技术领域
[0001] 本
发明属于特种结构技术领域，具体涉及到将增强
纤维复合材料(FRP) 筋与角钢构件相结合，研发适用于各地方输电塔的新型组合结构横担的建造 技术。
背景技术
[0002] 电
力作为重要的二次
能源，在经济大力发展和人们生活
水平快速提高过 程中占据着举足轻重的作用，其消耗需求与日俱增。为解决资源枯竭和日益 突出的能源需求问题，长距离电力能源输送起到了非常大的作用，然而，由 于输电距离较长，输送耗损较大。为此，既能够解决长距离输送产生的能源 耗损又能够实现大容量运输的高
电压输电线路克服了上述困难，成为了节约 宝贵能源的有效输送走廊，提高了能源的实际利用率。
[0003] 作为输送
电能载体的输电塔线体系往往经过峡谷、河流及雨凇多发地区， 海拔高差大，自然环境严酷。目前大量采用钢材作为输电塔材料，也给钢材 生产、施工运输和运行维护带来了诸多困难。同时，高电压输电塔在服役期 内长期承受长期处于恶劣的自然环境当中，输电塔线体系的材料会被逐渐腐 蚀劣化，再考虑到持续、交变的环境荷载(如
风荷载等)作用，结构会产生 疲劳损伤累积，体系的抗力和性能逐步退化，从而降低结构抵抗极端环境作 用的能力，引起结构体系的可靠度降低，导致事故发生。换言之，虽然
腐蚀、
温度变化、风致疲劳等大气环境作用不是输电塔线体系破坏事故的直接原因， 但却是一个相当重要的因素，不可忽视。因此，保证输电塔线体系的安全对 保障电力系统安全运行起着至关重要的作用，在全寿命周期成本分析的
基础 上利用新
型材料发展输电塔的设计方法和建造技术是未来的发展趋势。
[0004] 近年来，采用新型高性能绿色环保材料代替钢材受到了广泛关注。增强 纤维复合材料由于具有强度高、
质量轻、耐腐蚀、化学
稳定性好、可设计性 强和绝缘性能好等优点，越来越为工程界所重视，现已在石油、化工、
桥梁 以及建筑行业得到大量工程应用示范。同时，增强纤维复合材料的力学性能 随着生产工艺的不断改进和发展已逐步提高，在输电塔建设中采用增强纤维 复合材料已成为可能。将增强纤维复合材料应用于输电塔建造的优点主要体 现在两个方面：一方面，采用增强纤维复合材料建造输电塔，既可以节约钢 材和保护环境，还可以充分利用增强纤维复合材料的
耐腐蚀性、绝缘性和抗 疲劳性能；另一方面，采用增强纤维复合材料建造输电塔被盗的可能性小、 无毒害，可重复利用，还增强了线路的环境友好性。显然，增强纤维复合材 料能有效减少或避免输电塔的腐蚀损伤和风致疲劳损伤，延长输电塔的服役 周期，降低运营和维护成本，从而解决输电线路的走廊问题。
[0005] 关于增强纤维复合材料在输电线路中的应用早在半个多世纪以前便已经 展开了相关研究，但是当时主要是采用
树脂基玻璃纤维复合材料(GFRP)电 杆。树脂一般采用综合性能较好的环
氧树脂
固化体系为基体材料，采用连续 纤维缠绕成型工艺进行加工。但是这种GFRP电线杆成本高，而且由于工艺 技术和树脂配方问题导致抗老化性能差，使用寿命短，导致FRP未能在实际 输电线路工程中得到应用。时至今日，随着树脂和纤维材料力学性能的不断 改进，生产工艺和制造技术的提高，增强纤维复合材料(FRP)电杆重新受 到了欧美国家输电行业的重视。利用添加剂改善了基体数值的抗老化性能， 以CFRP、GFRP、BFRP以及各类FRP混杂使用作为增强纤维材料来提材料 力学性能以及采用拉挤或缠绕成型工艺进行生产。因此，目前新型FRP电线 杆不仅承载能力高、
变形性能好而且成本低，已经在美国、加拿大等国家投 入使用，并且部分国家已经成功研发出了拉挤结构输电塔。
