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摘 要：本文介绍了玻璃钢复合材料在输电杆塔领域的应用研究，并分析了FRP材料的力学性能及其工程特点。从实际应用出发，综述了FRP 复合材料在工程中的缺点和不足，以期为进一步的相关研究提供参考。
关键词：输电杆塔 玻璃钢复合材料 性能研究
随着新型材料的兴起，输电线路杆塔的材质也有很大的变化。传统的输电线路杆塔采用的都是木结构，钢结构以及混凝土结构。通常，我们称木和混凝土的杆型结构为杆，称塔形的钢结构和钢筋混凝土烟囱形结构为塔。在长期的运行过程中，传统的输电杆塔暴露出许多缺点。例如，木结构在自然环境下会受到严重的腐蚀问题，据统计，木结构在腐蚀环境中的平均寿命为30年，并且一旦腐蚀开始就会持续进行直至失去强度。而混凝土杆塔由于自重大，造成其安装成本较高；目前钢结构杆塔应用较多，但钢结构杆塔的成本高昂，且需长期的防腐措施。总而言之，传统的杆塔材料受自然环境的影响较为明显。FRP（Fiber Reinforced Plastic）学名玻璃纤维增强塑料，是一种以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体的塑性基复合材料。相比传统材料的杆塔，玻璃钢复合材料具有轻质、耐腐蚀、便于安装、使用寿命长的优点。虽然复合材料的早期成本比传统材料的成本高，但其后期的维修成本较低。如果杆塔在恶劣环境下产生破坏，其亦能实现快速抢修，对社会的影响降到最低。因此玻璃钢复合材料具有很好的发展前景。
一、复合材料杆塔的应用研究
随着新材料技术及其制备工艺的发展，FRP 甚至于用于高端应用领域的先进复合材料（ACM），近年在国外已逐步应用于输电工程中，我国也正在积极开展这方面的研究工作。
1.复合材料杆塔在国外的应用研究。在国外，用复合材料制造输电杆塔，已有二十多年的历史。1995年，加拿大已经开始了复合材料的研究，并逐步运用在输电线路中。1996年，美国在230kV电网中应用了玻璃钢复合材料杆塔，其形式为3基直线双杆，并于2003年研制出呼高24.4米的多角形锥型玻璃钢杆塔，并早已投入使用。2005年，荷兰Movares 工程咨询公司完成了荷兰电网一条 1.5公里 380 /150kV试验线路的方案设计。随着复合材料的深入研究，国外的成功应用证实了复合材料在输电线路上的可行性，为其在我国的应用奠定了基础。
2.复合材料杆塔在国内的应用研究。我国的复合材料杆塔应用属于刚刚起步。虽在上世纪50年代进行过研究，但当时并未得到推广应用。随着新材料的研究日渐成熟，复合材料杆塔在工程实际中开始发挥着重要作用。
1995年，温岭市电力绝缘器材有限公司开始研究复合材料，研制成功了220kV及以下抢修塔（ 门形、带拉线） 、110kV复合材料横担和杆头。
2006年，鞍山铁塔开发研制中心与鞍山铁塔厂合作，在辽宁省电力公司立项研制高强度复合材料杆塔。采用了两段插接八边形 20m 长杆，端部加载3t 情况下，杆顶挠度为 2m。
2009年，北京玻璃钢研究设计院也对玻璃钢杆塔进行了研发，并开发出杆塔样品在几条线上进行试用。
2010年浙江舟山 110 kV输电线路工程，1 基110 kV双回铁塔应用复合材料横担，工程建成投运，且运行稳定。
2011年10月，南瑞公司自主研制的110kV同塔双回聚氨酯复合材料塔头力学真型试验在中国电科院良乡杆塔试验站顺利完成。
2012年5月，武汉南瑞自主研制的“220kV及以下电力输送用新型复合材料杆塔”通过中国电力企业联合会组织的产品技术鉴定。
除此之外，复合材料杆塔不仅仅是将复合材料作为一种结构性材料，更是将复合材料作为一种功能性材料，利用其良好的绝缘性来优化杆塔的电气性能。因此，复合材料杆塔的研究仍应继续，让其优势完全体现出来。
