一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，該桿塔適用于110KV以下輸電線路中，所述桿塔包括彼此垂直連接的塔身和橫向構(gòu)件，所述橫向構(gòu)件包括塔身頂端的地線支架和所述地線支架下方的橫擔(dān)，所述塔身為竹節(jié)仿生形，分布有類似于竹節(jié)一樣的凸起部位，塔身的整體為竹狀，所述塔身通過竹狀復(fù)合材料管疊加而成。由于塔身為竹狀可以增加桿塔塔身的抗拉/壓剛度，抗彎剛度及轉(zhuǎn)動剛度，能有效地減小風(fēng)偏、覆冰對桿塔的影響，能增大在惡劣天氣下桿塔的穩(wěn)定性，可用于腐蝕嚴(yán)重地區(qū)，且具有造價較低、運輸、安裝、維修費用較小，減小線路走廊的優(yōu)點。
【專利說明】一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及輸電線路工程，更具體涉及一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔?！颈尘凹夹g(shù)】:
[0002]目前，輸電線路中的桿塔一般包括鐵塔和混凝土桿，其中鋼材是一種電導(dǎo)體，且質(zhì)量重和易腐蝕，所以鋼構(gòu)架并不是最理想的桿塔材料?；炷翖U質(zhì)量比鋼材更重，從而造成運輸和安裝困難，且易受環(huán)境影響。而復(fù)合材料桿塔由于其優(yōu)良的綜合性能，如強度高、重量輕、耐腐蝕、絕緣性好等特點，已經(jīng)逐步得到了應(yīng)用。
[0003]復(fù)合材料目前已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近年更是得到了飛速發(fā)展。隨著科技的發(fā)展，樹脂與玻璃纖維在技術(shù)上不斷進步，生產(chǎn)廠家的制造能力普遍提高，使得玻纖增強復(fù)合材料的價格成本已被許多行業(yè)接受。輸電線路中復(fù)合絕緣子和復(fù)合芯導(dǎo)線的成功運行，進一步拓展了復(fù)合材料在電網(wǎng)中的應(yīng)用范圍。
[0004]桿塔用的復(fù)合材料主要選用玻璃鋼復(fù)合材料，增強纖維通常選用玻璃纖維，樹脂選用熱固性樹脂體系。主要特點包括:(I)輕質(zhì)高強，拉伸、彎曲和壓縮強度均能達到400Mpa以上,密度一般小于2.2g/cm3 ;因此可降低桿塔的運輸和施工難度,提高電網(wǎng)的建設(shè)效率，特別是在運輸困難地區(qū)的應(yīng)用。(2)耐腐蝕性好，復(fù)合材料內(nèi)部樹脂固化后具有致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的耐酸、堿、鹽及有機溶劑等介質(zhì)耐蝕性能；可降低沿海及重工業(yè)區(qū)桿塔的腐蝕程度，延長桿塔使用壽命，降低桿塔維護成本。(3)復(fù)合材料桿塔具有較好的絕緣性能，在110KV及以上電壓等級線路可有效縮減線路走廊寬度(最大可壓縮30%以上)，減少風(fēng)偏事故，節(jié)約土地資源、降低輸電線路整體運營維護成本。
[0005]復(fù)合材料可以通過選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，使復(fù)合材料構(gòu)件或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足使用要求。復(fù)合材料的抗疲勞性能良好。而一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的40?50%，可某些復(fù)合材料可高達70?80%。復(fù)合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴展到纖維和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化。