FRP锚杆、土钉、输电导线应用综述.doc

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1、目录综述11 FRP地下结构体系11.1 FRP锚杆11.2 FRP土钉81.3 FRP锚索11图1.3.2 国内生产的玻璃钢锚索121.4 FRP筋在桩结构的应用13图1.4.1 纤维筋混凝土抗拔桩结构示意图142.1 FRP输电杆塔152.2复合芯导线23 综述1 FRP地下结构体系1.1 FRP锚杆1.1.1前言锚杆由于其力学性能良好，施工放便，在土木工程和矿山工程领域应用广泛。传统的锚杆主要有普通砂浆锚杆以及钢锚杆。由于普通砂浆锚杆的注浆质量难以保证,造成锚杆承载力不可靠;钢锚杆是当前在实际工程中运用比较广泛的一种锚杆,而钢锚杆的腐蚀问题又是制约钢锚杆使用寿命最重要的问题。为解决锚杆的

2、腐蚀问题,自上世纪90年代以来,国外开始采用FRP(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)锚杆来替代传统的钢锚杆。FRP锚杆作为一种新型的锚固结构越来越被认可,发展较快,已经在国内外矿山、隧道、公路边坡支护中得到了较广泛地应用1。FRP锚杆是以FRP筋为杆体,与专用锚头、锚尾等部分匹配而成的锚杆结构（见图1.1.1）。这种锚杆的拉杆是以纤维筋(GFRP、AFRP、CFRP等)为增强材料,以合成树脂为基体材料,并掺入适量的辅助剂(如引发剂、促进剂、胶连单体、阻燃剂、阴聚剂、填料、蚀变剂等),经拉挤成型和必要的表面处理而成的一种新型复合材料2。图1.1.1 锚固结构示意图F

3、PR锚杆的锚具作为FRP锚杆的一个重要组成部分,对FRP的工作性能有很大的影响。目前,主要有两种:传统的钢楔块压紧式和树脂粘结式（见图1.1.2）。钢楔块压紧式是采用金属楔块并不能确保荷载的有效传递,且可能由于横向压力作用导致FRP筋过早的破坏。而树脂粘结型锚具由于树脂的蠕变较大,耐久性较差,容易造成锚杆的预应力损失2。通过国外的研究结果表明,树脂粘结型锚具的效果相对比较好些,在实际工程中应优先选用粘结型的锚具。图1.1.2 FRP筋的锚固系统1.1.2国内外研究应用现状1、AFRP筋锚杆目前，有两种类型的AFRP筋用作锚杆，即Arapree和Technora。Arapree筋锚杆由意大利的S

4、ireg SPA研制与开发，由横截面为圆形的Arapree筋和粘结型锚固系统组成。这种类型的FRP筋锚杆的应用相对较少。Technora筋锚杆也叫超轻锚杆，由Japan Highway Public Co.和Sumitomo Construction Co.Ltd研究与开发。Technora筋锚杆由Technora筋和GFRP轻质压力板组成。锚杆项部由在不锈钢套管中充满无收缩灰浆的粘结型锚固系统和护管组成。GFRP压力板可现场浇筑或选用预制混凝土板，制成蜂窝状，其典型尺寸为12 mm厚、200 mm高、l 800 mm长，其总重约为预制混凝土板重量的510。目前，在日本已有多个结构物用Tech

5、nora筋锚杆加固。1994年，日本用36根Technora纤维增强塑料筋锚杆和GFRP压力板来加固Meishin高速公路的挡土墙。锚杆由97.4 mm的螺纹压痕筋组成，其设计荷载为400 kN(0.59fpu，fpu为FRP筋锚杆的极限拉伸强度)。锚杆被固定在岩层中，锚固长度为6.5 m。锚杆总长度为1930 m，放置锚杆的洞径为115 mm。1995年，在Kawabe国有高速公路改线工程中，用Tcchnora筋锚杆加固一长30 m、高8.5 m的斜坡。锚筋为97.4 mm的螺纹压痕筋，其设计荷载为400kN(0.59fpu)。锚杆被固定在松软岩土中，锚固长度为3 m，总长7.81l m，共

6、安装了65根Technora筋锚杆。2、CFRP筋锚杆目前，有两种类型的CFRP筋锚杆，即CFCC和Leadline。CFCC筋锚杆，也叫新材料(NM)锚杆，由日本的Zenitaka-Gumi，Kowa，Sekisui Chemical和TokyoRope联合开发。CFCC锚杆由多股CFCC锚索、粘结型锚固系统、导向装置和自由段、玻璃纤维加强聚氨脂泡沫压力板(FFU)等组成。聚氨脂泡沫压力板(FFU)可现场浇筑，也可预制成块。纤维沿同一方向铺设，所以在纤维平行和竖直铺设方向上，其力学性能不同。典型的FFU压力板由层状板和顶面一承重砌块组成。每个板厚6 cm，由纤维方向互相垂直并用环氧树脂粘合在

