复合材料单管通信塔由纤维与树脂基体按一定比例混合并经过拉挤、缠绕等工艺加工成型, 具有强度高、质量轻、耐腐蚀、绝缘性好等特点, 在电力塔中有应用案例。中国电力科学研究院、国网电力科学研究院等对复合材料开展了材料性能、老化性能、电性能、淋雨、防覆冰材料、真型结构与构件连接技术试验、防雷接地以及试点线路运行等试验, 部分试验仍在进行中。柳伟钧等^[1]对电力塔复合材料杆塔技术和应用现状进行了总结, 朱轲等^[2]对复合材料电力塔插接部位进行了有限元分析, 李姗姗等^[3]对复合材料进行了老化分析和寿命评估。

　　 除以上研究成果外, 电力塔相关研究成果还包括格构式塔身连接节点优化、整塔静力性能试验研究、不同复合材料类型的拉压试验研究等。通信塔与电力塔在构成上类似, 使用功能上不同, 电力塔通过横担和绝缘子挂置导线, 通信塔则挂载天线, 且天线采用馈线与机房设备连接, 通信塔需要考虑馈线从塔顶到地面的铺设方式。格构式塔馈线沿塔身外侧铺设, 而单管塔馈线为塔身内侧铺设, 需要在塔身上开设孔洞, 因而应考虑塔身开孔对复合材料杆塔整体性能的影响。由于复合材料通信塔存在特殊性, 所以应针对其进行深入研究。本文通过研究复合材料单管通信塔的材料性能、成型技术、整塔力学性能、关键节点工艺、工程塔检测等, 给出聚氨酯玻璃纤维复合材料杆塔在单管通信塔中的适用场景和注意事项。

　　 复合材料由基体材料和增强体材料组合而成, 各种材料在性能上取长补短, 产生协同效应, 获得优于原材料性能的复合材料。

　　 通信塔使用的基体材料为热固性树脂, 该树脂通过化学反应, 将低分子聚合成高分子链, 链与链之间又通过化学键交联形成相对分子质量无限大的三维空间网^[4]。可起到固定、支承、保护增强体材料的作用, 以传递增强体材料间的荷载。

　　 增强体材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等。碳纤维比强度 (拉伸强度/比重) 最高, 芳纶纤维次之, 玻璃纤维最低^[5]。使用比强度高的碳纤维作为增强体材料可获得很好的力学性能, 但其造价较高, 实际使用受到限制;芳纶纤维与树脂基体变形协调性不佳, 承受荷载时整体性较差, 不适合作为组成成分。鉴于经济性与多成分协调性, 通信塔增强体材料通常采用玻璃纤维。

　　 采用基体材料和增强体材料组合而成的复合材料, 其力学性能既与材料自身特性相关, 又与复合材料构造形式和成型工艺相关。

　　 玻璃纤维种类包括:E, SR, M, AR, C, HD等, 其拉伸强度为1.0~5.0GPa, 弹性模量为60~110GPa;与Q345钢材相比, 拉伸强度增大一个数量级, 弹性模量减小一个数量级。性能等级较低的玻璃纤维制造成本相应较低, 反之较高, 可根据工程受力需要选用相应的玻璃纤维类别。

　　 热固性树脂拉伸强度为40~200MPa, 弯曲模量为2.0~12.0GPa。其中环氧树脂拉伸强度最高, 酚醛树脂弯曲模量最高。环氧树脂为不饱和材料, 具有脆性较高、不允许开孔、老化较快等缺点。聚氨酯为饱和类材料, 具有弹性较好、抗老化性能优良、开洞影响较环氧树脂小等优点。工程中可选择聚氨酯作为基体材料。

　　 两种材料采用不同的构造形式可获得不同力学性能的复合材料, 最主要的构造形式包括:层状构造、夹层构造、三维编织、短纤维等。其中三维编制构造的复合材料具有较高的抗冲击性能和损伤容限^[6]。

　　 复合材料成型工艺对物理力学性能影响显著, 主要成型技术有:手糊、模压、树脂传递模塑、纤维缠绕、拉挤等。其中纤维缠绕和拉挤成型工艺生产出的产品纤维含量高、力学性能较好, 在杆塔制作中为常用工艺类型。传统缠绕机以生产环向纤维为主, 适合于径向受力的压力管道;新型缠绕机可缠绕角度大于1°的任意角度纤维;拉挤成型工艺则以轴向分布纤维为主, 适合于轴向受力构件。