[0006] 然而，虽然增强纤维复合材料输电杆、塔由于其优良的综合性能已经在 欧美得到应用，但是直到20世纪50年代我国才开始对增强纤维复合材料进 行研究，而且由于当时复合材料的制造工艺和力学性能等原因，知识复合材 料尚不能满足工程应用的一些性能指标。近年来，由于增强纤维复合材料所 具有的明显诸多优势逐步现象出来，尤其是其强度和比模量高于钢材等金属 数倍，轻质、耐腐蚀和抗疲劳特性非常适合山区
塔架或桥梁工程。因此，随 着增强纤维复合材料生产工艺的改善和材料性能的提高，
现有技术中已经有 开始从事增强纤维复合材料在输电塔中的研究和应用工作。
[0007] 就输电塔的力学特征而言，前已述及环境腐蚀和风致疲劳损伤是角钢、 钢管等输电塔体构件力学性能退化难以克服的不利因素，而各类增强纤维复 合材料(FRP)的受拉性能一般又比其受压性能强，若全部采用增强纤维复 合材料(FRP)势必造成材料浪费。于是，本发明在充分考虑输电塔体受力 情况的前提下，充分力用钢材和增强纤维复合材料(FRP)的力学性能，针 对输电塔中腐蚀损伤和疲劳损伤易发生的关键部位-输电塔横担，提出了采用 增强纤维复合材料(FRP)和角钢构件进行组合建造的方法。
发明内容
[0008] 本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或
缺陷，并提供至少后面将说 明的优点。
[0009] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于输电塔的 FRP筋-角钢组合横担的制作方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤一、横担构件制作：采用等边角钢构件制作横担下部的两根平行的 角钢下
弦杆以及两根平行的角钢下弦杆之间相互连接的水平角钢腹杆；采用 采用FRP筋制作两根平行的横担FRP筋上弦杆、两根平行的横担FRP筋上 弦杆之间相互连接的FRP筋水平腹杆、以及横担FRP筋上弦杆与角钢下弦杆 之间连接的FRP筋竖向腹杆；加工制作横担FRP筋上弦杆、FRP筋水平腹杆、 FRP筋竖向腹杆、角钢下弦杆相互之间连接的
节点连接构件，节点连接构件 的一端为带螺孔的高强钢板，另一端为带一定数量螺孔的高强钢
套管和与螺 孔相匹配的高强
螺栓；
[0011] 步骤二、横担下部受压角钢构件组装连接：采用高强螺栓和钢节点板将 多根角钢下弦杆相连接，同时将两根平行的角钢下弦杆与水平角钢腹杆相连 接，构成高电压输电塔横担的下部受压角钢构件，角钢下弦杆之间的水平角 钢腹杆需交叉布置对两根下弦杆构成稳定的水平
支撑体系，两根平行的角钢 下弦杆连接在输电塔身上，且角钢下弦杆及其水平角钢腹杆均向上倾斜与水 平截面形成一固定角度α；
[0012] 步骤三、横担上部受拉FRP构件组装连接：将两根平行的横担FRP筋上 弦杆的一端与输电塔身连接，另一端与横担下部受压角钢构件采用钢节点板 和高强螺栓连接，且横担FRP筋上弦杆与角钢下弦杆形成一定角度；将FRP 筋竖向腹杆的一端与横担FRP筋上弦杆连接，另一端与角钢下弦杆连接；两 根平行的横担FRP筋上弦杆之间的FRP筋水平腹杆需交叉布置连接；其中， 将横担下部受压角钢构件的长度增加，同时缩短上部横担FRP上弦杆的长度， 使得组装后的横担整体向上倾斜一固定角度α，从而消除因FRP材料拉伸变 形导致横担在输电线和绝缘子等重力或振动荷载作用下出现的过大挠曲变 形。
[0013] 优选的是，所述步骤三中，两根平行的横担FRP筋上弦杆的制作过程为： 将横担FRP筋上弦杆两端分别插入节点连接构件的高强钢套管内，高强钢套 管与横担FRP筋上弦杆之间采用
