CN101631922A - 用于支撑电力传输线的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于支撑电力传输线的结构，其旨在获得更好的应力和应变特性并提供更优的经济效果。优选实施例涉及一种包括金属垂直结构(101)的结构，金属垂直结构具有：具有较小端(104)和较大端(105)的下部管状平截头(103)，其较小端在底部，而较大端在顶部；以及具有较小端(107)和较大端(108)的上部管状平截头体(106)，其较小端在顶部，而较大端在底部；并且其中下部平截头体的较大端邻接于上部平截头体的较大端；以及线支撑构件(109)；侧支撑元件(110)，其连接于下部平截头体与上部平截头体的邻接区(111)，并在连接处与锚定底座(113)之间延伸；并且其中邻接区(111)位于线支撑构件下面。
Description
技术领域
本发明涉及垂直结构，如塔、天线杆(mast)、立柱(pole)等，具体地是用于支撑电力传输系统的传输线的垂直结构。
背景技术
塔、天线杆、立柱等(以下简称为“垂直结构”)是现有技术中公知的。由于其承受的负载的复杂性和其他因素，每个单独结构通常是按照客户(例如结构的所有人，如电力配送公司)的特定要求定制设计的。就用于支撑电力传输系统的传输线的结构来说，除了垂直结构自身以外，它们还包括架空导线连接到其上的支架(brace)、支臂(arm)或类似构件；以及适用于期望目的的其他附件和部件。例如在COOMBS，R.D.所著的Pole and tower lines forelectric power transmission，Merchant Books，2006(第一版，1916)一书中可以发现关于相关技术的概述。例如在MAGEE，William L.的Design of steel transmission pole structures，ASCE/SEI 48-05，ASCE，2006中、在美国土木工程协会拉线传输结构分会的Design ofguyed electrical transmission structures，ASCE，1997中、以及在全球范围的其他标准中可以找到关于该主题的一般指南。GUNGER，Y.R.等人发表了文章Novel design of transmission towelsfrom bent metallic sections of non-traditional shapes，PowerTechnology and Engineering，2003年3月，第37卷第2期，第120-122页，以及在
研究制造协会的因特网站点www.elsi.ru上可得到的标题为“Use of new constructions of supports[...]”(GUNGER，Y.R.和ZEVIN A.A.)和标题为“New constructions ofsupports from[...]220kV”(GUNGER，Y.R.)的文章。用于支撑传输线和/或其他负载的其他示例性实施例(在一些情况下，这些实施例不是为支撑特殊传输线设计的因而也不能用于支撑特殊传输线)还可以见于：BR PI9606177；BR PI0501862；CH478322；DE2838239A1；DE3640479A1；FR592085；FR622027；FR648313；FR927829；FR1116601；FR1224955；FR1525288；GB668408；JP10-046872A2；JP09-317242A2；JP2001-355352A2；JP2003-027768A2；JP2003-120072A2；JP2004-143920A2；JP2004-245042A2；JP2006-219898A2；NL1017638C；RU2083785C1；RU2136830C1；RU2204671C2；RU2204672C2(WO03004802A1)；RU2197587C1(WO03010402A1)；RU2197586C1(WO03010403A1)；RU2248434C1；RU2256785C；US466012；US1179533；US1034760；US1200453；US1616931；US2064121；US2116368；US2401799；US2410246；US3196990；US3343315；US3504464；US3571991；US3865498；US3935689；US4314434；US531901；US5687537；US5880404；US6286281；US6343445；US6668498；US20040211149A1；US7059095；US7098552；WO97/21258A1；WO01/36766A1；WO01/83984A1；WO02/103139A1；WO2006/116863A1。