因此，復(fù)合材料在破壞前有預(yù)兆，可以檢查和補救。復(fù)合材料的一些特點非常適合用于桿塔結(jié)構(gòu)，不僅可以克服傳統(tǒng)的輸電桿塔普遍存在的質(zhì)量重、易腐爛、銹蝕或開裂、耐久性差、使用壽命較短等缺陷，還能有效緩解金屬或混凝土桿塔在施工運輸和運行維護中的困難。近年來，隨著國內(nèi)復(fù)合材料成本的進一步降低，復(fù)合材料制作工藝的不斷進步，復(fù)合材料桿塔的研究與應(yīng)用條件已經(jīng)具備，實現(xiàn)復(fù)合桿塔的技術(shù)儲備對電網(wǎng)運行具有重要的現(xiàn)實意義。
[0006]復(fù)合材料桿塔已在全球部分地區(qū)得到應(yīng)用，其中研制開發(fā)和應(yīng)用相對成熟的有RS和Stixmgwell等公司。RS公司開發(fā)的復(fù)合材料桿塔已在歐美地區(qū)投入使用。例如加拿大大湖電力公司在230kV輸電系統(tǒng)中安裝了大約300基門形復(fù)合材料桿塔，此外還有90基復(fù)合桿塔正在其它電壓等級輸電系統(tǒng)中投入使用。在挪威，一條長50公里的132kV輸電線路將使用170基RS公司生產(chǎn)的門形復(fù)合材料桿塔。由于復(fù)合材料模量小，復(fù)合材料單桿在受力時變形較大，采用門形的復(fù)合材料桿塔能有效減小變形，而復(fù)合材料桿塔在服役的過程中也由可能產(chǎn)生裂紋，并且裂紋隨纖維方向擴展。本發(fā)明的輸電桿塔所采用的竹節(jié)仿生結(jié)構(gòu)能夠減小復(fù)合材料單桿的變形，并且能夠利用節(jié)點阻止裂紋順纖維方向擴展。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007]本發(fā)明的目的是提供一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，該桿塔適用于110KV以下輸電線路中。本發(fā)明中的竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔可以增加桿塔塔身的抗拉/壓剛度，抗彎剛度及轉(zhuǎn)動剛度，能有效地減小風(fēng)偏、覆冰對桿塔的影響，能增大在惡劣天氣下桿塔的穩(wěn)定性，可用于腐蝕嚴(yán)重地區(qū)，且具有造價較低、運輸、安裝、維修費用較小，減小線路走廊的優(yōu)點。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，該桿塔適用于110KV以下輸電線路中，所述桿塔包括彼此垂直連接的塔身和橫向構(gòu)件，所述橫向構(gòu)件包括塔身頂端的地線支架和所述地線支架下方的橫擔(dān)，所述塔身為竹狀，所述塔身通過竹狀復(fù)合材料管疊加而成。
[0009]本發(fā)明提供的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述復(fù)合材料管至少為三個，相鄰兩個所述復(fù)合材料管通過連接件相互插接。
[0010]本發(fā)明提供的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述連接件為復(fù)合材料制成，所述連接件包括圓盤和設(shè)置在圓盤上下的圓柱體，所述圓柱體的半徑與相連的所述復(fù)合材料管內(nèi)徑相同的，所述連接件通過粘結(jié)劑與所述復(fù)合材料管連接。
[0011]本發(fā)明提供的另一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述復(fù)合材料管通過節(jié)間疊加而成，所述節(jié)間包括軸向平行段和對稱設(shè)置在平行段兩端的曲線段，相鄰兩個所述節(jié)間處為節(jié)點，所述節(jié)點為竹節(jié)結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明提供的再一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述節(jié)間為3-6個，所述節(jié)點內(nèi)部徑向設(shè)有隔板。