7、一起的两块板组成。目前，CFCC锚杆在日本已应用于多项工程，主要用于挡土墙和斜坡加固。Leadline纤维增强塑料筋锚杆是由日本的Kajima公司、Mitsubishi化学公司和化学灌浆公司开发研制，Leadline锚杆由Leadline索和粘结型锚固系统组成。目前，已有多项工程应用了Leadline锚杆。例如，1990年，在Ibaraki，Leadline锚杆首先应用于Birdie人行桥的桥台。锚杆由98mm的压痕Leadline索组成。锚杆总长为15 20m，每个桥台安放16根。据估计，由岩土徐变和其他因素引起的荷载损失为0.2TW(TW为锚杆的设计荷载)。因此，为达到314 KN(0.4

8、2瓦)的设计荷载，所有锚杆的锁定荷载为392 kN(1.25瓦)。其中5根锚杆装有测力计。锚杆锁定后荷载的瞬时损失小于10 kN(3.2TW)。锚杆安放1.5 a后，荷载损失约为35.5TW。在Fukuchiyama，Leadline用于稳固公路的斜坡。锚杆由28mm的压痕Leadline索组成，锚固长度为3 m，自由段为418 m。目前，国内深圳海川工程路桥材料研究所开发出的FRP全螺纹实心和中空注浆锚杆的新型岩锚系统，代号路威2006（图1.1.3），该产品具有耐腐蚀性强， 图1.1.3 路威2006 FRP锚杆不导电，不导热，耐冲击性能好的特点，在隧道、矿山中使用时与树枝锚固剂结合力好，

9、锚固力大、粘结力高，锚固反应快，不仅可用于矿山、交通、市政、水利水电、军事人防等地下工程，同时由于杆体可切割，还特别适用于煤巷和隧道支护、以及服务年限较长的地下工程3。该产品的出现，给锚固技术带来了革新。国外许多公司，比如Weldgrip、Rockbolt System AG、Weidmann都有自己的FRP锚杆产品。并且已经广泛应用于工程实践。其中尤以隧道、煤矿居多，应用的国家涉及美国、英国、德国、意大利、挪威、瑞典、比利时、澳大利亚等，应用的案例有HBL/HBCM(法国煤矿)、Cape Breton coal(加拿大煤矿)、Coal Mine Chile(智利煤矿)、Gengiols(瑞士

10、的铁路隧道)、chlus tunnel(瑞士的公路隧道)、Langetenstollen(瑞士的wateradit排水平硐隧道)、Road A42(英国的边坡稳定)、Hoben Salzburg(美国的公路隧道)等4。Weldgrip公司主推的一款锚杆产品Rockbolts(见图1.1.4所示),该产品在雅典地铁项目以及Bradway隧道加固等项目中大规模使用，由于其轻质高强、安装简易的特性取得了良好的预期效果和经济效益。图1.1.4 Rockbolts在雅典地铁隧道中使用隧道掘进机工作前，需要对地表进行作临时性和永久性的支护。根据实地勘测情况，决定采用Weldgrip公司生产的直径为22mm

11、和32mm的玻璃纤维锚杆，工人施工过程见图1.1.5所示。图1.1.5 雅典地铁锚杆安装支护由于玻璃纤维锚杆能够被挖掘机的刀头轻易割断，因而保护了挖掘机的刀头，虽然锚杆被刀头切割掉一部分，但是实际施工过程中锚杆的剩余部分对岩土仍然具有很好的加固支护作用。Bradway隧道加固项目要求对隧道顶部及两侧鼓起的砖砌衬里进行修复，为了保持砖砌体修复前后的整体性，需要对局部进行临时性的支护处理，破损松散围岩易于塌落失稳、松动位移、压力也较大。故需要安装后能立即承载的铺杆，又要求有足够预应力和全长粘结，乃至渗入围岩裂缝之中的锚杆。因而采用了22mm直径，长2m的锚杆，安装在28mm直径的孔洞中，使其能在修

12、复及更换鼓起的砌砖部分的过程中提供支护。施工过程见图1.1.6所示。图1.1.6 Bradway隧道锚杆支护不难发现，采用FRP锚杆在施工操作过程中简易安全，加固支护效果明显，值得在地下结构体系中大力推广应用。1.1.3现存问题及今后研究方向FRP锚杆轻质高强材料,而且具有良好抗腐蚀性,耐久性以及施工方便等优点,在土木工程领域内具有广泛的市场应用前景和推广使用价值。但是无论国外还是国内,目前对于FRP锚杆的研究和应用还是较少,还没有形成比较成熟的理论体系,在工程实际中遇到的很多问题还不能得到很好的解决。为了推动FRP锚杆在锚固工程中更广泛的应用,应对以下几个方面展开深入的研究5:（1）锚固机理