通常客户要得到每个垂直结构负载变化的“负载树形图”，或更常见地，要得到一组垂直结构负载变化的“负载树形图”。然而，由于大体形状(例如单柱(monopole)、网格塔、三角塔等)类似而分成组的这些结构中存在不同类型或构造的结构。表述“单柱”，“立柱”，“天线杆”或“单柱塔(single column tower)”可用作同义词。在确定每种类型的垂直结构组的优点和缺点时，要分析许多因素，诸如：制造成本、负载、维护考虑、构建简易性和构建要求的基础设施、给定长度内结构的可允许的跨度和数量、导线下面的面积；结构占地面积(footprint)和所需的地基、对公共事业用地(right-of-way)的影响、植被、环境的影响、无线干扰、可听到的噪声、和电磁场等。
负载树形图通常使用正交坐标系统来指明负载，这些负载被分类为：横向负载、纵向负载或垂直负载。例如，就用于电力传输线的结构而言，其涉及的负载是：(i)垂直负载，如导线重量、结构之间的高度差引起的下拉力(down-pull)和冰负载；(ii)横向负载，如风和源自线的偏离角(deviation angle)的水平拉力所引起的那些负载；(iii)纵向负载，如导线仅在一侧上的预张力(pretension)所引起的以及如断线情况下产生的异常负载所引起的那些负载。在设计结构时，也要考虑其他负载和影响，如扭转剪切、与垂直结构重力相关的负载、风振动、应力等。
在较低电压(tension)的情况下，一般达到约64kV，通常使用混凝土、木材或钢材单柱。对于较高的电压，在19世纪50年代年到70年代期间，躯干大体椎体形(trunk-pyramidal shape)的自支撑钢材网格塔、H-框架形杆、三角塔等是大多数国家所建造的用于电力传输线的最常用的垂直结构，因为那时它们被认为是相对坚固的、轻的、并无需重型设备和主要进出道路就可竖立。然而，设计和建造这类结构耗时太长；并且它们的底座地基(base foundation)需要较大的占地面积。现在，钢材单柱被广泛采用。这类单柱通常是连接到一起的中空多边形管，并从其底部到顶部的大体为锥形形状。这种单柱使用的增加是因为它们被认为在美学上更可接受，需要较小的占地面积，并因此对公共事业用地影响较小，且易于运输和现场组装。
近期有人提出了有关这些结构的新设计。在前面提到的GUNGER的文章“New constructions of supports from[...]220kV”的图1中示出了三种在使用的结构：两个同样要求大底座的自支撑网格塔，和一个具有较小底座的拉线塔，其中拉线连接到支臂构件，并且在塔中明显位于靠近塔顶部的塔较大直径的下面。GUNGER提出了具有窄小底座的不同形状来作为这三种结构的替换方式。
发明内容
技术问题
虽然金属单柱具有一些优点，但是对于更广泛地使用该类结构而言，仍存在相当大的限制。为了支撑由结构重量所导致的垂直负载和弯矩(假设在下部区段(section)中的弯矩比较上部区段中的弯矩大)，通常要求单柱底座区域中的区段更大和/或更坚固，因此要求较重和较深的地基。
GUNGER在上面提到的文章中提出的那些替换结构不使用管子，因此通常具有抗扭强度低的缺点。而且，GUNGER在文章“Newconstructions of supports from[...]220kV”中提到的现有技术结构的图1中示出拉线连接到垂直结构的最大直径下面，因而也具有一些缺点，例如：在操作状态下扭矩和弯矩增加，这是由于连接拉线的支臂较长所导致的；以及传输电线断裂的问题，传输电线断裂会使结构由于扭矩和弯矩增加而产生倒塌的严重危险。
相反，FREYSSINET在专利FR927829的图31中提出的设计将拉线连接到垂直结构的最大直径区域；然而，该垂直结构由加固的预应力混凝土制成，与金属结构相比，其会表现出不同的应力和应变特性。此外，使用混凝土具有许多的其他缺点。
SAMYN在国际申请公开号No.WO01/83984A1中提出的用于风力涡轮机的支撑结构也建议将拉线连接到垂直结构的最大直径区域。然而，用于风力涡轮机的垂直结构的设计要依据一组不同的控制负载(governing loads)进行，例如包括，塔的刚度和第一模式固有频率。如BURTON等人在Wind energy handbood(风能手册)第374页解释的那样，风力涡轮机设计中一个重点考虑因素是避免在转动频率或叶片通过频率下、由转子推力波动所激发的共振塔振荡(resonant tower oscillation)。结构动力学考虑因素可以显著影响结构的设计。如丹麦风力工业协会(Danish Wind IndustryAssociation)的网站www.windpower.org中解释的那样，相对较低的塔的涡轮机上的转子叶片经受明显不同的风速，因此当转子叶片处在其顶部和底部位置时会具有不同的弯曲度，这将增加疲劳负载。在丹麦风力工业协会给出的例子中，50米高的风力涡轮机塔将有前后摇动的趋势，比方说每3秒摇动一次。塔前后摇动的频率也就是所谓的塔本征频率。本征频率取决于塔的高度、塔的壁厚度、钢材类型、以及发动机舱和转子的重量。转子叶片每次通过塔的风影(wind shade)时，转子将稍微地向塔推进。如果转子以使得转子叶片在每次通过塔时塔就处于它的其中一个极端位置中的转动速度而旋转，那么转子叶片要么抑制要么放大(加强)塔的摇动。因此，风力涡轮机支撑结构的控制设计标准与用于传输线的垂直结构的情况显著不同。