[0013]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述隔板的為圓形網(wǎng)狀格構(gòu)式鋁板，所述隔板上下表面焊有鋁板。
[0014]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述復(fù)合材料管為疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層由內(nèi)到外依次包括內(nèi)層、中層和外層；所述內(nèi)層為管狀纖維層；所述中層和所述外層均為為竹狀纖維層。
[0015]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，
[0016]所述內(nèi)層由內(nèi)到外至少分為5層管狀纖維層，所述內(nèi)層的纖維沿管狀纖維層由內(nèi)至外與其軸向間的夾角依次為0°、45°、90°和135°的角度鋪設(shè)纖維并按此角度循環(huán)鋪設(shè)；
[0017]所述中層的纖維與所述中層軸向間的夾角為90°方向鋪設(shè)；
[0018]所述外層纖維層至少為2層，所述外層的纖維沿外層纖維層由內(nèi)至外與其軸向間的夾角為0°和90°的角度鋪設(shè)纖維并按照此角度循環(huán)鋪設(shè)。
[0019]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，
[0020]所述內(nèi)層為5層管狀纖維層，所述內(nèi)層的纖維沿管狀纖維層由內(nèi)至外與其軸向間的夾角依次為0°、45°、90°和135°的角度鋪設(shè)纖維并按此角度循環(huán)鋪設(shè)；
[0021]所述外層纖維層至少為2層，所述外層的纖維沿外層的纖維層由內(nèi)至外與其軸向間的夾角為0°和90°的角度鋪設(shè)。
[0022]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述內(nèi)層厚度至少為所述疊層厚度的40% ;所述中層最大的厚度至少為所述疊層厚度的30% ;所述外層厚度至少為所述疊層厚度的25%。
[0023]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述中層的節(jié)點處纖維厚度大于中層的曲線段的區(qū)域纖維厚度。
[0024]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述復(fù)合材料管的頂部和底部均通過密封膠進行密封。
[0025]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述復(fù)合材料管采用變截面拉擠的方法制作。
[0026]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述復(fù)合材料管為復(fù)合材料制成，所述復(fù)合材料包括纖維和增強樹脂，所述纖維采用高模量的纖維，所述增強樹脂采用耐熱，耐老化，絕緣性強的樹脂材料。
[0027]本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，所述復(fù)合材料管在制作過程中添加了綠色染色劑。
[0028]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明得到的有益效果是:
[0029]1、本發(fā)明中輸電桿塔通過布置竹節(jié)仿生節(jié)點，增大塔身的抗拉/壓剛度，抗彎剛度及轉(zhuǎn)動剛度來減小塔整體的變形；能夠有效防止復(fù)合材料桿塔由于裂紋擴展而導(dǎo)致桿塔承載力快速下降，沒有預(yù)兆而直接倒塌的危險；