二、复合材料的性能分析
由于玻璃钢是一种复合材料，和普通材料相比，其性能的适应范围非常广泛，其玻璃钢结构在不同工况下的受力及变形也有着明显的优势。目前，复合材料不仅应用于杆塔结构，而且广泛应用于建筑行业、化学化工行业、交通运输行业，与此同时，相关学者对其性能也进行了更深入的研究。
1.工程使用特点。与传统输电杆塔普遍存在的不良问题相比较，玻璃纤维增强复合材料具有耐腐蚀、电绝缘性好和可设计性好等优点，是理想的输电杆塔结构材料。
1.1质量轻。FRP杆的质量约为木质杆的1/3，混凝土杆的1/10，钢质杆的1/2。质量轻是FRP杆塔突出的优点之一。由于质量轻，可大幅度降低运输和施工安装成本，尤其适于山区和软弱土质地区的输电线路使用。
1.2电绝缘性能好。FRP 杆电气绝缘性能优良，可以减少导线与塔身间隙，使输电线路结构更为紧凑，可减少线路走廊宽度。这在土地资源稀缺，线路走廊的获得日益困难的情况下尤其有意义。
1.3耐腐蚀。FRP 杆对酸、碱、盐及有机溶剂等腐蚀介质的耐腐蚀性能和耐候性能优良，因此特别适合沿海地区、内陆盐渍土地区以及工业区和酸雨多发地区等对混凝土和钢质杆塔有特殊防腐要求的环境。
2.轴心受压性能。在输电杆塔的主腹材结构形式选择时，由于圆形断面主腹材的连接比较复杂，且重量将增加 25～30%，但采用角钢却可以使连接变得简单，且质量又较轻，因此输电线路杆塔等多数采用角钢制作。鉴于此，我们以杆塔结构为基础，进行FRP等边角材轴心受压性能的实验，并得出以下结论。
2.1FRP材质作为一种新型的杆塔结构材料，其受压屈服强度高，弹性模量小，与普通钢结构材料有着较大的区别。
2.2FRP 等边角材轴压试验的本构关系近似表现为线性，没有明显的屈服平台，表明 FRP材质为脆性材质。
2.3轴压试验中，FRP 等边角材在荷载达到峰值前产生的位移变化较小，达到峰值后产生的位移变化较大；且完全卸荷后，构件基本可以恢复，无明显的残余变形。
3.低温力学性能。近年来，玻璃钢复合材料在低温工程领域中的研究和应用取得了较大进展。在美国，已有二种符合NEMA标准，并已投入批量生产的玻璃纤维增强材料，这二种材料在低温工程中得到了普遍应用。我们在基于国产树脂和增强材料的基础上，选择适当材料制作适用于承力支撑的玻璃钢复合材料，并验证其在低温下的力学性能是否满足要求。
一系列实验结果表明，对于添加改进剂的玻璃钢来说，压缩弹性模量与温度的关系呈双曲线方程型。它们的特点是，随温度降低，压缩弹性模量值变化较小，而且稍有增加并趋于定值，这就为进一步向液氮温区延伸提供了可能性。而对于采用脂肪族固化剂固化的玻璃钢来说，随温度的降低，压缩弹性模量值的变化稍大，在目前的温度范围内还没有趋于定值的现象。以上结果说明我们所研究的材料的压缩弹性模量对温度的敏感性较小，这对作为一种支撑材料来说是有利的。以环氧树脂为基础，适当加人改性剂，并与适当的固化荆相匹配，加入某些促进剂及采用合理的固化工艺，可以获得具有良好的低温力学性能的玻璃钢复合材料。
三、结语
对于我国的行业发展，虽然玻璃钢复合材料在电力行業中获得了日益广泛的应用，但产品的发展仍然还有很大的空间，有些市场还没有完全打开，仍需进一步探索。对于产品自身，随着电力输送对新型杆塔结构需求的增长以及FRP原材料和生产工艺的不断改进，FRP 杆的结构性能将不断提高，成本将进一步降低，其技术性能、经济性、环境影响等综合效益亦将得到充分体现。
参考文献：
[1]柳伟钧，张锦南，王强华.复合材料杆塔技术和应用现状.玻璃钢/复合材料. 2014.6.
[2]曹宁.110V输电线路复合材料杆塔的应用研究.硕士论文.2012.4.
[3]熊淦辉，刘江钒.电力输送用复合材料杆塔发展现状.绝缘材料.2013，46（4）.
