CN110284745A - 一种frp复合材料高耸塔架及其制作方法 - Google Patents

一种frp复合材料高耸塔架及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种FRP复合材料高耸塔架,包括塔架立柱、斜杆和水平杆,所述塔架立柱、斜杆和水平杆均采用FRP复合材料拉挤一次成型,所述塔架立柱、斜杆和水平杆构成空间桁架结构,所述塔架立柱上延伸设置有翼板,所述斜杆和水平杆均通过连接件与塔架立柱上的翼板通过螺栓连接。该发明采用具有耐腐蚀、高强度、重量轻、无磁性等特性的FRP复合材料,适应了国家关于节能减排的要求,使用寿命长,其重量轻,便于二次运输,不仅提高了运输效率、降低运输成本、而且提高了运输的安全性,同时也提高安装效率、降低安装成本、提高安装过程的安全性并大幅度节省了措施费。

Description

一种FRP复合材料高耸塔架及其制作方法
技术领域
本发明属于电力设备技术领域,具体涉及一种FRP复合材料高耸塔架及其制作方法。
背景技术
高耸铁塔一般包括高压(超高压)输电线铁塔,电信、微波站、电视台天线、广播电台天线铁塔,以及其他用途的塔架,常规的高耸铁塔通常采用镀锌钢型材构建而成,其的外表面虽然采用了镀锌工艺,但是镀锌钢的抗腐蚀能力仍然较差,使用寿命较短,而且钢铁资源有限。
另外,高耸铁塔一般建设在高山峻岭之间,需要铺设轻便公路以便运输安装,或者采用人力背负构件到达现场,并用人力安装,危险性大、措施费高,例如搭建脚手架,拆除脚手架费用,而且二次运输(指从汽车、火车、或船舶卸货后,由人工搬运至工程场所的运输)费用高。
发明内容
本发明的目的是克服现有镀锌钢型材制造高耸铁塔抗腐蚀能力差、使用寿命短,且施工成本高的问题。
为此,本发明实施例提供了一种FRP复合材料高耸塔架,包括塔架立柱、斜杆和水平杆,所述塔架立柱、斜杆和水平杆均采用FRP复合材料拉挤一次成型,所述塔架立柱、斜杆和水平杆构成空间桁架结构,所述塔架立柱上延伸设置有翼板,所述斜杆和水平杆均通过连接件与塔架立柱上的翼板通过螺栓连接。
进一步的,所述FRP复合材料包括按质量百分比计的如下组分:纤维65~85% ,浆料15~35%;所述纤维为高弹膜玻璃纤维或或碳纤维,且纤维的杨氏模量为70~190GPa;所述浆料包括按质量百分比计的如下组分:树脂基体95.5~98.5%,固化剂1~3%,添加剂0.5~1.5%。
进一步的,所述塔架立柱为中空封闭管状结构,包括两个互相垂直的平直管壁,以及连接两个平直管壁的弧形管壁。
进一步的,所述塔架立柱内设有加强肋,该加强肋宽度由两个平直管壁连接处向弧形管壁延伸,加强肋长度与塔架立柱长度相同。
进一步的,所述翼板为所述塔架立柱的两个平直管壁和所述加强肋的自然延伸,且所述翼板长度与塔架立柱长度相同。
进一步的,所述连接件包括平直段连接板和圆弧段连接板,所述平直段连接板与所述塔架立柱的平直管壁的形状一致,所述圆弧段连接板与塔架立柱的弧形管壁的形状一致。
进一步的,所述螺栓采用FRP复合材料制造的螺栓,或尼龙螺栓或塑料螺栓。
进一步的,所述斜杆和水平杆均为FRP复合材料制成的L型结构。
另外,本发明还提供了上述FRP复合材料高耸塔架的制作方法,包括如下步骤:
1)采用由纤维和浆料复合的FRP复合材料按设计形状通过拉挤成型工艺制造塔架立柱,且在塔架立柱拉挤成型过程中,翼板与塔架立柱一体成型,翼板在塔架立柱轴线方向与塔架立柱等长;
2)采用FRP复合材料按设计形状通过拉挤成型工艺制造连接件,且连接件在拉挤成型过程中其形状与塔架立柱形状一致,连接件在连续拉出后按设计长度截短;
3)采用FRP复合材料按设计形状通过拉挤成型工艺制造L型结构的斜杆和水平杆;
4)将斜杆和水平杆均通过连接件与塔架立柱上的翼板通过螺栓群连接构成空间桁架结构。
进一步的,由FRP复合材料拉挤成型过程中形成的拉挤件包括内芯和表面布,内芯采用纵向平行纤维,表面布采用两层双向布,且双向布的材质与纵向平行纤维相同,双向布采用45度方向进行裁剪。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