[0030]2、本發(fā)明中輸電桿塔外形美觀，能與大自然相融合；
[0031]3、本發(fā)明為輸變電線路設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)科學(xué)，承載力合理，與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)的竹節(jié)仿生形復(fù)合材料桿塔；
[0032]4、本發(fā)明中輸電桿塔的纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)層的設(shè)計起到支撐桿塔的作用，能提高桿塔的承載力；
[0033]5、本發(fā)明中輸電桿塔的纖維結(jié)構(gòu)的中層是組成節(jié)點的主要結(jié)構(gòu)，可起到增大節(jié)點附近拉壓剛度，抗彎剛度等強化力學(xué)性能的作用；
[0034]6、本發(fā)明中輸電桿塔的纖維結(jié)構(gòu)的外層的受力是整個結(jié)構(gòu)中最大的部位，而且外層要起到阻止裂紋從一個節(jié)間向另外一個節(jié)間擴展的作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明的輸電桿塔的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明的輸電桿塔節(jié)間的示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明復(fù)合材料管間的組裝示意圖；
[0038]圖4為本發(fā)明復(fù)合材料管連接件的主視圖；
[0039]圖5為本發(fā)明復(fù)合材料管連接件的俯視圖；
[0040]圖6為本發(fā)明輸電桿塔纖維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖7為本發(fā)明復(fù)合材料隔板的剖面圖；
[0042]圖8為本發(fā)明復(fù)合材料隔板內(nèi)部格構(gòu)式結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖9為本發(fā)明復(fù)合材料隔板的整體圖；
[0044]圖10為本發(fā)明輸電桿塔的受力示意圖；
[0045]圖11為本發(fā)明輸電桿塔的剛度計算參數(shù)示意圖；
[0046]其中，1-復(fù)合材料桿，2-節(jié)點，3-復(fù)合材料管，4-連接件，5-隔板，6_節(jié)間，7_地線支架，8-地線支架抱箍，9-上橫擔(dān)抱箍(a)，10-下橫擔(dān)吊桿，11-拉線，12-上楔形線夾，13-下楔形線夾，14-拉線盤，15-底盤，16-下橫擔(dān)抱箍(a)，17-下橫擔(dān)，18-下橫擔(dān)抱箍(b)，19-上橫擔(dān)，20-上橫擔(dān)吊桿，21-上橫擔(dān)抱箍(b)。

【具體實施方式】
[0047]下面結(jié)合實施例對發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0048]實施例1:
[0049]如圖1所示，本例的輸電桿塔用于110KV以下的輸配電線路中，所述輸電桿塔包括彼此垂直連接的塔身和橫向構(gòu)件，所述橫向構(gòu)件包括頂端徑向設(shè)置的地線支架7和所述地線支架7下方的橫擔(dān)，本實施例中所述塔身采用竹狀復(fù)合材料桿1，所述復(fù)合材料桿I通過多個竹狀復(fù)合材料管3疊加而成，所述復(fù)合材料管3為多個節(jié)間6疊加而成。
[0050]如圖3-5所示，所述復(fù)合材料管3至少為三個，相鄰兩個所述復(fù)合材料管3通過連接件4相互插接。