13、。锚杆在岩土介质中受力状态比较复杂,锚杆破坏时,FRP筋并不是处于完全弹性状态,而是进入了弹塑性阶段,应力已经发生了重分布。目前,国内外对锚固机理的研究也没有统一的定论,因而需进一步加强对锚杆中荷载传递机理以及锚杆与岩体的相互作用的研究,以便更合理地对FRP锚杆进行设计。（2）计算模型。由于当前的模型主要是在工程经验以及试验的基础上进行的,通用性较差,因此应在半理论、半经验的设计原则上,可采用有限元法进行分析,通过计算机模拟,提出更加合理的计算模型。（3）锚杆更换方案。由于结构中各种部件的设计使用时间可能不一样,为了延长整个结构的使用寿命,需要对一些构件进行更换。对地下结构工程中的锚杆进行更换

14、时,就不容易对FRP锚杆进行定位,而且更换时可能对上部结构有影响。因而需要寻找解决更好的锚杆更换方案。（4）锚杆长期工作性能以及群锚效应。在实际工程中,可能有时需要大量且集中地使用FRP锚杆,而且FRP锚杆由于耐腐蚀性好,设计使用年限相对长些。因而进一步对锚杆的长期工作性能,FRP筋的应力松弛以及锚杆自身的徐变等;以及在锚杆较多的地方应如何考虑群锚效应的研究是很有必要的。（5）特殊条件下的工作性能。我国幅员辽阔,很多情况需要在特殊的环境条件下使用到锚杆,如高原地区的冻土问题就一直是工程界的难题。因而研究锚杆在一些特殊荷载(地震、冲击等)作用和特殊条件(冻土、高温)下的工作性能,如地震、冰冻、高

15、温等也是很有必要的。（6）锚固系统。锚固系统对锚杆能否正常工作有着非常重要的影响,在实际工程中锚杆除了传递拉力外,还受到横向的挤压以及截面内的剪力作用,而FRP筋的抗压、抗剪强度都是比较低,这样就很容易使得FRP锚杆的抗拉强度还未充分发挥就因受压或受剪而发生破环。因而需要加速对锚固系统的研究进程,设计出更适用于FRP锚杆特点的锚固系统,以便提高工作效率。（7）FRP预应力锚具的研制。FRP是一种晶体材料,纵向与横向强度比(约为201)较大,传统的预应力锚具不适用于FRP拉杆,否则将会由于横向强度过低导致锚固区过早失效。因此,FRP预应力锚具的研制是一个急需解决的问题。我国现在处于经济快速发展阶

16、段,很多基础设施还需进一步完善,一些20世纪5060年代的建筑已有很多需要进行加固处理,尤其是2008年遭受金融危机以及汶川地震的影响,国家正在进一步加快国内基础设施的建设。FRP锚杆具有非常广阔的应用前景。同时,由于我国对FRP锚杆的研究尚处于起步阶段,因此,做好对FRP锚杆的进一步研究工作也是至关重要的。1.2 FRP土钉1.2.1 前言土钉是一种基于新奥隧道法原理，在天然边坡或开挖形成的边坡、基坑原位岩土体中近于水平设置加筋杆件并沿坡面设置混凝土面层，使整体土工系统的力学性能得以改善从而提高边坡、基坑稳定性的原位加筋技术。土钉可被视为小尺寸的被动式锚杆“部份类似于全长粘结型锚杆”，分为钻

17、孔注浆钉与击入钉两种，土钉材料为角钢、圆钢、钢筋、钢管或FRP材料。随着城市建设的发展和地下空间的利用，土钉支护在我国基坑工程中已广泛使用。用传统的钢筋作为土钉支护材料，其高强度的优势没有完全发挥。对于基坑和有些岩土加固属于临时工程，在其使用寿命结束后，每年有数百万吨的钢筋材料被永久埋于地下，造成建材资源大量浪费，侵占、影响地下空间的后续利用，更重要的是会产生锈蚀污染，对土壤与地下水环境造成长远影响。除此之外，常用的钢筋土钉不易切断，对后续临近的道路、管线、隧道及建筑物地下施工有潜在的不利影响。由树脂和玻璃纤维复合组成的玻璃纤维增强树脂筋具有高强、耐久、轻质等优点，是钢筋的新型优良的代用材料。

18、采用玻璃纤维增强树脂筋制作的土钉代替钢筋土钉，可以显著减少钢筋生产所带来的能源消耗和环境污染，符合建设节约型社会和节能减排的新能源政策6。目前在土钉中广泛使用的FRP材料是玻璃纤维（GFRP），GFRP土钉采用配套螺母、钢质托盘，并与混凝土面层有效连接，其构造示意图7如下：图1.2.1 GFRP土钉端部连接形式1 GFRP土钉 2钢筋网片 3螺母 4垫块 5钢质托盘 6喷射混凝土面层1.2.2国内外研究应用现状目前国内玻璃纤维筋在地下结构中的应用多局限于作为明挖基坑桩撑支护中钢筋笼的替代材料，而对于其作为高边坡支护工程中土钉材料的研究则相对较少。郑州市轨道交通1 号线某区间出入段线位于正线延长