[4]玻璃钢复合材料的低温力学性能研究.中国科学院低温技术实验室中心.
关键词：输电杆塔 玻璃钢复合材料 性能研究
随着新型材料的兴起，输电线路杆塔的材质也有很大的变化。传统的输电线路杆塔采用的都是木结构，钢结构以及混凝土结构。通常，我们称木和混凝土的杆型结构为杆，称塔形的钢结构和钢筋混凝土烟囱形结构为塔。在长期的运行过程中，传统的输电杆塔暴露出许多缺点。例如，木结构在自然环境下会受到严重的腐蚀问题，据统计，木结构在腐蚀环境中的平均寿命为30年，并且一旦腐蚀开始就会持续进行直至失去强度。而混凝土杆塔由于自重大，造成其安装成本较高；目前钢结构杆塔应用较多，但钢结构杆塔的成本高昂，且需长期的防腐措施。总而言之，传统的杆塔材料受自然环境的影响较为明显。FRP（Fiber Reinforced Plastic）学名玻璃纤维增强塑料，是一种以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体的塑性基复合材料。相比传统材料的杆塔，玻璃钢复合材料具有轻质、耐腐蚀、便于安装、使用寿命长的优点。虽然复合材料的早期成本比传统材料的成本高，但其后期的维修成本较低。如果杆塔在恶劣环境下产生破坏，其亦能实现快速抢修，对社会的影响降到最低。因此玻璃钢复合材料具有很好的发展前景。
一、复合材料杆塔的应用研究
随着新材料技术及其制备工艺的发展，FRP 甚至于用于高端应用领域的先进复合材料（ACM），近年在国外已逐步应用于输电工程中，我国也正在积极开展这方面的研究工作。
1.复合材料杆塔在国外的应用研究。在国外，用复合材料制造输电杆塔，已有二十多年的历史。1995年，加拿大已经开始了复合材料的研究，并逐步运用在输电线路中。1996年，美国在230kV电网中应用了玻璃钢复合材料杆塔，其形式为3基直线双杆，并于2003年研制出呼高24.4米的多角形锥型玻璃钢杆塔，并早已投入使用。2005年，荷兰Movares 工程咨询公司完成了荷兰电网一条 1.5公里 380 /150kV试验线路的方案设计。随着复合材料的深入研究，国外的成功应用证实了复合材料在输电线路上的可行性，为其在我国的应用奠定了基础。
2.复合材料杆塔在国内的应用研究。我国的复合材料杆塔应用属于刚刚起步。虽在上世纪50年代进行过研究，但当时并未得到推广应用。随着新材料的研究日渐成熟，复合材料杆塔在工程实际中开始发挥着重要作用。
1995年，温岭市电力绝缘器材有限公司开始研究复合材料，研制成功了220kV及以下抢修塔（ 门形、带拉线） 、110kV复合材料横担和杆头。
2006年，鞍山铁塔开发研制中心与鞍山铁塔厂合作，在辽宁省电力公司立项研制高强度复合材料杆塔。采用了两段插接八边形 20m 长杆，端部加载3t 情况下，杆顶挠度为 2m。
2009年，北京玻璃钢研究设计院也对玻璃钢杆塔进行了研发，并开发出杆塔样品在几条线上进行试用。
2010年浙江舟山 110 kV输电线路工程，1 基110 kV双回铁塔应用复合材料横担，工程建成投运，且运行稳定。
2011年10月，南瑞公司自主研制的110kV同塔双回聚氨酯复合材料塔头力学真型试验在中国电科院良乡杆塔试验站顺利完成。
2012年5月，武汉南瑞自主研制的“220kV及以下电力输送用新型复合材料杆塔”通过中国电力企业联合会组织的产品技术鉴定。
除此之外，复合材料杆塔不仅仅是将复合材料作为一种结构性材料，更是将复合材料作为一种功能性材料，利用其良好的绝缘性来优化杆塔的电气性能。因此，复合材料杆塔的研究仍应继续，让其优势完全体现出来。
二、复合材料的性能分析