[0051]所述連接件4為復(fù)合材料制成，所述連接件4包括圓盤和設(shè)置在圓盤上下并且小于圓盤半徑的圓柱體，所述圓柱體的半徑與相連的所述復(fù)合材料管3內(nèi)徑相同的，所述連接件4通過粘結(jié)劑與所述復(fù)合材料管3連接，所述粘結(jié)膠固化后不能進水，要保證良好的密封性。
[0052]如圖2所示，所述節(jié)間6包括軸向平行段和對稱設(shè)置在平行段兩端的曲線段，所述平行段為管狀結(jié)構(gòu)，所述相鄰兩個所述節(jié)間6處為節(jié)點2，所述節(jié)點2為竹節(jié)結(jié)構(gòu)，即一個凸起的部位，所述曲線段為所述平行段與節(jié)點2間的平滑過渡管。
[0053]所述復(fù)合材料管3含有節(jié)間6的個數(shù)和每個節(jié)間6的間距按照減小塔身整體變形的原則設(shè)計。一般，所述節(jié)間6為3-6個，所述節(jié)點內(nèi)部徑向設(shè)有隔板，所述隔板側(cè)面通過粘結(jié)劑與節(jié)點相連，所述粘結(jié)膠固化后不能進水，要保證良好的密封性。
[0054]如圖7-9所示，所述隔板5為圓形網(wǎng)狀格構(gòu)式鋁板，所述隔板5上下表面焊有鋁板。
[0055]每個所述節(jié)間6的長度相等或者每個所述節(jié)間6的長度從下到上依次變長。每個所述復(fù)合材料管3的厚度相同。
[0056]但為了考慮經(jīng)濟性，其中每個復(fù)合材料管3也可以用不同直徑的部件組成逐漸變細的錐形桿，大體上可采用從底部到頂部的幾段復(fù)合材料管3，直徑依次減小，厚度也依次減小。
[0057]如圖3和6所示，所述復(fù)合材料管3為疊層纖維結(jié)構(gòu)，所述疊層由內(nèi)到外依次包括內(nèi)層、中層和外層；所述內(nèi)層為管狀纖維層；所述中層和所述外層均為竹狀層。
[0058]所述內(nèi)層由內(nèi)到外至少分為5層管狀纖維層，所述內(nèi)層的纖維沿管狀纖維層由內(nèi)至外與所述管狀纖維層軸向間的夾角依次為0°、45°、90°和135°方向鋪設(shè)纖維，并按照該角度變化順序鋪設(shè)在每個管狀纖維層上；
[0059]所述中層的纖維與所述中層軸向間的夾角為90°方向鋪設(shè)；
[0060]所述外層纖維層至少為2層，所述外層的纖維沿外層纖維層由內(nèi)至外與所述外層纖維層軸向間的夾角依次為0°和90°方向鋪設(shè)。
[0061]本實施例中，所述內(nèi)層為5個管狀纖維層，由內(nèi)到外即內(nèi)層I層-內(nèi)層5層，所述內(nèi)層I層的纖維與所述復(fù)合材料管3軸向方向呈0°角度鋪設(shè)在內(nèi)層I層上，內(nèi)層2層的纖維與所述復(fù)合材料管3軸向方向呈45°角度鋪設(shè)在內(nèi)層2層上，內(nèi)層3層的纖維與所述復(fù)合材料管3軸向方向呈90°角度鋪設(shè)在內(nèi)層3層上，內(nèi)層4層的纖維與所述復(fù)合材料管3軸向方向呈135°角度鋪設(shè)在內(nèi)層4層上和內(nèi)層5層的纖維與所述復(fù)合材料管3軸向方向呈0°角度鋪設(shè)在內(nèi)層5層上。
[0062]本實施例中，所述外層為2個纖維層，由內(nèi)到外即外層I層和外層2層，所述外層I層的纖維沿所述復(fù)合材料管的軸向方向呈0°角度鋪設(shè)在外層I層上，所述外層2層的纖維沿所述復(fù)合材料管的軸向方向呈90°角度鋪設(shè)在外層2層上。
[0063]所述內(nèi)層主要起支撐作用，能提高桿塔的承載力，所述內(nèi)層厚度至少為所述疊層厚度的40% ；
[0064]纖維結(jié)構(gòu)的中層是組成節(jié)點的主要結(jié)構(gòu)，可起到增大節(jié)點附近拉壓剛度，抗彎剛度等強化力學(xué)性能的作用，所述中層的最大厚度至少為所述疊層厚度的30% ；
[0065]纖維結(jié)構(gòu)的外層的受力是整個結(jié)構(gòu)中最大的部位，而且外層要起到阻止裂紋從一個節(jié)間像另外一個節(jié)間擴展的作用，所述外層徑向厚度至少為所述疊層厚度的25%。