　　 综上所述, 结合单管通信塔塔身需要开孔的特性, 应选取弹性好且能满足开孔需求的材料类型和成型工艺。经过反复试验对比, 以E-玻璃纤维作为外侧环绕增强体材料, HD-玻璃纤维作为内侧近似沿轴线分布的增强体材料, 聚氨酯作为基体材料, 采用三维编制构造形式和纤维缠绕成型技术将16~28层玻璃纤维浸渍聚氨酯后均匀地、有规律地缠绕成型, 形成的聚氨酯玻璃纤维复合材料具有弹性好、强度高、耐老化、可开孔等优点。其主要力学性能如表1所示。

　　 聚氨酯玻璃纤维复合材料与Q345钢材力学参数对比如下:复合材料拉伸强度为钢材的1.6倍;拉伸模量为钢材的1/7;轴向热膨胀系数为钢材的1.35倍;环向热膨胀系数为钢材的14.8倍;拉伸标称应变为钢材的1/3。考虑到复合材料存在老化, 设计时拉伸强度应折减使用, 老化试验显示聚氨酯玻璃纤维复合材料50年强度降低率为10%, 折减后的拉伸强度为Q345钢材的1.4倍, 强度满足通信塔使用要求。此外, 拉伸模量较低导致该种材料变形较大, 工程中需要控制单管通信塔变形。

　　 复合材料单管通信塔建设场景为室外露天, 材料耐老化性能对其稳定运行影响很大, 文献[3]指出环氧树脂基复合材料经过加速老化试验后, 界面光滑, 树脂大量脱落, 热稳定性下降明显, 而聚氨酯基复合材料纤维和树脂界面结合良好, 表现出更佳耐老化性能, 经过3 024h加速老化试验后, 聚氨酯玻璃纤维复合材料的弯曲模量保留率在90%以上。

　　 本文对制作的聚氨酯玻璃纤维复合材料取样进行了湿热、紫外、盐雾等多项试验, 结果如下。

　　 样品规格为10mm×5mm, 数量为3块, 对表面进行处理。试验设备为Q-LAB紫外老化试验箱, 试验周期分别为1 008, 2 016, 3 024h。暴露方式为:紫外线波长340nm, 强度0.76w/m², 循环暴露周期为黑标温度 (60±3) ℃, 辐照暴露4h;黑标温度 (50±3) ℃, 无辐照冷凝暴露4h。紫外光老化试验前后试样表面状态如图1所示。

　　 图1 (a) 为采用涂层处理后的试样表面, 处理后表面变得光洁平整, 仅在局部出现少量孔洞, 试样表面隐约可见条纹状。由图1 (b) ~ (d) 可见, 试样经1 008h紫外光老化试验后, 在试样表面未见明显变化, 经2 016h紫外光老化试验后, 试样表面颜色变浅, 经3 024h紫外光老化试验后, 试样表面颜色变得更浅。试验结果表明, 所有经涂层处理后的试样表面均未出现发黏、裂纹及龟裂现象。

　　 聚氨酯玻璃纤维复合材料在3 024h加速老化试验过程中, 弯曲模量变化如表2所示。

　　 从表2可知, 聚氨酯玻璃纤维复合材料的弯曲模量保留率在90%以上。结合文献[3], 在使用年限内考虑老化对强度的影响, 可对聚氨酯玻璃纤维复合材料的相关力学参数折减10%~15%使用。

　　 样品规格为10mm×5mm, 数量为3块, 对表面进行处理。试验设备为盐雾试验箱, 试验周期分别为400h, 腐蚀环境为5%Na Cl溶液, 间断喷雾, 工作室温度为 (35±2) ℃, 工作室湿度≥95%。

　　 测试前对试样表面进行涂层处理, 待涂层处理完毕后进行清洗、烘干、称重, 试样表面处理前如图2 (a) 所示。将试样置于试验箱内, 接通电源开始试验, 阶段性喷雾 (15min喷雾, 15min保温) , 试验周期共400h, 试验结束取出试样, 进行清洗、烘干、称重, 试验后的试样表面如图2 (b) 所示。由图2可知, 盐雾试验后, 在试样表面未见明显腐蚀产物, 试验前后在试样表面状态未见明显变化。盐雾试验前后试样质量分别为186.8, 186.9g, 盐雾试验后的试样略有增重。

