ADSS光缆抗张元件的选用和计算

ADSS光缆抗张元件的选用和计算ADSS光缆的骨架材料通常采用玻璃纤维增强塑料(FRP)，由于FRP的拉伸模量为50GPa，小于常规光缆中作为抗张元件的钢丝的拉伸模量200GPa，加上ADSS光缆所承受的拉伸力远大于常规光缆，因而不能仅依靠FRP骨架来作为抗张元件。主要的抗张元件为绞合在护套层中的芳纶纤维。芳纶纤维(聚对苯甲酰胺)(Polyparaphenyleneterephthalamide)是一种芳香族聚酰胺纤维，它是由对苯二胺(PPD)和对苯二甲酰氯(TDC)单体在NMP、CaCl2溶剂中聚合而成。芳纶纤维中，分子链纵向定向粘度极高，并且为100%的母晶结构，因而具有很高的拉伸强度和模量。由于此类纤维的独特的化学结构和性能，1974年美国联邦贸易委员会对此类纤维专门命名为Aramid，以区别于任何其他人造纤维。Aramid的美国杜邦公司的商品名为Kevlar；荷兰AKZONOBEL公司的商品名为TWARON。Kevlar49(聚对苯甲酰胺)是芳纶纤维中强度最高、热胀系数最小的一种材料，适用作光缆的强度材料，其单丝抗张模量为120GPa。在ADSS光缆的设计计算中，通常仅计算芳纶纤维作为强度元件。亦即以光缆结构中芳纶纤维的抗张模量E及其截面积S来计算光缆应变。而在计算中不计作为骨架的FRP对光缆抗张的贡献。这样可以将FRP的抗张因素作为ADSS光缆设计中的强度安全系数来考虑。下面给出芳纶纤维计算中的几个单位的定义：1芳纶纱的线密度LD线密度是指单位长度纱支的质量，通常有两种单位制。1、tex(特克斯)定义为每1km长度的纱支的质量(g)即tex=g/1km，dtex(分特克斯)=decitex=0.1tex=g/10km。2、den(但尼尔)=denier=g/9km，因而有：1dtex=0.9denier已知每支纱的线密度，及芳纶纱的密度ρ时，可计算每支纱的截面积：A=10-4×LD/ρ式中，A——纱支截面积(mm2)ρ——纱支密度(g/cm3)LD——线密度(dtex)例如，AKZONOBEL公司的TWARON1055，8050dtex芳纶纱支的线密度为8350dtex，密度为1.45(g/cm3)，用上式可计算其每支纱的截面积为：8350×10-4/1.45≈0.6mm2当已知ADSS光缆承受拉力所需芳纶纤维的截面S后，可计算光缆所需芳纶纱的支数n=S/A。2芳纶纱的拉伸强度和拉伸模量芳纶纱的拉伸强度和拉伸模量是ADSS光缆设计中最重要的材料参数之一，常用的单位有：GPa(kN/mm2)，psi，g/denier(gpd)，N/tex(mN/tex)等。其换算关系如下：拉断强度(mN/tex)=104×拉断力(N)/线密度(dtex)拉伸强度和拉伸模量：GPa=1kN/mm2=(N/tex)×(g/cm3)或GPa=1kN/mm2=0.09×(g/denier)×(g/cm3)即用线密度计量的拉伸强度和拉伸模量的单位N/tex或g/denier均需乘以比重g/cm3才能换算为GPa。例一：Twaron(IM)2200拉伸模量为78N/tex，比重为1.45g/cm3，换算为拉伸模量是：78×1.45=113GPa=1.13×105N/mm2。例二：Kevlar49的拉伸模量为780g/denier，比重为1.45g/cm3，换算为拉伸模量是：780×1.45×0.09=101.79GPa=1.02×105N/mm2。3芳纶纱的螺旋绞合作为抗张元件的芳纶纱通常是以螺旋绞合在缆芯上，如绞合半径为R(mm)，绞合节距为LZ(mm)，则绞合角为θ，tanθ=2πR/LZ绞合长度为：Lf=L/cosθ当光缆长度为LZ时，绞合芳纶纱的长度应为：LZ/cosθ芳纶纱的轴向抗张模量为：EZ=Ecos4θ式中，E为芳纶纱的抗张模量。芳纶纱的轴向等效截面为：AZ=A/cosθ式中，A为芳纶纱的截面积。芳纶纱的绞合角太大则会产生抗张力下降和伸长的增加，而绞合角太小则会造成结构的不稳定和抗衡能力不足，通常绞合角以选在10°~15°之间为宜。4芳纶纱绞合层厚度在ADSS光缆结构尺寸计算中，需知道芳纶绞合层的厚度t的数值，这可通过下列简单的几何关系求得：因为π[(d+2t)/2]2-π(d/2)2=S′式中，S′为芳纶纱绞合层的有效截面，d为绞合层内径(内护套外径)，即S′=(LD/ρ)×n×(1+β)×10-4式中，n为芳纶纱根数，β为芳纶纱绞合层松散度，通常可取0.2~0.4，故有t=[d2-(4S′/π)]1/2/2-d/25芳纶纱的蠕变性能在高张力敷设状态下的ADSS光缆，其抗张元件的蠕变性能引人关注，因为它会造成ADSS光缆在长期工作下的光缆伸长，影响光缆性能的稳定。据有关资料报告：取20mm光缆样品进行蠕变试验，样品受力为断裂负载的25%，持续1000小时，被测光缆的蠕变伸长数据外推到10年，光缆蠕变从1小时到1年，计算值为0.785×10-3，从1小时到10年，计算值为1.28×10-3。由于该试验负载高于实际光缆的受力程度，因而芳纶纱的蠕变值在ADSS光缆的实际运行条件下，通常可以略而不计。