[0066]纖維結(jié)構(gòu)的中層鋪層要滿足構(gòu)造要求，其圓周縱向厚度變化規(guī)律是，所述中層節(jié)點處纖維厚度大于中層曲線段的平滑過渡的區(qū)域纖維厚度，所述纖維厚度通過纖維纏繞的圈數(shù)改變。
[0067]所述復(fù)合材料桿I的頂部和底部均通過密封膠進行密封，密封膠固化后不能進水，要保證良好的密封性。
[0068]如圖1所示，所述復(fù)合材料桿I的底部埋在地下，所述復(fù)合材料桿I的底部埋入地下的長度的計算方法為:
[0069]H0=0.06H+h, (1-1)
[0070]其中Htl為埋深的長度，H為整個電線主桿的長度，h為一個常數(shù)，h 一般情況下取值為1.2。
[0071]所述復(fù)合材料桿I底部粘接底盤15，本實施例中所述底盤15為法蘭盤。
[0072]所述復(fù)合材料管3采用變截面拉擠的方法制作，即為拉擠成型的變截面復(fù)合材料管。
[0073]所述輸電桿塔的地線支架7通過套筒即地線支架抱箍8與所述復(fù)合材料桿I頂部連接，所述橫擔(dān)包括上橫擔(dān)19和下橫擔(dān)17，所述上橫擔(dān)19的一端通過套筒即上橫檔抱箍(b) 9與所述復(fù)合材料桿I連接，所述上橫擔(dān)19的另一端與上橫擔(dān)吊桿20的一端連接，所述上橫擔(dān)吊桿20的另一端通過所述上橫擔(dān)19上方的所述套筒即上橫檔抱箍(b)21與所述復(fù)合材料桿I連接；
[0074]所述下橫擔(dān)17的中間通過套筒即下橫擔(dān)抱箍(a)16與所述復(fù)合材料桿I連接，所述下橫擔(dān)17的兩端分別通過兩個下橫擔(dān)吊桿10與所述復(fù)合材料桿I連接，兩個所述下橫擔(dān)吊桿10分別通過上橫檔抱箍(b)21和所述下橫擔(dān)17上方的下橫擔(dān)抱箍(b)18與所述復(fù)合材料桿I連接；所述套筒即抱箍通過螺栓固定在所述復(fù)合材料桿I上。
[0075]所述輸電桿塔既可以是轉(zhuǎn)角塔也可以是直線塔，在所述下橫擔(dān)抱箍(a) 16與地面通過拉線11連接，所述拉線11上方和下方分別設(shè)有上楔形線夾12和下楔形線夾13，所述拉線11底端設(shè)有拉線盤14，所述拉線11對地面夾角小于60度，拉線盤14埋深不低于
0.6mο
[0076]所述輸電桿塔的復(fù)合材料包括纖維和增強樹脂，所述纖維采用高模量的纖維，所述增強樹脂采用耐熱，耐老化，絕緣性強的樹脂材料。
[0077]竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，由于該輸電桿塔具有竹子的外形，可以改變桿塔的塔身顏色，使該輸電桿塔的整體外觀與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，在其制作過程中添加了與綠色相關(guān)染色劑，使成型后的竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔的總體顏色和天然的竹子一樣。
[0078]如圖11所示，本發(fā)明中的竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其節(jié)間的轉(zhuǎn)動剛度計算方法如下:
[0079]當(dāng)節(jié)間兩端各作用一個單位彎矩時，節(jié)間兩端的轉(zhuǎn)角位移:
[0080]Θ = ? ~^—dx= f ~^—dx+「) —dr+ [ -^—dx(I)
Lwou」h β? Jo EI/:/EI
[0081]其中:當(dāng)0<x<ml 時:
[0082]仿生節(jié)間某點處的抗彎剛度為Ix =(2)



64
[0083]當(dāng)ml〈x〈(l_n)l 時:
「 ? , n{￡f -(f ){1、
[0084]I = ---( 3 )