环氧树脂胶粘结，同时在高强钢套管的螺孔 内拧入高强螺栓
挤压FRP筋，从而增强FRP筋与高强钢套管之间的连接，横 担FRP筋上弦杆相互之间采用两端的节点连接构件的高强钢板与钢节点板连 接组成；横担FRP筋上弦杆与横担下部受压角钢构件的连接采用将横担FRP 筋上弦杆上的节点连接构件的高强L型钢板与钢节点板采用高强螺栓连接， 钢节点板另一侧的钢板与输电塔身的角钢或横担下部受压角钢采用高强螺栓 连接。
[0014] 优选的是，所述步骤三中，FRP筋竖向腹杆的两端分别插入节点连接构 件的高强钢套管内，FRP筋竖向腹杆与高强钢套管之间采用环氧树脂胶粘结， 同时再在高强钢套筒的螺栓孔内拧入高强螺栓挤压FRP筋，与FRP筋竖向腹 杆连接的一端的节点连接构件的高强钢板通过钢节点板与横担FRP筋上弦杆 连接，另一端的节点连接构件的高强钢板通过钢节点板与角钢下弦杆连接， 其中，横担FRP筋上弦杆与角钢下弦杆之间竖直和交叉布置有多根FRP筋竖 向腹杆。
[0015] 优选的是，所述步骤三中，FRP筋水平腹杆交叉布置连接的方式为：FRP 筋水平腹杆的两端分别插入节点连接构件的高强钢套管内，FRP筋水平腹杆 与高强钢套管之间采用环氧树脂胶粘结，同时再在高强钢套筒的螺栓孔内拧 入高强螺栓挤压FRP筋，与FRP筋水平腹杆连接的一端的节点连接构件的高 强钢板通过钢节点板与一侧的横担FRP筋上弦杆连接，另一端的节点连接构 件的高强钢板通过钢节点板与另一侧的横担FRP筋上弦杆连接，其中，两根 平行的横担FRP筋上弦杆之间竖直交叉布置有多根FRP筋水平腹杆。
[0016] 优选的是，所述FRP筋采用
碳纤维增强纤维复合材料CFRP、
玄武岩纤 维增强纤维复合材料BFRP、玻璃纤维增强纤维复合材料GFRP中的任意一 种。
[0017] 优选的是，所述横担FRP筋上弦杆、FRP筋水平腹杆、FRP筋竖向腹杆、 角钢下弦杆连接采用的钢节点板、节点连接构件的高强钢板和高强钢套管高 强钢板均采用Q345、Q420或Q460强度等级的高强钢。
[0018] 优选的是，所述横担下部受压角钢构件的角钢下弦杆采用Q345、Q420 或Q460强度等级的角钢构件，角钢下弦杆之间的水平角钢腹杆采用Q345、 Q420或Q460强度等级的等边角钢构件，角钢下弦杆之间、以及角钢下弦杆 与水平角钢腹杆之间采用高强螺栓和钢节点板连接。
[0019] 本发明至少包括以下有益效果：本发明中采用角钢与增强纤维复合材料 (FRP)筋的组合结构建造输电塔横担，各个构件通过本发明提出的新型节 点连接形成整体，从而形成协调工作能力好和稳定性高的输电塔横担结构。 本发明中将两种材料的组合使用，充分利用了增强纤维复合材料(FRP)较 强的抗拉承载能力和角钢较强的抗压承载能力；采用增强纤维复合材料 (FRP)作为横担的抗拉构件能有效提高横担抵抗
导线长期风致振动引起的 疲劳损伤的发生和发展；增强纤维复合材料(FRP)延缓或避免了环境腐蚀 的发生，从而减缓了腐蚀疲劳耦合损伤对横担受拉构件力学性能退化速度的 影响；横担下部受压角钢构件向上倾斜的结构，提高了横档的承载能力；本 发明有利于实现新型增强纤维复合材料在输电塔建造中的应用，从而提高输 电塔的耐久性。
[0020] 本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将 通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
[0021] 图1是本发明FRP筋-角钢组合横担的三维示意图；