(1)本发明提供的这种FRP复合材料高耸塔架采用具有耐腐蚀、高强度、重量轻、无磁性等特性的FRP复合材料,适应了国家关于节能减排的要求,使用寿命长,其重量轻,便于二次运输,不仅提高了运输效率、降低运输成本、而且提高了运输的安全性,同时也提高安装效率、降低安装成本、提高安装过程的安全性并大幅度节省了措施费。
(2)本发明提供的这种FRP复合材料高耸塔架以FRP复合材料构造空间桁架结构,在大幅度提高塔架耐腐蚀性能、延长使用寿命的前提下,克服FRP复合材料本身杨氏模量较小的弱点,便于大规模工业应用。
(3)本发明提供的这种FRP复合材料高耸塔架的制作方法中采用FRP拉挤成型工艺制造塔架立柱、斜杆、水平杆、连接件等拉挤件,整体性好,便于流水线大规模生产。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明FRP复合材料高耸塔架的结构示意图;
图2是图1中沿A-A方向的截面示意图;
图3是图2中I部的放大图;
图4是本发明中塔架立柱的俯视图;
图5是本发明中塔架立柱与连接件的连接示意图。
附图标记说明:1、塔架立柱;2、斜杆;3、水平杆;4、螺栓;5、翼板;6、连接件;11、平直管壁;12、弧形管壁;13、加强肋;61、平直段连接板;62、圆弧段连接板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2、图3、图4和图5所示,本实施例提供了一种FRP复合材料高耸塔架,包括塔架立柱1、斜杆2和水平杆3,所述塔架立柱1、斜杆2和水平杆3均采用FRP复合材料拉挤一次成型,所述塔架立柱1、斜杆2和水平杆3构成空间桁架结构,所述塔架立柱1上延伸设置有翼板5,所述斜杆2和水平杆3均通过连接件6与塔架立柱1上的翼板5通过螺栓4连接。FRP材料的使用寿命远远高于镀锌钢型材,密度大约为镀锌钢型材的1/4;强度为镀锌钢型材的2倍以上,例如,玻璃纤维增强高分子材料(Glass Fiber Reinforced Polymer, 简称GFRP)的使用寿命大约35年而钢铁大约15年,密度为1900kg/m3,而钢铁大约7800 kg/m3;强度450MPa以上,而普通钢材大约235或345MPa,但是,钢材的杨氏模量为210GPa,而GFRP大约45GPa,由于FRP材料的杨氏模量较小,因而不能满足高耸塔架抵抗形变性能的要求,本实施例中通过FRP(纤维增强高分子材料)复合材料替代现有的镀锌钢型材构建高耸塔架,同时以FRP材料制造的塔架立柱1、斜杆2、水平杆3、连接件6构造成空间桁架结构,而在桁架结构中,每个构件都可看作二力构件,也就是说不是抗压、就是抗拉,没有受弯曲变形的情形,在大幅度提高高耸塔架耐腐蚀性能、延长使用寿命的前提下,克服本身杨氏模量较小的弱点,便于大规模工业应用。
细化的实施方式,如图4所示,所述塔架立柱1为中空封闭管状结构,包括两个互相垂直的平直管壁11,以及连接两个平直管壁11的弧形管壁12,共同组成封闭的管形柱体,这种结构具有局部抗扭能力,同时具备较高的压杆稳定性(塔架立柱主要受压),且弧形管壁12对翼板5的水平稳定性起到了关键作用。本实施例中塔架立柱1为4根,分别布置于方形地基的四角,而两个平直管壁11在四方形塔架时为互相垂直的,其形态是一个90度的扇形;当然塔架立柱1的布置还有其它形态,如三角形三立柱结构、或五边形五立柱结构等,而在其它形态的塔架中,两个平直管壁11构成的夹角为相应多边形的外角。所述斜杆2(包括平面斜杆和空间斜杆)和水平杆3(包括纵横杆和对角杆)均为FRP复合材料制成的L型结构,L型结构型材由两个互相垂直的板材组成,不仅简化了产品工艺、减轻了结构重量,而且便于与翼板5通过连接件6连接。
进一步的,在封闭管形结构的塔架立柱1中,为了提高塔架立柱1的稳定性,所述塔架立柱1内设有加强肋13,该加强肋13宽度由两个平直管壁11连接处向弧形管壁12延伸,加强肋13长度与塔架立柱1长度相同,加强肋13的设置提高了塔架立柱1的抗压截面积,增加了塔架立柱1截面惯性矩(稳定性的表征形式),同时增强了塔架立柱1的抗扭性能,而且便于斜向翼板的自然延伸,加强了翼板5的连接紧固力,使得整个塔架立柱1具有更强的整体性。