64
[0085]當(dāng)(Ι-ml)<χ<1 時:
[0086]IW](4)
"64
[0087]其中:X為研究對象竹狀塔身截面的位置，I為節(jié)間長度，ml為其中一個曲線段長度和nl為另一個曲線段長度，D和d分別為ml〈x〈(1-n) I段內(nèi)管材的的外徑和內(nèi)徑，E為復(fù)合材料的彈性模量；y=C-ax2為描述竹節(jié)曲線段的二次函數(shù)，I為仿生節(jié)間抗彎剛度；
[0088]Θ越小，桿件的抗彎能力越強。顯然:根據(jù)式(1)-(4)，竹節(jié)內(nèi)的轉(zhuǎn)動慣量大于其余部分的轉(zhuǎn)動慣量，因此，竹節(jié)式復(fù)合材料管可以增大桿件的抗彎能力有利于減小輸電塔的撓度。
[0089]竹節(jié)仿生形復(fù)合材料桿塔的復(fù)合材料管，其節(jié)間的拉伸/壓縮剛度計算方法如下:
[0090]當(dāng)節(jié)間兩端各作用一個單位力時，節(jié)間兩端的轉(zhuǎn)角位移:
fi Ipml I/.(!-/?)/ If/ I^ %
[0091]Δ = j -dx= ? -dr + | -dr+ j -dx(5)
L 」JoJo EAxE4 h-nv EAx
[0092]其中:當(dāng)0〈x〈ml 時:
[0093]Ax= [ (c-ax2)-d2]/4 (6)
[0094]當(dāng)ml〈x〈(l_n)l 時:
[0095]Ax= 3i d2/4 (7)
[0096]當(dāng)(1-ml)<x<l 時:
[0097]Ax= [ (d+ax2)-d2]/4 (8)
[0098]其中X為研究對象竹狀塔身截面的位置，I為節(jié)間長度，ml為其中一個曲線段長度和nl為另一個曲線段長度，D和d分別為ml〈x〈 (1-n) I段內(nèi)管材的的外徑和內(nèi)徑，E為復(fù)合材料的彈性模量；y=C-ax2為描述竹節(jié)曲線段的二次函數(shù)，A為復(fù)合材料管的平行段橫截面面積。
[0099]Λ越小，桿件的軸向拉/壓剛度越大。顯然:根據(jù)式(5) _(8)，竹節(jié)內(nèi)的面積大于其余部分的面積，因此，桿件的軸向剛度增大。
[0100]綜上所述，竹節(jié)式復(fù)合材料管可以增大桿件的面積和轉(zhuǎn)動模量，進而增大它的軸向抗拉/壓剛度，及轉(zhuǎn)動剛度。因此，該桿件有利于減小輸電塔的撓度。
[0101]復(fù)合材料的彈性模量較小，為了盡可能提高桿塔的整體剛度，進而降低撓度，需要輸電塔橫截面在面積不變的情況下具有較大的慣性矩。這樣，剪切變形對結(jié)構(gòu)的影響不可忽視。因此，需要驗算其抗剪剛度對整體長細比的影響。
[0102]根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，若考慮剪切變形的影響，桿塔的臨界力計算公式為:
?Τ -1KI 〗Tl: LA Iπ: /.:Α
Jy —__—__二_
[0103]er I2.Tt1EI λ2 , Tt1EA λ~
14-^1 + ——ι—r υ
Z2λ2(9)
[0104]其中:λ。="""+ 冗 EAyγ(10)
β

L
[0105]Yi =~~
12// (11)
[0106]I為仿生節(jié)間抗彎剛度；
[0107]Y !為兩個隔面間復(fù)合材料管的抗剪剛度；
[0108]I為復(fù)合材料桿的總長度；
[0109]Y為復(fù)合材料桿截面的抗剪剛度；
[0110]λ 0增加隔板后復(fù)合材料桿的等效長細比；
[0111]λ為無隔板復(fù)合材料桿的等效長細比；
[0112]I1為隔板之間的距離；
[0113]E復(fù)合材料的彈性模量；
[0114]A復(fù)合材料管平行段的橫截面面積；
[0115]在載荷已知的情況下，根據(jù)λ J卩可確定橫隔面的間距。
[0116]根據(jù)虛功原理，單位載荷下，作用點處塔的撓度為:
,/ I.': ,/ M2 ,!.k():