19、线中间，采用明挖法施工，基坑放坡开挖，正线延长线隧道未实施，计划采用盾构法施工，正线延长线下穿出入段线区间。受征地条件影响，出入段线采用土钉墙支护，土钉与正线延长线隧道有冲突。为避免土钉支护对后期正线延长线盾构隧道有影响，设计采用玻璃纤维筋代替钢筋作为土钉材料。土钉墙设计采用三级坡，坡度分别为1:0.6、1:0.8、1:1.0，土钉横纵向间距均为1.5m，梅花形布置，与水平面夹角15，转孔直径120mm，网喷混凝土厚度80mm8。由工程实施经验可知，玻璃纤维筋土钉支护基坑稳定性较好，水平位移及土钉应力等均满足相关限制，玻璃纤维筋作为土钉材料的实施效果良好。国外的Weldgrip公司生产的玻璃纤

20、维土钉（见图1.2.2），性能优异，在许多支护工程中都得到了广泛的应用。图1.2.2 Weldgrip公司生产的玻璃纤维土钉1.2.3现存问题及今后研究方向GFRP筋作为第三大现代材料具有诸多优点，像强度高、耐腐蚀性强、抗磁性等优点使其替代钢筋趋势越来越明显，作为一种新型材料目前在边坡支护中得到了初步的推广，但我们也应当看到GFRP土钉的工程技术还尚未成熟，仍然需要进一步研究其粘结性能，并需要更加深入地关注和解决下列问题：一、玻璃纤维作为一种新型材料，由于其加工工艺的缘故，需要综合玻璃纤维、树脂、添加料来分析GFRP杆件的力学参数，现阶段对GFRP杆的疲劳性能、抗酸碱性能、自身的蠕变、徐变以及

21、抗剪强度的研究还未成熟，需要在今后进行更深入的研究；二、GFRP筋不同于钢筋，其抗剪能力较弱，将GFRP筋应用于支护结构，就必须考虑夹持端的受力情况，但是现阶段锚固问题还未得到妥善的解决；三、目前，对岩土物理力学性质的研究还不充分，土钉与锚具之间锚固性能的相互作用性能的研究也比较匮乏，由于各锚固领域的岩性差别较大，所有的研究结果无法得到统一，再加上数值分析的结果与实际数据往往有较大的差异，土钉锚固性能理论的滞后严重阻碍了其推广。综上所述，解决基坑支护关键技术问题，研发以新材料、新工艺为主的型支护结构，将大大减少基坑工程事故，降低工程造价，节约资源，保护环境，促进城市可持续发展。但是，我们也应当

22、清醒地认识到，FRP作为土钉支护材料，有了较多的应用和理论研究，鉴于FRP材料和钢筋材料性质差别较大，不可照搬原有的理论和技术，FRP 广泛应用于实际工程还需要大量的研究工作。1.3 FRP锚索1.3.1 前言锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的主承载层相连,提高次生承载层的稳定性。即使次生承载层发生断裂、转动,也不致于失稳而引起顶板垮落。锚索可施加较大的预紧力,可挤紧和严密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面,增加不连续面之间的摩擦力,从而提高围岩的整体强度。锚索支护结构一般由钢绞线、锚具、铁板(锚梁)、树脂锚固段9组成，如图1.3.1所示。图1.3.1 锚索支护结构图1.3.2国

23、内外研究应用现状目前，碳纤维由于其价格昂贵的原因，在锚索体系中的应用还很少，但是国内生产玻璃钢锚索的厂家很多，比如南京锋晖复合材料有限公司等，他们的产品见图1.3.2所示。图1.3.2 国内生产的玻璃钢锚索矮寨特大悬索桥是长沙至重庆公路通道、湖南省吉首至茶洞高速公路跨越矮寨大峡谷的一座特大型桥梁，为吉茶高速公路的控制性工程。矮寨大峡谷谷深坡陡，高差达350 m，地质情况复杂。矮寨特大桥为典型的山区悬索桥，由于特殊的地理条件，为大桥的建设带来了巨大的困难。为解决这些困难，大桥建设中创造了多项新技术，其中就包括引入高性能碳纤维岩锚体系，为碳纤维高性能材料在工程结构运用上提供了新思路。矮寨特大桥共布

24、置了3对岩锚吊索，传统的岩锚体系普遍面临由于钢筋锈蚀、混凝土老化导致的结构耐久性问题，尤其在桥梁建设中，其使用寿命与特大型桥梁长达百年的设计寿命远远不协调，严重影响整体结构的安全性和耐久性。为大幅提高吊索岩锚体系的耐久性并尽可能减小地下溶洞的不利影响，研发了高性能材料来构成矮寨特大悬索桥地锚吊杆新的岩锚系统，并选用C60吊索底座岩锚进行工程实践研究。新体系采用高级复合材料CFCC(碳纤维复合绞线)作为锚杆、以超高性能混凝土RPC(活性粉末混凝土)作为锚杆两端的粘结介质，而形成一种基于高性能材料的岩锚体系，以期减小工程量、大幅提高其长期荷载作用下的耐久性。新体系的结构布置同传统岩锚体系基本一样，

