前言地铁隧道内空气潮湿、闷热,自然通风困难,并存在漏水或渗水现象,属于金属易腐蚀环境。经对北京、上海及广州等地铁运营线路进行调查,金属电缆支架普遍存在不同程度的腐蚀严重问题。如,广州地铁一号线开通仅7年,部分金属支架已严重腐蚀,经推算,3～4年后须对其进行更换。金属腐蚀不仅缩短了支架的使用寿命,增加了运营维护成本,还对安全运行构成隐患。解决电缆支架的腐蚀问题势在必行。复合材料具备质轻、高强、耐腐蚀、长寿命、免维护等特性,不失为腐蚀性环境下电缆支架的理想材料。

1   复合材料电缆支架的发展现状

复合材料具有完善的理论和成熟的技术,并在制造、建筑等领域广泛应用。但作为电缆支架材料,由于其工艺相对复杂、用量小、成本较高等原因,一直没有得到推广,也不具备成熟产品。

客观地讲,复合材料电缆支架的开发不存在技术难题,只是要有针对性地进行配方和结构设计。在电力系统中,复合材料型架空线横担、电缆桥架已研制成功,并形成规模化生产,可为电缆支架的开发和研制提供借鉴。下文对广州地铁总公司与中山大学联合研制的地铁用复合材料电缆支架进行介绍。

2   复合材料电缆支架的开发

2.1  材料

电缆支架选用的树脂复合材料也称纤维增强塑料，是当前技术成熟且广泛的一类复合材料。它是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体复合而成。以玻璃纤维作为增强体的树脂基复合材料最为常见，俗称玻璃钢。

复合材料是一种新型的结构物，不仅保持了组分材料自身原有的一些优良性能，而且彼此补偿，明显改善或突出了一些特殊性能。它的最根本特征是“可设计性”，通过改变组分材料的品种或比例，可以得到各材料组分优良性能的组合，如轻质、高强、防腐、绝缘、耐磨等。

2.2  制造工艺

经过数十年的探索和努力，复合材料的加工已发展到可采用手糊、缠绕、拉挤、离心浇铸、RTM等多种工艺。对于电缆支架，通常采用拉挤和压膜工艺。

2.3  支架类型

 依照支架的适用场所及装配方式，支架类型可大致分为分体行和整体型2类。

分体型支架由多个部件组成，部件间通过卡槽或连接件方式连接，通常采用拉挤工艺。它是在加热条件下把浸渍了树脂的连续长纤维，经过模具连续拉挤出型材，再根据需要进行切割和组装。特点是运输和安装方便，标准化高，但形状单一。

以卡槽式分体型复合材料支架为例(图1)，托臂的数量和高度调整灵活，部件相互独立，适用于矩形安装断面。

                   (图1)卡槽式分体型复合材料支架

     整体型支架的各个部件固化为一体，多采用压膜工艺。它是把玻璃纤维、树脂以及各种添加剂的混合物放入模具中，经加热、加压后固化成型。根据不同使用要求，模具可以设计成不同的形状。特点是一次成型，同一性好，强度高，但工艺较复杂。除适用标准型支架外，还适用于各类异形支架。

     以异形整体式复合材料支架为例(图2)，立柱、托臂的形状和长度多样，适用于圆形、马蹄形等弧形断面。

                       (图2)异形整体式复合材料支架

2.4  工艺流程

较之金属支架，复合材料支架的工艺流程要复杂得多。产品须经过配方设计、结构设计、工艺设计、模具设计及产品制造等一系列流程，其中配方设计和结构设计最为关键。

     复合材料属于混合物，没有固定的配方和结构形式，也没有固定的性能或技术指标，这是与常规材料的区别。

针对产品特定的使用要求，须对组分材料的品种、比例、结构及排列方式进行重新设计和验证。因此，复合材料电缆支架的供货周期相对较长、成本较高，适合于批量供货。

2.5  主要技术参数

    依照地铁的运行环境，电缆支架的主要技术参数见表1.

         表1    复合材料电缆支架的主要技术参数

2.6  主要性能

2.6.1    力学性能

(1)刚度。支架的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。与钢材相比，弹性模量低。表现为大尺寸产品刚度小、易变形，须采取加强措施。但对于尺寸小、荷载轻的电缆支架，刚度完全能满足要求。

(2)强度。增强体的含量、长度及铺设形式决定了复合材料的强度，通过合理设计，复合材料强度能满足30~1000MPa，达到与钢材相近的强度。

(3)层间性能。复合材料层间剪切强度和层间拉伸强度低，相当于树脂的强度。在结构设计中，应当尽量避免使用低的层间强度。

2.6.2   电气性能

树脂及玻璃纤维的物理性能使得复合材料电缆支架有良好的绝缘性。

2.6.3   耐腐蚀性

复合材料电缆支架具有耐水、耐油、耐酸碱等非金属特性。

2.6.4   燃烧性能

以树脂为基体的复合材料中含有机化合物，具有一定的可燃性。但通过材料配方设计，可满足难燃无卤、低烟、无毒的要求。

2.6.5   耐老化性能

日照下，紫外线会使复合材料中的高分子链发生降解，材料加速老化，在室外使用时需采取防紫外线措施，而地下则不存在该问题。

2.6.6   工艺性能

支架的成型工艺灵活，其结构和性能具有很强的可设计性。通过调节复合材料各组的成分、结构及排列方式，可以把潜在的性能集中到必要的方向上，使增强材料更为有效地发挥作用。如，可使构件在不同方向承受不同的作用力，可制成刚性、韧性和塑性等均理想的多功能制品。

2.6.7   使用寿命

经试验验证，复合材料支架地下使用寿命可达40年，地上使用寿命可达25年。

2.7   与金属材料支架的对比

电缆时间结构简单、荷载小，2种材料都能满足要求，经济技术性能对比见表2.

         表2   金属电缆支架与复合材料电缆支架经济技术性能对比

   由表2可见，对于地铁系统，复合材料支架在耐腐蚀、免维护。使用寿命长方面更具优势。它的成本虽高于金属支架，但从长远看，在地铁设计寿命(100年)内，两者建安投资相当。

   如果考虑到复合材料支架规模化生产后的成本下降，以及地铁隧道中电缆支架维修、更换困难所面临的高成本，复合材料支架应是。

3   复合材料电缆支架的应用

   复合材料电缆支架的研制成功，既有效解决了地铁运行中金属电缆支架腐蚀所带来的使用寿命短、维护困难、运营成本高等问题，又为地铁既有线支架改造和新建线路支架设计提供了选择。

广州地铁三号线和四号线是国内首例规模采用复合电缆支架的大型工程，用量约30万套。面对巨大的市场需求，一批实力雄厚的玻璃钢制品研究、制造机构加快了复合材料电缆支架及相关产品的开发和推广工作，样品已陆续试验成功。

4   发展前景

     复合材料以其质轻、机械强度高、耐腐蚀、长寿命、少维护的有异性能正逐步取代金属、木材等传统材料，已广泛应用于电子、通讯、核能、航天、舰艇及海洋开发、遗传工程等高新科技产业，成为21世纪不可缺少的可持续发展的高新技术材料。

     复合材料支架技术先进、综合效益高，特别适用于腐蚀性运行环境，具有广阔的发展前景。