　　 综上可知, 聚氨酯玻璃纤维复合材料耐老化性能满足使用要求。

　　 聚氨酯玻璃纤维复合材料与钢材、混凝土力学指标、耐老化指标均不同, 采用该种材料制成的单管通信塔, 其整塔力学性能也与钢塔及混凝土塔存在区别, 主要体现在承载力、变形等方面。选择3种典型尺寸的聚氨酯玻璃纤维复合材料单管通信塔与相应高度常用钢塔及混凝土塔进行对比研究。3种复合材料杆塔 (后文以杆塔的高度进行区分) 如下:1) 160×9等径杆, 直径为160mm, 壁厚为5.5mm, 高度为9m, 主要使用于支撑杆主杆;2) 190×15锥形杆, 梢径为190mm, 根径为390mm, 壁厚为12mm, 高度为15m, 主要适用于直埋类塔型, 如小型通信站、微通信站等;3) 350×25锥形杆, 分为四段, 各段之间插接连接, 插接长度为1.5D (D为插接段外管最大内径) , 首段梢径为350mm, 末段根径为880mm, 壁厚为11mm, 总高度为25m, 主要适用于大型通信塔。

　　 对3种复合材料杆塔分别进行弯矩试验, 加载参考环形混凝土电杆^[7]试验方法, 试验仪器采用MP10-A型电杆荷载挠度测试仪、BZL-1A智能标准测力仪、百分表、钢直尺等。

　　 加载过程如下:1) 由0按承载能力极限状态弯矩的20%的级差加荷至承载能力极限状态弯矩的80%, 然后按承载能力极限状态弯矩的10%的级差加载至承载能力极限状态弯矩, 每次静停时间3min, 测量并记录挠度值, 观察复合材料杆塔表面情况。2) 由承载能力极限状态弯矩卸荷至0, 卸荷后静停时间为3min, 测量并记录残余变形及挠度值。3) 由0按承载能力极限状态弯矩的20%的级差加荷至承载能力极限状态弯矩, 测量并记录挠度值, 观察复合材料杆塔表面情况;递增至承载能力极限状态弯矩的160%后, 按承载能力极限状态弯矩的10%的级差继续加荷至破坏极限状态检验弯矩, 每次静停时间3min, 测量并记录挠度值, 观察复合材料杆塔表面情况。3种复合材料杆塔承载力测试结果如表3所示。

　　 试验中对复合材料杆塔表面情况观察结果为:第一次加载到承载能力极限状态弯矩时, 复合材料杆塔未出现基体开裂、界面脱接、分层 (层间开裂) 和纤维断裂等现象;第二次加载到破坏极限状态检验弯矩时, 复合材料杆塔未出现基体开裂、界面脱接、分层 (层间开裂) 和纤维断裂等现象。相同规格钢塔和混凝土杆塔承载力如表4所示。

　　 对比表3, 4可知:1) 9m聚氨酯玻璃纤维复合材料塔承载力高于同尺寸钢塔及混凝土塔, 在小型杆塔应用中具有优势;2) 15m聚氨酯玻璃纤维复合材料塔承载力高于同尺寸混凝土塔, 低于钢塔, 替代混凝土塔具有优势;3) 25m聚氨酯玻璃纤维复合材料塔承载力低于同尺寸钢塔, 从承载力角度考虑, 大型杆塔采用聚氨酯玻璃纤维复合材料不具备优势。

　　 3种复合材料杆塔变形测试结果如表5所示。

　　 试验卸载后复合材料杆塔挠度测量结果为:第一次卸载后无残余变形;第二次卸载后存在残余变形, 约为2%, 复合材料杆塔外观完好。

　　 相同规格钢塔和混凝土塔变形如表6所示。

　　 对比表5, 6可知:1) 9m聚氨酯玻璃纤维复合材料塔水平位移低于同尺寸钢塔和混凝土塔;2) 15m聚氨酯玻璃纤维复合材料塔水平位移高于同尺寸钢塔和混凝土塔;3) 25m聚氨酯玻璃纤维复合材料塔水平位移低于同尺寸钢塔和混凝土塔。

　　 结合承载力与水平位移的对比结果可知, 复合材料组分不同, 整塔力学性能差别较大, 对结果影响大。由于玻璃纤维拉伸强度大于钢材, 小型复合材料杆塔承载力较同尺寸钢塔和混凝土塔表现好, 可作为替代塔;由于聚氨酯玻璃纤维复合材料刚度较低, 大型杆塔变形较大, 实际工程中采用加大杆塔直径来抵抗变形, 导致相应尺寸下其强度较钢材下降较多, 因此复合材料在外观尺寸上不具有优势。当高度确定, 需要控制底部直径时, 复合材料杆塔需要通过增加壁厚、增加纤维数量等措施来提高性能, 相应成本也会提高。