25、分为：地上锚固段、自由段和地下锚固段。地上锚固段采用RPC作为粘结介质的粘结式锚具来锚固CFCC锚杆，自由段通过安装临时套管设置岩锚地下无粘结段，地下锚固段也采用RPC粘结介质将CFCC锚杆锚固于岩体中。碳纤维岩锚新体系构造如图1.3.3所示10。图1.3.3 碳纤维岩锚新体系构造在矮寨大桥中的成功应用表明，该岩锚体系性能稳定、工作状态良好。以此为依据设计的新型岩锚结构已成功应用于矮寨特大桥C6O吊杆的岩锚系统中。1.4 FRP筋在桩结构的应用1.4.1 FRP筋混凝土抗拔桩11伴随经济的飞速发展，城市空间日益紧缺，引发了地下空间开发的热潮，各类地下工程的安全使用无一例外地受地下水浮力的影响，

26、因此抗拔桩在工程中得到了越来越广泛的应用。抗拔桩处于地下，周围有土体和地下水等，为了防止地下水和化学物质对钢筋的侵蚀，设计规范对抗拔桩的裂缝控制有严格要求。目前抗拔桩一般采用混凝土灌注桩和混凝土预制桩这两种形式，其截面的配筋率受抗裂要求控制。然而，按照建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）中队抗拔桩裂缝的规定计算得到的开裂承载力都要比抗拔桩所能承受的极限承载力低很多，并且按开裂要求进行配筋的抗拔桩，其截面中的钢筋抗拉强度有很大富裕余，很不经济。图1.4.1 纤维筋混凝土抗拔桩结构示意图1- 带套管的FRP纤维筋 2-混凝土桩身 3a-第一支承板 3b-第二支承板 4a-第一锚具 4b-第二锚

27、具 5-承台 6-桩头由南京工业大学研发的纤维筋混凝土抗拔桩（授权公告号：CN201679001 U），克服了目前抗拔桩混凝土一般都处于受拉工作状态的不足，提供一种混凝土完全受压，受力筋完全受拉的纤维筋混凝土抗拔桩，其结构示意图见上图所示。与传统的抗拔桩相比，纤维筋混凝土抗拔桩有如下优点：首先，独特的传力途径能够抑制桩的上拔运动。混凝土桩身在向下的摩擦力和第二支承板向上的作用力下，处于受压平衡状态，使得桩身不会产生受拉裂缝，提高了安全性能。其次，FRP纤维筋一端被锚固在承台中，受向上的拔力；另一端被锚固在桩底，阻止其向上运动、FRP纤维筋在此二力作用下处于受拉平衡状态，完全发挥了FRP纤维筋顺

28、纤维向抗拉强度高的特点。再加上纤维筋轻质高强，便于施工；此外，FRP筋不会像钢筋那样容易锈蚀，非常适合在强腐蚀环境中工作，耐久性能优异。2 FRP输电结构体系2.1 FRP输电杆塔2.1.1前言国内外使用较多的输配电线路杆塔主要有木质杆、钢筋混凝土杆、钢结构杆塔等,在北美等森林资源丰富的地区使用的主要是木制杆塔,在欧亚等森林资源匮乏的地区主要使用钢筋混凝土杆和钢结构杆塔。木质杆在水分侵蚀作用下容易腐烂,还容易受到虫害鸟害的侵扰。由于钢材的导电性,导线的相地绝缘距离仅为绝缘子串的爬距,随着环境的恶化,近年来由于绝缘子串爬距不足所造成的污闪、湿闪事故频发,而单单增加绝缘子串的片数,又增大了导线因风

29、偏造成闪络的概率,严重威胁电力系统的安全可靠性,并且因为杆塔高度增加而提高了基建成本12。利用复合材料的绝缘性，不仅易于解决输电线路的污闪事故，提高线路安全运行水平，减小塔头尺寸与走廊宽度；杆塔轻便，大幅度地降低杆塔的运输和组装成本；杆塔耐腐蚀、被盗可能性小的特点，可降低线路的维护成本；同时由于杆塔颜色可调，增强了线路的环境友好性。因此复合材料在一定程度上是建造输电杆塔结构的材料之一。由于复合材料杆塔的绝缘等级高（30KV/mm），可以大幅度的缩小输电通道走廊宽度。图2.1.1所示。缩小输电通道走廊可节省宝贵土地资源，输电通道资源紧缺是电网发展过程中的国际性的问题。 图2.1.1应用复合材料杆

