发布时间 : 星期一 文章复合材料杆塔中的工程应用 - 图文更新完毕开始阅读1022062a90c69ec3d5bb75ca
1）节点方案的选择
表4.1 FH35塔节点方案对比表
节点型式 优点 缺点 杆体受拉侧螺杆与管壁粘结的可靠度低.；对于径厚比节点构造简单，便于现场拼装 较大主杆结构，预埋螺栓易导致接头管壁劈裂。 插接段采用胶接连接，现场施连接可靠度高 工质量难以保证；螺栓穿孔结构破坏纤维连续性，杆体易发生局部撕裂。 套筒结构控制杆体变形，避免疲劳失效；现场组装方便
2）节点方案的优化 （1）节点的优化
构造复杂，节点单重大 由于金属套筒与管壁为粘结连接，因此结构胶层的抗剪强度将直接决定着节点的可靠性。本文利用ANSYS有限元程序，选取套筒长度0.35m~0.65m间隔0.05m共七个方案进行对比优化。其中，金属套筒及结构胶采用solid45单元进行模拟，玻璃钢杆体采用solid46层状单元进行模拟。
有限元计算的结果显示出，随着套筒长度增加，尽管包括套筒、加劲肋、法兰盘在内的节点重量呈线性增加，但胶层的剪应力逐渐降低，当套筒长度增加至0.5m时，其基本维持在7.27MPa~7.62MPa之间，低于材料考虑老化后的设计强度7.86MPa，如图4.6所示。以上结果说明当套筒长度增加到一定范围后，其对提高节点连接强度的贡献将趋于稳定，继续增加长度意义不大。故本塔最终采用0.5m套筒方案，其受力及经济性均满足工程要求。
图4.6 胶层剪应力与套筒高度关系曲线
真型测试的结果显示出，玻璃钢杆体及金属套筒的应变荷载曲线基本成线性变化，材料处于线弹性阶段，如图4.7和图4.8所示。换算为应力后，玻璃钢接头处应力为47MPa，金属套筒应力为148MPa，与有限元分析结果相吻合，说明了该计算模型及分析方法的准确性。
图4.7 玻璃钢应变荷载曲线 图4.8 金属套筒应变荷载曲线 （2）变形的控制
变形控制主要包括两个方面：杆塔的整体挠度及套筒的局部变形。计算结果显示，随着套筒长度的增加，节点刚度增加，杆塔的挠度逐渐降低，0.5m较0.35m杆顶挠度下降9.3%，尽管继续增大套筒长度可进一步控制结构变形，但增大的节点刚度使上、下杆身的变形协调性显著降低，下段杆身的弯曲作用显著增加。
控制套筒的局部变形，主要是为了减少套筒与杆体间的相对变形，避免节点在往复荷载下出现结构胶层的撕裂。计算表明，当套筒变形控制在0.015mm时，胶层的拉剪强度满足设计强度的要求，为此可通过增加加劲肋高度提高套筒的抗变形能力。根据规范计算，当加劲肋为8mm厚时，其最小高度为140mm，但规范仅针对法兰盘与套筒的连接刚度进行设计，并未考虑套筒与杆体的粘结构造，故造成套筒相对变形较大为0.31mm。为此利用有限元程序，通过调节加劲肋的
布置高度，以控制套筒的局部变形，如图4.9所示。结果表明，当加劲肋高度达到套筒高度的0.6时，其变形将控制在0.01mm，减少了套筒与杆身间的相对变形。
图4.9套筒局部变形与套筒高度关系曲线
综合以上分析，本工程最终推荐金属外套筒方案，通过结构胶与杆身相连，并辅以抗扭销钉以增强节点的抗扭刚度。综合考虑结构受力及变形，优化后套筒高度为0.5m，加劲肋高度取0.6倍的套筒高度。
4.3横担连接及优化
横担作为传力的重要构件，其节点设计应遵循结构简单，传力清晰的原则。横担连接主要包括：横担与塔身的连接以及横担与金具的连接，其具体方案如下：
（1）横担与塔身的连接
在设计FH35复合材料杆塔横担与塔身的连接时，考虑了3种方案，如图4.10所示：
采用承托板支撑，利用U型环进行固定；
采用全复合材料翼型横担，利用杆壁的锥度套接连接，辅以结构胶； 采用金属套筒加转接法兰，并辅以抗扭螺杆或螺栓；
图4.10 横担节点连接方案
方案1类似于10kV电杆的横担连接方式，其优点在于结构简单，便于施工，但其偏心会导致一定的初弯曲；同时，偏心受力使承托套筒受弯，对杆壁产生局部挤压，造成应力集中。而U型环的固定方式易使横担表面在风振作用下磨损，破坏表面涂层。
方案2为全复合材料方案，避免了不同材料间的变形不协调问题，充分发挥了复合材料轻质高强的特性。但目前国内技术条件很难兼顾构件承力和外形的要求，批量化生产难度大；且胶粘的连接方式为运行后的检修更换带来了不便。
方案3的转接法兰设计使横担与塔身参考了塔身节点的连接方案，其连接可靠，但套筒与杆身为全粘接，造成检修更换的不便。
综合以上3种方案各自的特点，FH35复合材料塔横担节点最终采用金属抱箍加转接法兰的方案，并增设抗扭销钉（不穿透杆壁），增强法兰套筒与管壁间的抗扭性能。经过真型试验测试，该方案顺利通过了断线、大风等工况的测试，并经受了大风超载146%的考验，未出现任何异常。
（2）横担与金具的连接
图4.11 横担抗拉试验
横担与金具连接时采用螺纹连接并充填环氧树脂胶的方案，该方案加工方便，且抗拔能力优异。在拉力试验中（图4.11所示），其拉断力达到了193.9kN，远高于设计荷载，确保了连接的安全可靠。 5. 复合材料在格构式杆塔中的应用
除单杆复合材料杆塔外，国内也开展了格构式复合材料杆塔的应用研究。该