[0117]A1 = ? —~dv+ ? ~—dv+ ? ———dv
1 Jo EAv ^ EIv - Jo GAv.
[0118]在載荷F確定的情況下，它的撓度為:
[0119]A=FA1
[0120]其中:Fy、My、和Qy分別為桿塔在單位力作用下的截面軸力、截面彎矩和截面剪力；Ay和Iy分別為復(fù)合材料管曲線段截面的面積和慣性矩，由于竹節(jié)的存在，它們均是截面形心沿長度方向的坐標(biāo)I的函數(shù)；G和k分別為材料的抗剪模量和截面的剪力不均勻系數(shù)；E復(fù)合材料的彈性模量為桿件的真實撓度；F輸電塔的實際載荷。
[0121]Λ越小，桿件的整體剛度越大。顯然:竹節(jié)內(nèi)的轉(zhuǎn)動慣量和面積均大于其余部分，因此，竹節(jié)式復(fù)合材料管可以增大桿件的抗彎、抗壓及抗剪能力，有利于減小輸電塔的撓度。
[0122]最后應(yīng)該說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，該桿塔適用于IlOKV以下輸電線路中，所述桿塔包括彼此垂直連接的塔身和橫向構(gòu)件，所述橫向構(gòu)件包括塔身頂端的地線支架和所述地線支架下方的橫擔(dān)，其特征在于:所述塔身為竹狀，所述塔身通過竹狀復(fù)合材料管疊加而成。
2.如權(quán)利要求1所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述復(fù)合材料管至少為三個，相鄰兩個所述復(fù)合材料管通過連接件相互插接。
3.如權(quán)利要求2所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述連接件為復(fù)合材料制成，所述連接件包括圓盤和設(shè)置在圓盤上下的圓柱體，所述圓柱體的半徑與相連的所述復(fù)合材料管內(nèi)徑相同的，所述連接件通過粘結(jié)劑與所述復(fù)合材料管連接。
4.如權(quán)利要求1所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述復(fù)合材料管通過節(jié)間疊加而成，所述節(jié)間包括軸向平行段和對稱設(shè)置在平行段兩端的曲線段，相鄰兩個所述節(jié)間處為節(jié)點，所述節(jié)點為竹節(jié)結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述節(jié)間為3-6個，所述節(jié)點內(nèi)部徑向設(shè)有隔板。
6.如權(quán)利要求5所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔,其特征在于:所述隔板的為圓形網(wǎng)狀格構(gòu)式鋁板，所述隔板上下表面焊有鋁板。
7.如權(quán)利要求1-4任意一項所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔,其特征在于:所述復(fù)合材料管為疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層由內(nèi)到外依次包括內(nèi)層、中層和外層；所述內(nèi)層為管狀纖維層；所述中層和所述外層均為竹狀纖維層。
8.如權(quán)利要求7所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述內(nèi)層由內(nèi)到外至少分為5層管狀纖維層，所述內(nèi)層的纖維沿管狀纖維層由內(nèi)至外依次與其軸向間的夾角為0°、45°、90°和135°的角度鋪設(shè)并按此角度循環(huán)鋪設(shè)； 所述中層的纖維與所述中層軸向間的夾角為90°方向鋪； 所述外層纖維層至少為2層，所述外層的纖維沿外層纖維層由內(nèi)至外與其軸向間的夾角為0°和90°的角度鋪設(shè)纖維并按照此角度循環(huán)鋪設(shè)。
9.如權(quán)利要求8所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述內(nèi)層為5層管狀纖維層，所述內(nèi)層的纖維沿管狀纖維層由內(nèi)至外與其軸向間的夾角依次為0°、45°、90°和135°的角度鋪設(shè)纖維并按此角度循環(huán)鋪設(shè)； 所述外層纖維層至少為2層，所述外層的纖維沿外層纖維層由內(nèi)至外與其軸向間的夾角為0°和90°的角度鋪設(shè)。
10.如權(quán)利要求9所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述內(nèi)層厚度至少為所述疊層厚度的40% ;所述中層最大的厚度至少為所述疊層厚度的30% ;所述外層厚度至少為所述疊層厚度的25%。
11.如權(quán)利要求10所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述中層的節(jié)點處纖維厚度大于中層的曲線段的區(qū)域纖維厚度，所述纖維厚度通過纖維纏繞的圈數(shù)改變。
12.如權(quán)利要求1所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述復(fù)合材料管的頂部和底部均通過密封膠進行密封。
13.如權(quán)利要求1所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述復(fù)合材料管采用拉擠工藝制成變截面管的方法制作。
14.如權(quán)利要求1所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述復(fù)合材料管為復(fù)合材料制成，所述復(fù)合材料包括纖維和增強樹脂，所述纖維采用高模量的纖維，所述增強樹脂采用耐熱，耐老化，絕緣性強的樹脂材料。
15.如權(quán)利要求14所述的一種竹節(jié)仿生形復(fù)合材料輸電桿塔，其特征在于:所述復(fù)合材料管在制作過程中添加了綠色染色劑。
【文檔編號】E04H12/02GK104278875SQ201310279973
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月4日
【發(fā)明者】楊靖波, 韓軍科, 王旭明, 劉海鋒, 邢海軍 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學(xué)研究院