30、塔缩小走廊宽度人均耕地面积小，广东珠三角地区电力负荷密度过高，电网建设占地过多的矛盾尤其突出。到2030年西电东送采用交流500 kV送电方案需增加16回线路，走廊宽达960m，占地面积217万亩；采用交流1000 kV送电方案走廊宽度为500m，占地面积110万亩；而采用直流土800 kV送电，走廊宽度为300m，占地仅70万亩。 随着上海、北京等发展，已经进入国际化大都市行列，城市美化、输电线路绝缘等级提高，也使得复合材料杆塔有了新的应用目标。在过去经济条件不许可下，城市配网线路中主要采用水泥杆，随着使用时间延长，需要大量更换。复合材料杆塔具有抗烟雾及酸雨、大风等自然灾害能力强等特点，安装

31、后不需维护，国外的杆塔预测使用寿命长达80年。应用复合材料的耐腐蚀特性，对沿海地区的输电线路的维护要求显著降低13。2.1.2国内外研究与应用现状FRP 性能优良，主要以钢材的替代材料的形式应用于输电杆塔中。采用 FRP 的电杆可以提高结构强度，延长结构使用寿命，缩短电杆的更换周期，并降低杆塔运行成本。同时由于FRP杆绝缘性能好也可使输电线路走廊更加紧凑从而节约线路走廊费用，并减小输电线路对环境的影响。在输电线路的经济分析中，通常注重建设期间的费用投资，往往忽视了结构全寿命过程费用（Life Cycle Cost，LCC）的分析，这里主要指线路杆塔的维护费用。随着经济、技术与管理的发展，人们越

32、来越倾向于采用包括运行维护在内的结构全寿命过程的经济、技术以及环境影响等综合指标来评价架空输电线路杆塔结构。随着输电网建设规模的不断扩大，输电线路结构的运行维护问题将日益突出，线路结构的综合费用效益分析将逐步受到重视。为保证供电可靠性，输电线路应尽可能采用在使用期内免维护或少维护的电力设施。表2.1.1是木质杆钢管杆混凝土杆和FRP杆的全寿命成本分析比较。结构质量是结构经济性的重要指标之一。FRP杆塔比木质杆、混凝土杆和钢管杆质量轻，可以大幅降低运输成本和施工人工成本。FRP架空线路电杆基本不需要维护，寿命长达80年，其优良的维护性能是其它材料无法相比的。从表 2.1.1可以看出FRP 杆与目

33、前广泛应用的各种材料杆相比尽管首次投入成本较高但其综合性价比要优越得多。表2.1.1 不同材料电杆的全寿命过程成本（LCC）比较（美元）材料使用寿命/年建设成本维修成本年平均成本木质杆3025021015钢管杆3526024514混凝土杆3535024517FRP杆80900011FRP 在架空电杆中的应用主要有以下几种形式：2.1.2.1纤维增强混凝土（FRC）杆FRC杆有两种主要形式，一种是以非连续短纤维作为混凝土增强纤维材料另一是以连续FRP筋材作为钢筋的替代材料。由于混凝土电杆受力工况复杂，混凝土为脆性材料，抗拉性能差，容易开裂，从而导致内部钢筋的锈蚀，同时混凝土电杆的保护层一般比较薄

34、，混凝土容易碳化，失去对内部钢筋的保护作用，同样会导致混凝土内钢筋的锈蚀。而钢筋锈蚀产物体积膨胀，进一步加剧混凝土的开裂直至破坏。因此钢筋锈蚀和混凝土开裂是混凝土杆的两大缺点。在混凝土中加入杜拉纤维或碳纤维等短纤维，代替钢纤维作为混凝土的增强材料可以提高混凝土杆的强度，增强其抗裂与抗冻性能。尤其在我国北方高寒地区，FRC杆可以大大提高其抗冻融循环作用的能力。FRP筋材耐腐蚀，是混凝土增强筋的理想替代材料，尤其在盐腐蚀比较严重的盐渍土地区，采用FRP筋能有效地改善混凝土电杆的抗腐蚀能力。由于FRP抗拉强度高，FRP筋也非常适合作为预应力混凝土杆的预应力筋。我国已开发了FRC杆，并对其进行了试验研

35、究，而 FRP 筋混凝土杆目前还处于研究开发中。2.1.2.2 FRP杆塔FRP杆在 40 多年以前已有研究，但当年主要是树脂基玻璃纤维（GFRP）杆，其树脂一般以环氧型树脂为基体材料，采用拉挤成型工艺，成本较高抗老化性能差，寿命短，未能在实际工程中得到广泛应用。随着树脂和纤维材料性能的改进和FRP制造技术的进步，FRP杆重新受到世界各国输电行业的重视。新型FRP 杆在基体树脂中添加了抗老化成分，以碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维作为增强材料采用缠绕成型工艺进行生产，材料性能得到提高，成本也已大幅降低。这种缠绕型低成本ACM杆在美国已经投入使用，其输电塔也已研制成功。FRP杆由于其优良的综合性能已经