　　 聚氨酯玻璃纤维复合材料、钢材和混凝土材料在制造成本及运输成本上有较大差别。对3种直径的复合材料单管通信塔与同规格钢塔及混凝土塔的经济性进行对比, 结果如表7所示。由表7可知, 小型复合材料杆塔制造成本较钢塔及混凝土塔均高, 但因其具有耐腐蚀, 可直埋的优点, 其总成本比含基础的钢塔低, 在对美观要求较高的城市市区及需要考虑绝缘性的区域可替代钢塔使用, 在郊区以混凝土塔为主, 对搬运不便的山区, 可借复合材料质量轻的优势替代混凝土塔使用;中型复合材料杆塔与钢塔总成本差别不大, 根据实际情况选择;大型杆塔在有特殊要求时可选择复合材料。

　　 聚氨酯玻璃纤维复合材料应用于单管通信塔, 需根据通信塔的特点研究相关节点性能。

　　 根据馈线布置要求, 复合材料单管通信塔身上需要开孔, 塔身开孔分为三类:塔顶馈线孔、中部馈线孔、塔底检修孔。

　　 复合材料开孔会导致增强体材料断裂, 从而失去承载能力。聚氨酯玻璃纤维复合材料采用三维编制构造形式和纤维缠绕成型技术将16~28层玻璃纤维呈不同角度缠绕成型, 开孔造成孔洞位置的纤维断裂, 但在孔洞周边呈多角度布置的纤维网会起到相应的分担作用。考虑到复合材料与钢材存在差异性, 且无相关试验对复合材料开孔后的受力性能进行深入研究, 孔洞可采取如下处理方法:1) 塔顶馈线孔采用小型圆孔, 满足小型光纤走线即可, 通过将RRU通信设备布置在塔上的方法, 充分减小馈线直径, 从而减小馈线孔的开孔直径;2) 孔洞外侧可设置复合材料加强箍, 加强箍与塔身之间采用结构胶粘接, 加强箍的纤维缠绕方式主要以轴向和环向为主;3) 增大中部馈线孔间距, 小型塔取消设置中部馈线孔;4) 塔底检修孔采用满足要求的最小开孔尺寸, 且外部采用钢护筒加强。钢护筒保护范围应超出孔洞边缘2D₁ (D₁为开孔处塔身直径) , 钢护筒与复合材料杆塔身采用结构胶粘接, 结构胶层的抗剪性能应满足要求, 以保证节点连接性能可靠。此时复合材料孔洞削弱对杆身整体性能影响可忽略, 钢护筒开孔后应进行补强以改善开孔位置的受力性能, 补强方法有中加强圈补强和贴板补强^[9]。考虑到加强圈与钢护筒焊接高温对复合材料会形成不利影响, 结合加工工序, 选择外部贴板补强方式对钢护筒进行补强, 如图3所示。

　　 天线支架可采用聚氨酯玻璃纤维复合材料制作, 天线支架抱箍也可采用聚氨酯玻璃纤维复合材料结合模压成型工艺制作。但由于未量化生产, 开模费用较高, 因而模压成型的复合材料抱箍推广受到限制。相比而言, 采用钢制抱箍成本较低, 且容易制作复杂形状抱箍, 可采用图4所示的方案解决。

　　 根据杆塔高度选择不同的基础类型, 考虑到聚氨酯玻璃纤维复合材料具有耐腐蚀性, 小型杆塔可考虑采用直埋式基础, 如高9, 15m杆塔均可考虑采用直埋式基础。采用直埋式基础应注意杆身与土壤交界面的处理, 可采用混凝土加强环进行加固处理, 同时可保护复合材料杆塔底部的钢护筒。对大型杆塔, 复合材料以位移控制作为设计条件, 设计出的复合材料杆塔直径较大, 壁厚较薄, 由于土壤为不均匀介质, 复合材料杆塔与土壤接触部位存在应力分布不均匀的现象, 受力状态错综复杂。此外, 复合材料杆塔生产工艺不同导致其自身承载特性变化较多, 两种复杂性交叉作用导致大型杆塔采用直埋基础存在很多不确定性, 鉴于目前技术无法进行清楚分析, 建议大型杆塔采用图3所示的底部钢护筒加强处理, 在钢护筒底部设置钢法兰, 采用钢法兰与下部混凝土基础或钢桩基础连接, 从而形成稳定有效的基础形式。

　　 采用聚氨酯玻璃纤维复合材料设计制作了高约25m单管通信塔, 该工程塔详细情况如下:

　　 (1) 塔身:塔身采用聚氨酯玻璃纤维复合材料, 塔身分为四段, 采用插接方式拼接。塔身总高度为25.354m, 根部直径为800mm, 顶部直径为350mm, 壁厚为10~13mm;塔身顶部天线支架馈线孔、根部检修孔均采用长圆孔。