如COOMBS在Pole and tower lines[...]第一页中提到的那样，确定能使经济上最佳且性能优越的支撑结构的精确特征几乎是不可能的。然而，仍然非常希望获得能克服前述技术困难的垂直结构，从而得到在重量、强度、价格、以及制造、运输和安装的简易性等方面具有优化的特征，并且具有良好美学外观的垂直结构。
技术方案
为了解决相关技术问题和这里没有提到的其他缺陷，本发明的某些实施例涉及用于支撑电力传输线的结构，其特征在于，包括(a)金属垂直结构，其具有：(i)具有较小端和较大端的下部管状平截头体，其中较小端在底部，而较大端在顶部；(ii)具有较小端和较大端的上部管状平截头体，其中较小端在顶部，而较大端在底部；并且(iii)其中下部管状平截头体的较大端邻接至上部平截头体的较大端；(b)至少一个线支撑构件；(c)至少一个侧支撑元件，(i)其中该侧支撑元件连接在下部平截头体和上部平截头体的邻接区中，并且(ii)所述侧支撑元件在连接处(attachment)与锚定底座之间延伸；并且(d)其中邻接区位于线支撑构件(一个或多个)下面。
在本发明的一个示例性实施例中，邻接区是结构的弯矩最大的区域。
在本发明的另一个实施例中，侧支撑元件是拉线、牵线(wire，金属线)、缆线、支柱(strut)、支撑架(support brace)或其组合。
在本发明的又一个示例性实施例中，下部平截头体包括至少一个管状平截头体区段；而上部平截头体包括至少一个管状平截头体区段。
在本发明的又一个示例性实施例中，区段之间的连接由螺栓连接法兰(bolted flange)、滑配接头、螺栓连接滑配接头、焊接或其组合提供。
在又一个实施例中，这些管状区段具有基本圆形的横截面。
在另一实施方式中，这些管状区段具有基本椭圆或长方形(oblong)横截面，其中优选地椭圆形或长方形横截面的半长轴基本垂直于传输线的方向。可替换地，在这样的实施例中，金属垂直结构朝向第二金属垂直结构倾斜，所述这些垂直结构组合形成了三角形结构的构造。
有益效果
本发明相比现有技术具有几个优点。使用具有大体相对的平截头体和在线支撑构件下面的侧支撑元件的金属垂直结构，允许获得更好的应力和应变特性。由于与侧支撑元件配合操作的相对平截头体的较大端之间的连接的机械强度增加，从而获得了更好的特性，以便抵抗由于传输线横向负载导致的纵向弯曲(buckling)。因此，能够以更低的成本获得较轻的结构，且该结构更容易安装和运输。
此外，使用按照本发明的金属壳体允许采用约为平均破坏应力1.4倍的最大弯曲应力，如DONNEL，L.H.在A new theory for thebuckling of thin cylinder under axial compression and bending，Trans.Amer.Soc.Mech.Engr.56，P.795-806，1934中所述的那样。
附图说明
图1是本发明一个实施例的正视图。
图2是本发明另一个实施例的正视图。
具体实施方式
本发明的应用不限于在下面说明书中描述的或在附图中示出的结构细节和部件的布置方式。本发明能够采用其他实施例并以各种不同方式执行或实施。而且，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的而不应认为是用于限制。这里使用“包含”、“包括”、或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体是旨在包括其后列出的项目及其等同物，以及增列项目。
图1示出本发明一个示例性实施例，更具体地，示出了一个用于支撑电力传输线的结构101，其特征在于包括金属垂直结构102，该金属垂直结构具有：具有较小端104和较大端105的下部管状平截头体103，其中较小端104在底部，而较大端105在顶部；具有较小端107和较大端108的上部管状平截头体106，其中较小端107在顶部，而较大端108在底部；并且其中，下部管状平截头体103的较大端105邻接至上部平截头体106的较大端108；以及线支撑构件109；侧支撑元件110，其中该侧支撑元件110连接于下部平截头体103和上部平截头体106的邻接区111，并在连接处112与锚定底座113之间延伸；并且其中，邻接区111位于线支撑构件109下面。
根据特定的负载树形图和所需的负载支撑能力，金属垂直结构102可由任何合适的固体金属材料制成，如钢、铝等。如本说明书中将进一步解释的那样，利用高强度低合金结构钢来获得常规负载和在此所述的各种设计的最佳结果。