36、在欧美和日本得到应用，其中研究开发和应用最为成熟的是美国。由于美国环保署已做出严格限制对木质杆进行化学方法处理的规定，加上木质杆的其它缺陷，FRP杆在美国已成为传统木质电杆的理想替代品。因此，美国各大输配电公司对FRP杆表现出浓厚的兴趣，各FRP制造企业也积极研制开发出各种FRP杆。Strongwell公司、Shakespear公司、Powertrusion 公司和CTC公司等 FRP 制品厂家都开发了自己的FRP杆产品，并申请专利并得到了比较广泛的应用。如由南加州爱迪生公司建造的115kV复合输电杆塔线路。除此之外，为克服复合材料刚度较低，变形较大的问题，使其逐步推向高电压等级，由Ebert

37、 Composites 公司、圣地亚哥电力公司、南加州爱迪生公司联合开发了格构式复合材料杆塔，并于1996年在奥蒙德比奇发电站一条已建220kV线路上试验了三基。尽管当地干旱季节盐污腐蚀严重，但由于其表面具有自洁功能，运行多年后，未发现放电、机械损伤、电气损伤以及由气候、紫外线所引起的损伤。 图2.1.2 Ebert Composites公司的复合电杆 图2.1.3 CTC公司研究设计的复合电杆示意图 图2.1.4 powertrusion公司研制的复合电杆 图2.1.5 复合材料电杆的野外施工加拿大的RS公司是一个先进复合材料的开发商，研究开发了独特设计的复合材料杆塔（见图2.1.6、图2.

38、1.7），具有重量轻和安装方便的特点，被南加州爱迪生公司的“未来电路”项目选中，该项目是美国最先进的近傍电力线路。采用的聚氨酯树脂体系具有创新性，比常规不饱和聚酯树脂加工的复合材料有更大的强度、耐冲击力和较大比强度等优势。 图2.1.6 RS公司生产复合电杆 图2.1.7 RS公司生产不同规格复合电杆荷兰Movares工程咨询公司2005年完成了荷兰电网一条1.5公里380/150kV试验线路的方案设计，该方案旨在利用复合材料杆塔的电气绝缘性能以改善输电线路电磁场对环境的影响。该项目曾一度受到欧盟重视。Exel Compsites国际集团（分部主要在澳大利亚、奥地利、比利时、芬兰、德国、英国）

39、针对电网应用实际情况研制了复合材料杆塔，集团成立了专门的部门进行市场运作。意大利Topglass Composites公司也生产了复合材料杆结构，并且已经实现了商品产业化应用于路灯。图2.1.8 美国220KV复合材料格构式输电塔 图2.1.9 爱迪生公司建造的115kV复合输电杆从詹姆斯戴韦逊（Shakespeare公司研发部副主任）的综述报道来看，1954年就有复合材料电杆制造，同时也进行了安装使用，至今仍在服务中。在高度盐雾腐蚀并经常经受飓风的夏威夷岛上，已有使用了40多年的电杆，仍在继续工作。美国在复合材料电杆方面的研究开发和应用最为成熟。EbertComposites公司1996年研

40、制复合材料输电杆塔，并在加利福尼亚奥蒙德比奇发电站安装了三基试验杆塔，试验环境位于高盐污染地区的南加利福尼亚海滨。运行资料表明，这些杆塔直至2000年都能保持稳定的性能。观察报告表明，投运最初7个月以后运行正常，没有发现明显放电痕迹，也没发现机械损伤和电气损伤。Shakespeare玻纤产品公司1993年1995年相续研制成功复合材料配电杆及输电杆，符合公用电工业的所有机械和电气标准，首批架设的5000根用于美国山区的主配电协同，该地区冬季雪量可能超过3m厚，积雪期达6周，风速可达33m/s。图2.1.10 运行中的69kV交叉线路复合输电杆 图2.1.11 复合输电杆的运输吊装图2.1.10

41、中展示的FRP杆最长可达80英尺（27.84m），底部直径为24.38英寸（619cm），重量为1350磅（611.5kg）。适用于110kV及以下电压等级的输电线路。另外，由于复合材料质的轻质特性，对于复杂的地形条件，其还可采用直升机运输的方式送抵指定塔位。 除此之外，荷兰Movares工程咨询公司2005年完成了荷兰电网一条1.5公里380/150kV试验线路的方案设计，该方案旨在利用复合材料杆塔的电气绝缘性能以改善输电线路电磁场对环境的影响。该项目曾一度受到欧盟重视。Exel Compsites国际集团（分部主要在澳大利亚、奥地利、比利时、芬兰、德国、英国）针对电网应用实际情况研制了复合