由于玻璃钢是一种复合材料，和普通材料相比，其性能的适应范围非常广泛，其玻璃钢结构在不同工况下的受力及变形也有着明显的优势。目前，复合材料不仅应用于杆塔结构，而且广泛应用于建筑行业、化学化工行业、交通运输行业，与此同时，相关学者对其性能也进行了更深入的研究。
1.工程使用特点。与传统输电杆塔普遍存在的不良问题相比较，玻璃纤维增强复合材料具有耐腐蚀、电绝缘性好和可设计性好等优点，是理想的输电杆塔结构材料。
1.1质量轻。FRP杆的质量约为木质杆的1/3，混凝土杆的1/10，钢质杆的1/2。质量轻是FRP杆塔突出的优点之一。由于质量轻，可大幅度降低运输和施工安装成本，尤其适于山区和软弱土质地区的输电线路使用。
1.2电绝缘性能好。FRP 杆电气绝缘性能优良，可以减少导线与塔身间隙，使输电线路结构更为紧凑，可减少线路走廊宽度。这在土地资源稀缺，线路走廊的获得日益困难的情况下尤其有意义。
1.3耐腐蚀。FRP 杆对酸、碱、盐及有机溶剂等腐蚀介质的耐腐蚀性能和耐候性能优良，因此特别适合沿海地区、内陆盐渍土地区以及工业区和酸雨多发地区等对混凝土和钢质杆塔有特殊防腐要求的环境。
2.轴心受压性能。在输电杆塔的主腹材结构形式选择时，由于圆形断面主腹材的连接比较复杂，且重量将增加 25～30%，但采用角钢却可以使连接变得简单，且质量又较轻，因此输电线路杆塔等多数采用角钢制作。鉴于此，我们以杆塔结构为基础，进行FRP等边角材轴心受压性能的实验，并得出以下结论。
2.1FRP材质作为一种新型的杆塔结构材料，其受压屈服强度高，弹性模量小，与普通钢结构材料有着较大的区别。
2.2FRP 等边角材轴压试验的本构关系近似表现为线性，没有明显的屈服平台，表明 FRP材质为脆性材质。
2.3轴压试验中，FRP 等边角材在荷载达到峰值前产生的位移变化较小，达到峰值后产生的位移变化较大；且完全卸荷后，构件基本可以恢复，无明显的残余变形。
3.低温力学性能。近年来，玻璃钢复合材料在低温工程领域中的研究和应用取得了较大进展。在美国，已有二种符合NEMA标准，并已投入批量生产的玻璃纤维增强材料，这二种材料在低温工程中得到了普遍应用。我们在基于国产树脂和增强材料的基础上，选择适当材料制作适用于承力支撑的玻璃钢复合材料，并验证其在低温下的力学性能是否满足要求。
一系列实验结果表明，对于添加改进剂的玻璃钢来说，压缩弹性模量与温度的关系呈双曲线方程型。它们的特点是，随温度降低，压缩弹性模量值变化较小，而且稍有增加并趋于定值，这就为进一步向液氮温区延伸提供了可能性。而对于采用脂肪族固化剂固化的玻璃钢来说，随温度的降低，压缩弹性模量值的变化稍大，在目前的温度范围内还没有趋于定值的现象。以上结果说明我们所研究的材料的压缩弹性模量对温度的敏感性较小，这对作为一种支撑材料来说是有利的。以环氧树脂为基础，适当加人改性剂，并与适当的固化荆相匹配，加入某些促进剂及采用合理的固化工艺，可以获得具有良好的低温力学性能的玻璃钢复合材料。
三、结语
对于我国的行业发展，虽然玻璃钢复合材料在电力行業中获得了日益广泛的应用，但产品的发展仍然还有很大的空间，有些市场还没有完全打开，仍需进一步探索。对于产品自身，随着电力输送对新型杆塔结构需求的增长以及FRP原材料和生产工艺的不断改进，FRP 杆的结构性能将不断提高，成本将进一步降低，其技术性能、经济性、环境影响等综合效益亦将得到充分体现。
参考文献：
[1]柳伟钧，张锦南，王强华.复合材料杆塔技术和应用现状.玻璃钢/复合材料. 2014.6.
[2]曹宁.110V输电线路复合材料杆塔的应用研究.硕士论文.2012.4.
[3]熊淦辉，刘江钒.电力输送用复合材料杆塔发展现状.绝缘材料.2013，46（4）.
[4]玻璃钢复合材料的低温力学性能研究.中国科学院低温技术实验室中心.