具体的,所述翼板5为所述塔架立柱1的两个平直管壁11和所述加强肋13的自然延伸,且所述翼板5长度与塔架立柱1长度相同。翼板5的作用主要是便于钻孔与连接件6用螺栓4连接,以便连接斜杆2、水平杆3形成空间桁架结构,翼板5与连接件6也可以方便地将两根或多根较短塔架立柱1接成较长的结构;本实施例中可以在翼板5的任意位置进行钻孔用于连接,钻孔一般采用两排,每排4个孔,共8个螺栓4形成螺栓群,也可以是6个、10个或12个等,必要时也可以做成三排的螺栓群,或者呈其他形状排列的螺栓群,而连接板6上会有同样排列的、位置对应的螺孔;此处所说的任意位置,不仅在横向可以钻两排或三排孔,在轴向可以在任意高度设置桁架的节点。另外,翼板5的设计大幅度增加了塔架立柱1的截面惯性矩,对塔架立柱1的受压稳定性有较大贡献,同时也增加了塔架立柱的横截面积,对塔架立柱的总体拉、压抗力有贡献,而整个高耸塔架的稳定性,是由塔架立柱1相对于整个高耸塔架弯曲的中性轴而算出的惯性矩决定的,因而翼板5的设置同样对整个高耸塔架的稳定性有贡献。
如图4所示,所述连接件6包括平直段连接板61和圆弧段连接板62,所述平直段连接板61与所述塔架立柱1的平直管壁11的形状一致,所述圆弧段连接板62与塔架立柱1的弧形管壁12的形状一致,连接件6也采用FRP拉挤工艺成型,其模具在制作时,与塔架立柱1模具同时开模,形状保持高度一致,这样使得连接件6与塔架立柱1表面完全吻合,连接件6连续拉出后按要求截短,仅在高耸塔架空间桁架的节点处,用螺栓群连接不同杆件,如塔架立柱1与水平杆3、塔架立柱1与斜杆2、或塔架立柱1与另一段塔架立柱1(塔架立柱的接长延伸)。
而在翼板5与连接件6通过螺栓4连接过程中,由于金属的硬度与FRP复合材料不同,而且FRP复合材料呈各向异性,因此金属螺栓会导致螺孔自然磨损变大,甚至导致螺孔处出现裂缝,因而本实施例中不采用金属螺栓连接,而是采用FRP复合材料制造的螺栓,或尼龙螺栓或塑料螺栓;在不得已需要用金属螺栓的情况下,可以使用FRP螺孔衬管,或者橡胶、塑料、尼龙衬管,通过衬管隔离螺孔与金属螺栓,还可以采用在金属螺栓表面涂敷FRP复合材料(或橡胶、塑料、尼龙)而匹配材料性能,从而有效保护螺孔内壁不被挤压破坏。
上述FRP复合材料高耸塔架的制作方法,具体步骤如下:
首先,通过FRP拉挤成型方法拉挤成型各种拉挤件(塔架立柱1、斜杆2、水平杆3、连接件6)。具体的,本实施例在拉挤成型工艺过程中,采用的所述FRP复合材料包括按质量百分比计的如下组分:纤维65~85% ,浆料15~35%;所述纤维为高弹膜玻璃纤维或或碳纤维,且纤维的杨氏模量为70~190GPa,保证拉挤成品杨氏模量为50~70GPa,从而保证高耸塔架能满足抗形变性能要求;所述浆料包括按质量百分比计的如下组分:树脂基体95.5~98.5%,固化剂1~3%,添加剂0.5~1.5%,树脂基体采用改性不饱和树脂,添加剂为具有抗紫外线抗老化功能的添加剂。而拉挤固化温度按照所用树脂基体具体要求,依据树脂基体、固化剂使用说明书而定,以聚脂为例,固化温度为150~160℃,以155℃为佳;拉挤速率,依据树脂基体和固化剂的不同而异,根据树脂基体、固化剂的说明书而定,以改性不饱和树脂为例,通常可设定在0.3~0.6m/分钟,以0.45m/分为佳。拉挤生产线的拉伸力根据所拉制的塔架立柱1或连接件6的尺寸确定,尺寸大则拉伸力要求大,以保证所需的拉出速度为准。另外,在塔架立柱1拉挤成型过程中,翼板5与塔架立柱1一体成型,翼板5在塔架立柱1轴线方向自始至终设置(即翼板5在塔架立柱1轴线方向与塔架立柱1等长);连接件6在拉挤成型过程中其形状与塔架立柱1形状一致,连接件6在连续拉出后按设计长度截短。
进一步优化的,上述由FRP复合材料拉挤成型过程中形成的拉挤件包括内芯和表面布,内芯采用纵向平行纤维,增强拉挤件的纵向强度和模量,为了加强其横向性能,在拉挤件表面采用两层双向布作为表面布,且双向布的材质与纵向平行纤维相同,此处双向是指经纬线都采用该高性能纤维织造;相比于单向布只有经线是高性能纤维,而纬线为廉价且更易于纺织的棉纱,单向布纬向不具有强度,纬线只是保持纺织品的形态而已,本实施例通过双向布的设计大幅度提高了拉挤件的横向力学性能。进一步的,双向布采用45度方向进行裁剪,使得布置在拉挤件表面的纤维呈正负45度方向分布,加强了拉挤件的横向、纵向抗剪切强度。