　　 (2) 局部加强:顶部天线支架馈线孔和塔身根部检修孔设置后均会影响到塔身局部承载能力, 采用外套钢管保护及贴板补强的措施进行局部加强。

　　 (3) 附属构件:本工程塔附属构件主要包含天线支架、爬钉、安全缆绳固定件等, 其中天线支架采用钢或铝合金结构, 采用抱箍的方式与塔身连接, 每层设置三个天线支架;竖向检修通道采用爬钉, 爬钉、安全缆绳固定件和保护件与塔身的连接采用在塔身预埋构件的方式解决。

　　 (4) 塔基与基础:本工程塔采用混凝土独立基础, 平面尺寸为3 900mm×3 900mm, 埋深为2 200mm, 短柱截面尺寸为1 400mm×1 400mm, 柱内埋设45号钢地脚锚栓, 与塔身采用钢制法兰盘连接, 塔身根部设置3 000钢护筒, 复合材料杆塔内套于该钢护筒中。基底持力层为 (2) 红黏土层, 地基承载力特征值为220k Pa。

　　 对该工程塔进行了应力强度和位移检测, 为该产品投入使用提供依据。测试设备采用吊车、配重篮、拉力测力仪、全站仪等。

　　 试验按弯矩等效的方法, 通过吊车提供定滑轮支点的方式来取得顶部水平力, 根据杆塔挂载天线数量、面积、高度等, 计算出基本风压0.35k N/m²情况下, 塔身正常使用极限状态对应的顶部水平力为12.0k N;在复合材料杆塔顶端和最下层点设计2层拉点, 每层2个, 成90°夹角分布拉点, 共计4个, 测试两个方向应力恢复后塔身变形及强度。试验加载装置如图5所示。

　　 试验采用逐级加载方式。预加载为试验荷载的20%, 标准加载分为7级, 每级加载分布为试验荷载的20%, 40%, 60%, 80%, 90%, 95%, 100%, 每级加载后的持续时间不小于3min, 加载至最后一级持续时间不小于10min。卸载分5级进行, 每级卸载量为加载总荷载的20%, 每级卸载后的持续时间不小于3min。根据检测结果绘制荷载-水平位移曲线, 如图6所示。

　　 工程塔检测结果显示, 聚氨酯玻璃纤维复合材料单管通信塔相应于正常使用极限状态下的水平位移值为1 026.4mm, 相当于塔高的1/24, 变形大于钢制单管塔。该塔承载能力极限状态应力数据采用工厂试验值, 满足要求。可见实际工程中宜采用变形作为复合材料杆塔的控制条件。

　　 该塔卸载后存在轻微残余变形, 经过现场分析核实, 复合材料杆塔身与钢护筒之间的结构胶受到挤压产生轻微变形导致整塔存在残余变形, 实际工程实施中应对结构胶力学性能指标规定相应要求, 以便控制整塔的残余变形。

　　 本文结合实验室测试数据和工程塔检测数据, 对聚氨酯玻璃纤维复合材料单管通信塔进行深入研究, 研究成果主要包含以下内容:

　　 (1) 采用三维编制构造形式和纤维缠绕成型技术的聚氨酯玻璃纤维复合材料单管通信塔具有良好的力学性能和耐老化性能。

　　 (2) 聚氨酯玻璃纤维复合材料在小型杆塔中具有优势, 经济性满足时可替代钢塔和混凝土塔;中型复合材料杆塔与钢塔总成本差别不大, 根据实际情况选择;大型杆塔有特殊要求时可选择复合材料杆塔。

　　 (3) 塔顶馈线孔宜充分减小开孔直径, 开孔部位可设置外部复合材料加强箍, 加强箍与塔身之间采用结构胶粘接, 加强箍的纤维缠绕方式主要以轴向和环向为主;小型塔取消中部馈线孔;塔底检修孔采用满足要求的最小开孔尺寸, 外部采用钢护筒加强, 加强范围取开孔处塔身直径的2倍, 钢护筒开孔采用外部贴板补强方式。

　　 (4) 小型杆塔考虑采用直埋式基础, 杆身与土壤交界面宜采用混凝土环进行加固处理, 可同时保护杆塔底部的钢护筒。大型杆塔应采用底部带法兰盘的钢护筒加强, 底部法兰盘与下部混凝土基础或钢桩基础连接, 形成稳定有效的基础。

　　 (5) 聚氨酯玻璃纤维复合材料应用于单管通信塔工程时宜采用变形作为其控制条件, 需要严格控制影响变形的插接部位的做法及相关材料的力学性能指标。