[0022] 图2是本发明节点连接构件的三维示意图；
[0023] 图3是本发明中带节点连接构件的FRP筋三维示意图；
[0024] 图4是本发明中横担FRP筋上弦杆与FRP筋水平腹杆的连接示意图；
[0025] 图5是本发明中角钢下弦杆与水平角钢腹杆的连接节点示意图；
[0026] 图6是本发明中端部横担上弦杆FRP筋及FRP筋水平腹杆与塔身角钢连 接节点示意图。具体实施方式：
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照
说明书文字能够据以实施。
[0028] 应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一 个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0029] 图1～6示出了本发明的一种用于输电塔的FRP筋-角钢组合横担，所述 FRP筋-角钢组合横担的制作方法包括以下步骤：
[0030] 步骤一、横担构件制作：采用等边角钢构件制作横担下部的两根平行的 角钢下弦杆1以及两根平行的角钢下弦杆之间相互连接的水平角钢腹杆2； 采用采用FRP筋8制作两根平行的横担FRP筋上弦杆3、两根平行的横担FRP 筋上弦杆之间相互连接的FRP筋水平腹杆4、以及横担FRP筋上弦杆3与角 钢下弦杆1之间连接的FRP筋竖向腹杆5；加工制作横担FRP筋上弦杆3、 FRP筋水平腹杆4、FRP筋竖向腹杆5、角钢下弦杆1相互之间连接的节点连 接构件6，节点连接构件的一端为带螺孔的高强钢板61或高强L型钢板63， 另一端为带一定数量螺孔的高强钢套管62和与螺孔相匹配的高强螺栓；
[0031] 步骤二、横担下部受压角钢构件组装连接：采用高强螺栓和钢节点板7 将多根角钢下弦杆1相连接，同时将两根平行的角钢下弦杆1与水平角钢腹 杆2相连接，在两根平行的角钢下弦杆1的一端螺栓连接与角钢下弦杆1垂 直的固定角钢10，构成高电压输电塔横担的下部受压角钢构件，角钢下弦杆 1之间的水平角钢腹杆2需交叉布置对两根下弦杆构成稳定的水平支撑体系， 两根平行的角钢下弦杆1的一端连接在输电塔身上，另一端与两根平行的横 担FRP筋上弦杆连接，且角钢下弦杆及其水平角钢腹杆均向上倾斜与竖直输 电塔的水平截面形成一固定角度α，
[0032] 步骤三、横担上部受拉FRP构件组装连接：将两根平行的横担FRP筋上 弦杆3的一端与竖直输电塔的角钢连接，另一端与横担下部受压角钢构件采 用钢节点板7和高强螺栓连接，且两根平行的横担FRP筋上弦杆3与两根平 行的角钢下弦杆1形成一定角度；将FRP筋竖向腹杆5的一端与横担FRP筋 上弦杆3连接，另一端与角钢下弦杆1连接；两根平行的横担FRP筋上弦杆 3之间的FRP筋水平腹杆4需交叉布置连接；其中，将横担下部受压角钢构 件的长度增加，同时缩短上部横担FRP上弦杆3的长度，使得组装后的横担 整体向上倾斜一固定角度α，从而消除因FRP材料拉伸变形导致横担在输电 线和绝缘子等重力或振动荷载作用下出现的过大挠曲变形。
[0033] 在本发明的技术方案中，采用增强纤维复合材料FRP和角钢的合理搭配 使用既改变了横担的承载和变形能力，又提高了横担的耐久性，横担向上倾 斜一固定角度α能显著提高横担的承载能力；增强纤维复合材料FRP绝缘性 好、抗腐蚀和抗风致疲劳能力强，延长了横担的使用寿命，提高了横担的耐 久性；横担受力复杂采用增强纤维复合材料(FRP)作为受拉构件和采用角 钢作为受压构件，充分利用了组合结构中不同材料的力学性能，具有结构形 式新颖美观，建设周期短、节能、节材、环保等特点。
