结构的各方面指标均较优，在城区输电线路自立杆中应用具有一定的可行性.

(4)GFRP管钢筋混凝土结构在输电线路中的应用推广尚需解决构件连接与材料老化等关键技术问题.

参考文献:

[1]谢启芳,郑培君,薛建阳,等.FRP管混凝土组合柱的研究现状与展望[J].四川建筑科学研究,2012,38(3):24-29.

[2]陈百玲,秦国鹏,王连广.GFRP管钢筋混凝土组合构件抗弯承载力计算[J].混凝土,2010(9):17-20.

[3]李斌.FRP管-混凝土-钢管组合结构拱桥的研究应用[D].武汉：华中科技大学,2012.

[4]王娟.FRP管混凝土轴压短柱承载力研究[D].西安：长安大学,2012.

[5]GB56608—2010纤维增强复合材料建设工程应用技术规范[S].北京：人民出版社,2010.

[6]张朝晖.ANSYS11.0结构工程应用实例解析[M].2版.北京：机械工业出版社

[7]DL/T5154—2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京：中国电力出版社,2012

[8]杨敏祥,陈原,李卫国,等.复合材料杆塔研究现状及关键技术问题[J].华北电力技术,2010(10):48-50.

[9]任宗栋,刘泉,默增禄.纤维增强复合材料输电杆塔节点设计及优化[J].电力建设,2011,32(4):87-91.

[10]张平,龙玉成,孙清,等.输电杆塔玻璃钢纤维增强复合材料抗老化性试验研究[J].电力建设,2012,33(9):67-71.

(责任编辑邓颖)

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

中图分类号：TM753;TU32

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2015)10-79-05

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2015.10.17

*收稿日期：2015-09-18基金项目：国家电网浙江省电力公司科技项目；浙江省建设厅科研项目.

作者简介：冯炳(1982-)，男，浙江绍兴人，硕士，高级工程师，主要从事输电线线路设计工作.