在拉挤成型各种拉挤件(塔架立柱1、斜杆2、水平杆3、连接件6)后,将斜杆2和水平杆3均通过连接件6与塔架立柱1上的翼板5通过螺栓群连接构成空间桁架结构,通过空间桁架结构设计使得高耸塔架在大幅度提高其耐腐蚀性能、延长使用寿命的前提下,克服本身杨氏模量较小的弱点,便于大规模工业应用。
综上所述,本发明提供的这种FRP复合材料高耸塔架采用具有耐腐蚀、高强度、重量轻、无磁性等特性的FRP复合材料,适应了国家关于节能减排的要求,使用寿命长,其重量轻,便于二次运输,不仅提高了运输效率、降低运输成本、而且提高了运输的安全性,同时也提高安装效率、降低安装成本、提高安装过程的安全性并大幅度节省了措施费。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明,并不构成对本发明的保护范围的限制,凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种FRP复合材料高耸塔架,包括塔架立柱、斜杆和水平杆,其特征在于:所述塔架立柱、斜杆和水平杆均采用FRP复合材料拉挤一次成型,所述塔架立柱、斜杆和水平杆构成空间桁架结构,所述塔架立柱上延伸设置有翼板,所述斜杆和水平杆均通过连接件与塔架立柱上的翼板通过螺栓连接。
2.如权利要求1所述的FRP复合材料高耸塔架,其特征在于:所述FRP复合材料包括按质量百分比计的如下组分:纤维65~85% ,浆料15~35%;所述纤维为高弹膜玻璃纤维或或碳纤维,且纤维的杨氏模量为70~190GPa;所述浆料包括按质量百分比计的如下组分:树脂基体95.5~98.5%,固化剂1~3%,添加剂0.5~1.5%。
3.如权利要求1所述的FRP复合材料高耸塔架,其特征在于:所述塔架立柱为中空封闭管状结构,包括两个互相垂直的平直管壁,以及连接两个平直管壁的弧形管壁。
4.如权利要求3所述的FRP复合材料高耸塔架,其特征在于:所述塔架立柱内设有加强肋,该加强肋宽度由两个平直管壁连接处向弧形管壁延伸,加强肋长度与塔架立柱长度相同。
5.如权利要求4所述的FRP复合材料高耸塔架,其特征在于:所述翼板为所述塔架立柱的两个平直管壁和所述加强肋的自然延伸,且所述翼板长度与塔架立柱长度相同。
6.如权利要求3所述的FRP复合材料高耸塔架,其特征在于:所述连接件包括平直段连接板和圆弧段连接板,所述平直段连接板与所述塔架立柱的平直管壁的形状一致,所述圆弧段连接板与塔架立柱的弧形管壁的形状一致。
7.如权利要求1所述的FRP复合材料高耸塔架,其特征在于:所述螺栓采用FRP复合材料制造的螺栓,或尼龙螺栓或塑料螺栓。
8.如权利要求1所述的FRP复合材料高耸塔架,其特征在于:所述斜杆和水平杆均为FRP复合材料制成的L型结构。
9.如权利要求1~8任一项所述的FRP复合材料高耸塔架的制作方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)采用由纤维和浆料复合的FRP复合材料按设计形状通过拉挤成型工艺制造塔架立柱,且在塔架立柱拉挤成型过程中,翼板与塔架立柱一体成型,翼板在塔架立柱轴线方向与塔架立柱等长;
2)采用FRP复合材料按设计形状通过拉挤成型工艺制造连接件,且连接件在拉挤成型过程中其形状与塔架立柱形状一致,连接件在连续拉出后按设计长度截短;
3)采用FRP复合材料按设计形状通过拉挤成型工艺制造L型结构的斜杆和水平杆;
4)将斜杆和水平杆均通过连接件与塔架立柱上的翼板通过螺栓群连接构成空间桁架结构。
10.如权利要求9所述的FRP复合材料高耸塔架的制作方法,其特征在于:由FRP复合材料拉挤成型过程中形成的拉挤件包括内芯和表面布,内芯采用纵向平行纤维,表面布采用两层双向布,且双向布的材质与纵向平行纤维相同,双向布采用45度方向进行裁剪。
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