[0034] 在上述技术方案中，所述步骤三中，两根平行的横担FRP筋上弦杆3的 制作过程为：将横担FRP筋上弦杆3两端分别插入节点连接构件6的高强钢 套管62内，高强钢套管62与横担FRP筋上弦杆3之间采用环氧树脂胶粘结， 同时在高强钢套管62的螺孔内拧入高强螺栓挤压FRP筋，从而增强FRP筋 与高强钢套管62之间的连接，横担FRP筋上弦杆3相互之间采用两端的节 点连接构件的高强钢板61与钢节点板7连接组成，横担FRP筋上弦杆的一 端与横担下部受压角钢构件的连接采用将横担FRP筋上弦杆上的节点连接构 件6的高强L型钢板63与钢节点板7采用高强螺栓连接，钢节点板另一侧的 钢板与横担下部受压角钢采用高强螺栓连接，高强L型钢板63另一侧的钢板 与FRP筋水平腹杆4的高强钢板连接，高强L型钢板63既可以实现与横担 下部受压角钢的连接，又可以实现与FRP筋水平腹杆4的连接；两根平行的 横担FRP筋上弦杆3的另一端的节点连接构件6的高强钢板61与竖直输电 塔上的角钢通过钢节点板7和节点高强钢板9连接。
[0035] 在上述技术方案中，所述步骤三中，FRP筋竖向腹杆5的两端分别插入 节点连接构件6的高强钢套管62内，FRP筋竖向腹杆5与高强钢套管62之 间采用环氧树脂胶粘结，同时再在高强钢套筒的螺栓孔内拧入高强螺栓挤压 FRP筋，与FRP筋竖向腹杆5连接的一端的节点连接构件6的高强钢板61 通过钢节点板7与横担FRP筋上弦杆3连接，另一端的节点连接构件6的高 强钢板61通过钢节点板7与角钢下弦杆1连接，其中，横担FRP筋上弦杆3 与角钢下弦杆1之间竖直和交叉布置有多根FRP筋竖向腹杆5。
[0036] 在上述技术方案中，所述步骤三中，FRP筋水平腹杆4交叉布置连接的 方式为：FRP筋水平腹杆4的两端分别插入节点连接构件6的高强钢套管62 内，FRP筋水平腹杆4与高强钢套管62之间采用环氧树脂胶粘结，同时再在 高强钢套筒的螺栓孔内拧入高强螺栓挤压FRP筋，与FRP筋水平腹杆4连接 的一端的节点连接构件6的高强钢板61通过钢节点板7与一侧的横担FRP 筋上弦杆3的节点连接构件6的高强钢板61连接，另一端的节点连接构件6 的高强钢板61通过钢节点板7与另一侧的横担FRP筋上弦杆3的节点连接 构件6的高强钢板61连接连接，其中，两根平行的横担FRP筋上弦杆3之 间竖直交叉布置有多根FRP筋水平腹杆4。
[0037] 在上述技术方案中，所述FRP筋采用
碳纤维增强纤维复合材料CFRP、 玄武岩纤维增强纤维复合材料BFRP、玻璃纤维增强纤维复合材料GFRP中的 任意一种。
[0038] 在上述技术方案中，所述横担FRP筋上弦杆3、FRP筋水平腹杆4、FRP 筋竖向腹杆5、角钢下弦杆1连接采用的钢节点板7、节点连接构件的高强钢 板61和高强钢套管62高强钢板均采用Q345、Q420或Q460强度等级的高强 钢。
[0039] 在上述技术方案中，所述横担下部受压角钢构件的角钢下弦杆1采用 Q345、Q420或Q460强度等级的角钢构件，角钢下弦杆1之间的水平角钢腹 2杆采用Q345、Q420或Q460强度等级的等边角钢构件，角钢下弦杆1之间、 以及角钢下弦杆1与水平角钢腹杆2之间采用高强螺栓和钢节点板7连接。
[0040] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领 域的人员而言，可容易地实现另外的
修改，因此在不背离
权利要求及等同范 围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图 例。