42、材料杆塔，集团成立了专门的部门进行市场运作。意大利Topglass Composites公司也生产了复合材料杆结构，并且已经实现了商品产业化应用于路灯。随着应用范围的加大，目前美国已制定了相关的产品标准，美国土木工程师学会也已经制定了输电杆塔中FRP产品的应用标准14。长期以来，国内在输电结构领域缺乏复合材料试验和理论的研究，国内复合材料在电力行业中的研究应用起步相对国外叫晚，南方电网的广东电网公司于2007年针对复合杆塔的应用研究进行了立项，项目选用了加拿大RS公司的复合杆塔，其力学真型试验在中国电力科学研究院进行。同时，项目开展了包括电气性能、机械性能、老化性能等关键性问题在内的研究。鞍山

43、铁塔开发研制中心与鞍山铁塔厂合作，于2006年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。常熟市铁塔有限公司曾与加拿大RS公司洽谈合作复合材料杆塔项目，但因为RS公司要求过高而未能达成一致意见。除此之外，国内已有多家生产企业开始对复合杆塔的应用进行探索研究。温岭市电力绝缘器材有限公司自1995年开始研究复合材料，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，其中抢修塔已经进行了多项电气和物理性能试验，并在工程中得到应用。随着国家电网公司倡导建设环境友好型、资源节约型的“两型三新”线路，2009

44、年6月，国家电网公司基建部组织了“复合材料杆塔项目启动会”，中国电力科学研究院、国网电力科学研究院与各省电力公司与设计院、材料厂家密切配合，选取了典型环境的试点工程，电压等级涵盖10kV、35kV、110kV以及220kV四个电压等级。其中，10kV、35kV 采用全复合材料杆方案; 110kV、220kV仅应用在横担上，利用其绝缘性缩减走廊宽度。全面开展了复合材料杆塔的基本材料性能、老化性能（酸、碱、盐、紫外老化特性等）、电性能、淋雨、防覆冰材料、真型结构试验与构件连接技术试验、防雷接地试验等15，并在部分试点工程线路上进行复合材料杆塔/复合材料绝缘横担构件运行试验，图2.1.12图2.1.

45、15。截止2010年8月，已有包括江苏220kV工程等在内的三项工程投入运行。目前运行状况良好，未出现异常状况。 图2.1.12复合材料绝缘横担应用 图2.1.13上段为复合材料结构的杆塔 图2.1.14 复合材料杆塔真型试验 图2.1.15 直径1200mm的复合材料电杆等待试验 2.1.3现存问题及今后研究方向通过国网试点工程的应用试验，清楚地认识到，输电线路跨越距离长，长期处于各种复杂的自然环境和气象条件下，输电杆塔必须满足强度、刚度、抗疲劳、耐久性等性能要求。同时，输电杆塔作为输电导线的支撑结构，必须满足必要的电气性能要求。因此，将其应用于输电杆塔中还存在以下瓶颈及制约，需要给予极大的

46、关注：(1)刚度问题。由于FRP弹性模量在25至50GPa之间，与混凝土相近，但比钢材低得多，因此，受弯曲荷载作用下变形较大。杆塔过大的变形将影响输电线的电气安全距离。因此，应在设计过程中考虑电杆的刚度问题。(2)节点连接问题。节点连接是FRP应用于塔架结构的关键问题，应研究开发有效的节点连接技术。(3)热稳定性问题。输电杆塔运行的环境一般比较恶劣，尤其在高热与高寒地区，树脂材料的热稳定性非常重要。(4)老化问题。输电杆塔老化破坏可能引起输电线路的停电事故。FRP杆的树脂基体受紫外线影响容易老化，这是制约FRP杆应用的重要因素。由此可见，纤维增强复合材料杆塔与传统的杆塔相比具有更好的综合性能，

47、并且作为一种低碳、节能、环保以及符合工艺美学的新型结构，代表了输电杆塔结构的发展方向之一。从制造工艺方面看，纤维增强复合材料已经在我国其它工业部门得到广泛的应用，已基本具备复合材料杆塔的制造能力。因此在材料性能满足要求的基础上，通过合理的设计，将复合材料杆塔在输电线路工程上推广应用，具有重要的社会意义和经济效益。2.2复合芯导线2.2.1前言伴随着我国经济的持续快速发展，电网作为现代生活的基础、工业和信息化社会的脊梁，其发展越来越受到重视。架空输电导线及其基础设施作为输送电路的载体，在输电线路中占有十分重要的地位。随着我国电力需求的大幅度攀升，原有输电线路已经不堪承受传输容量快速扩容的需求。虽然电力部门已通过加大对发电设施的投资来增加额外的发电能力，但目前使用的输电线路已满负荷运行，有些甚至过载，输电线路的输电能力已成为电力供求的瓶颈问题。此外，随着我国城市化建设的快速发展，土地资源越来越紧张，架空输电线路走廊的选择已受到较大的制约。因此，为解决这些瓶颈问题，一方面需要增加新的输电线路以满足输送更多电能，但新建输电线路需要新增用地和基础设施投资，所以该方法受到资金，规