摘要：本文以一种碳纤维复合材料特性为基础，模拟计算在抱杆应用上的性能，通过现场测试验证计算结果，证明该材料抱杆强度满足设计要求，能保障施工安全的同时，节省人力时间成本，可以成为抱杆轻量化研究的新方向。

　　关键词：碳纤维;抱杆;ANSYS

　　引言

　　当前我国输变电项目的建设是西部大开发的重要战略手段，而西电东送更是以电力铁塔的基础设施建设为第一步，但广大中西部地区丘陵众多植被繁密的地理特点，给施工带来难以想像的困难，尤其是铁塔零部件和组塔所用抱杆在运输安装过程中，不仅耗费大量人力和物力，还大大延迟了铁塔组建的进度，影响整个输变电项目工期，所以开发一种结构简单、重量轻便、实用性强的抱杆成为当务之急。目前我国主要采用传统的金属材质抱杆，即钢质材料和相对较轻的铝合金材质，二者都不便运输，鉴于各种新型材料技术的突飞猛进，一种碳纤维复合材料以其特有的优势跃入了我们的视野。

　　1.复合材料的特性优势

　　碳纤维复合材料(以下简称复合材料)全称碳纤维增强树脂基复合材料，由基体材料(树脂、金属、陶瓷)和增强体(纤维、晶须、颗粒)复合而成。因其重量轻、强度高、耐腐蚀、制造方便等特点受到了各界广泛关注，同时该材料的力学性能可根据用途通过材料选型和铺层设计来调整，以达到理想状态。通过材料的力学数据表1可以看出，复合材料密度是钢材的四分之一，铝合金材料的近一半，抗拉强度是钢材的3倍，是铝合金的5倍，比强度是钢材的二十倍，是铝合金的七倍，可以说在重量、强度等方面完胜传统金属材料。

　　表1 钢材、铝合金、复合材料力学性能对照表

　　复合材料不仅先天物理特性明显，还具备后天制造工艺优势，通过碳纤维缠绕方式调整成品性能。代入成品数据，总长20m，中间截面400mm，两端截面200mm，标准节长4000mm，壁厚7mm，轴向模量65Gpa，计算可知在额定载荷2t状态下抱杆轴心承受的最大压力为87kN，最大应力值为34Mpa。同时，通过ANSYS软件对抱杆进行有限元分析，在有限元模型中，将抱杆底端施加铰支座约束，顶端约束其水平位移，并在顶端施加偏心轴心压力，偏心距离为0.23m。由软件模拟计算可知抱杆的最大许用应力为184MPa，最大应力位于抱杆上部，该值远小于复合材料的破坏强度，故复合材料抱杆安全。

　　2.实用性验证测试

　　为检验模拟计算的准确性，确认复合材料的实用价值，进行现场测试。首先，将抱杆按照规定顺序将各抱杆部件组装在一起，检查安装牢固程度和直线性;然后，参照ANSYS软件分析结果结合传统经验选应力测试点，贴应变片，连线测试信号;第三步，用固定一端的钢丝绳，穿过抱杆顶端，绕过轴向滑轮连接到绞磨上，以起重机协助树立抱杆，拉紧定位钢丝绳，使抱杆稳定直立，地锚布点方位如图2;第四以绞磨通过牵引拉力计对抱杆施加规定的拉力，施力加载工况如图3。施力加载，绞磨卸载，使抱杆恢复原始直立状态，重新加载后进行第二次测试。依次完成全部测试项目后，按顺序放倒抱杆，拆卸各部件，全程由起重机负责安全保障，绞磨机提供牵引力。

　　图2 试验场地地锚布置图

　　图3 抱杆施力加载示意图

　　测试完成后，结果显示，在抱杆垂直于地面状态下，施加额定载荷后的抱杆最大应力值是12Mpa，施加1.5倍超载时最大应力值50Mpa;在抱杆与垂直方向成5°夹角状态下，施加额定载荷后的最大应力值是20Mpa，1.5倍载荷超载时最大应力值67Mpa，均位于上部，符合ANSYS模型计算结果，且各应力数值均小于许用应力184Mpa，安全系数远大于3。且在整个测试过程中拆装顺利，测试结束后检查结构，未发现异常，满足轻便省时和安全可靠的设计需求。

　　3.结论

　　本文以碳纤维复合材料的特性优势为出发点，探索了新材料在抱杆上的应用，运用ANSYS软件对产品进行受力演示分析，参照实际工况，现场验证了计算结果，实用性能满足设计要求，能够达到安全施工的目的。该项目的研究，突破了传统金属材质抱杆组塔过程中的施工瓶颈，在保证作业安全的前提下，节约了时间和人力成本，为电力组塔施工轻量化的推进提供了新的研究方向。C

　　(作者单位：赵腾，中机科<北京>车辆检测工程研究院有限公司;马一民，中国电力科学研究院;吉江峰，河北众力专用车辆制造有限责任公司)