金属垂直结构102自身的大体形状是两个基本垂直相对的管状平截头体，下部103和上部106。表述“管状平截头体”概括地表示中空物体，其具有不变和可变的厚度，是从截头圆锥体或棱椎体获得的，其中切除顶端的平面与底座平行。尽管对于平截头体的传统定义而言以及尽管由于制造的原因，通常更容易制造具有平行端部的管状管子，但对于本发明的目的而言，平截头体的端部(即底座和横断平面)也可以不是基本平行的。这些管可由卷绕或折叠金属板来获得，从而形成圆形或多边形的横截面。通常更容易制造规则多边形横截面。下部管状平截头体103通常从在其顶部的较大端105沿朝向地面的方向向下逐渐变细，直至到达在地面中或靠近地面的较小端104。较大端105是传统平截头体的底座，即，具有较大直径的平面，但对于下部平截头体103而言，该较大端在顶部。下部平截头体103的较小端104与地面或地基间的连接可以由任何合适的方式实现，如直接嵌埋、锚定螺栓、嵌埋外壳、枢轴连接等。
重点指出的是，在某些情况下，较理想地可以在地面或地基附近为垂直结构提供加固装置，例如使用法兰、套环(collar ring)、钢沉箱或类似构件，这会导致在靠近地面处并非精确的平截头体形状。这些微小的变化旨在包括于本发明实施例内。上部管状平截头体106通常从在其底部的较大端108沿向着顶部的方向向上逐渐变细，直到较小端107。上部管状平截头体106的较大端108邻接至下部管状平截头体103的较大端105。本说明书中使用的词“邻接(adjoined)”表示轭合(conjugate)、连接、附接、合并、结合、接合、联接、联合、焊接、模制、折叠等。以该方式，下部形状103和上部形状106可通过这样的区段获得，该区段是从其长度上一个点一直折叠到其端部而获得的；或可替换地，通过下部平截头体103中的至少一个管状平截头体区段和上部平截头体106中的至少一个管状平截头体区段而获得。在多数情况下，由于这类应用中使用的机械的原因，制造至少两个分开的部件然后将它们直接或通过中间连接件(如法兰)连接到一起，能更容易获得相对的平截头体，由此形成了邻接区111。
在图1所示的实施例中，上部平截头体106具有一个线支撑构件109，更具体地，即一个支臂。这样的线支撑构件109可以是适于预期目的的任何类型和数量的构件，如吊臂(davit arm)、横臂、支架等。线支撑构件109(一个或多个)从上部平截头体106向外伸出，且导线(未示出)通过绝缘体(未示出)悬挂在线支撑构件109(一个或多个)的外端。
由于下部平截头体103的较大端105与上部平截头体106的较大端108之间的邻接区111具有较大直径，因此该区具有增加的机械强度。由于在大多情况下，用于传输线的结构101的弯矩在线支撑构件109下方较大，这样的邻接区111就位于线支撑构件109下方并通过侧支撑元件110支撑，更具体地是通过如图1所示的拉线支撑，该拉线连接在邻接区111中并在连接处112与锚定底座113之间延伸。可替换地，侧支撑元件110可以是牵线、缆线、支柱、支撑架或其组合。虽然在图1中仅示出一个侧支撑元件110，但侧支撑元件110的数量、方向和高度可根据特定负载考虑因素而变化。侧支撑元件110与锚定底座113之间的连接可以为任何适当类型。水泥桩锚定件(Deadmen anchor)、螺钉锚定件、蝠鲼放射锚定件(manta-ray anchor)和注浆锚定件(grouted anchor)是目前常用的典型类型的拉线锚定件(guy anchor)。也可以使用拉线附件和拉紧装置。针对每种情况选择适当的构造在本领域技术人员的知识范围内。
在大多情况下，邻接区111的具体位置在线支撑构件109下面并与之非常接近。邻接区111的最佳位置是结构101的弯矩最高的区域；然而，由于计算每一个结构的精确位置是不实际的，因而在大多数情况下，邻接区111将位于结构的弯矩基本上较高的区域中，即在线支撑构件109的下面，且通常在下部平截头体103的中点之上。
如本说明书中提到的，下部平截头体103包括至少一个管状平截头体区段，而上部平截头体106包括至少一个管状平截头体区段。这两个区段间的连接可由螺栓连接法兰、滑配接头、螺栓连接滑配接头、焊接或其组合提供。管状区段可具有基本圆形的横截面、或基本椭圆形或长方形的横截面。在为椭圆形或长方形横截面的情况下，当半长轴基本垂直于传输线的方向时，可得到最佳结果。在这样的情况下，金属垂直结构可向第二金属垂直结构倾斜，所述的这些垂直结构组合形成了三角形结构的构造。
图2示出本发明另一个示例性实施例的正视图。作为例子，这个实施例采用说明性情况的紧急恢复系统(emergency restorationsystem)，根据表I所示，该系统对于三个支架209中每个支架均具有一个负载树。图3示出这个实施例的俯视图。
表I
| 最大横向负载(N) | 最大垂直负载(N) | 最大纵向负载(N) | |
| 横向负载 | 17200 | 3600 | 3600 |
| 纵向负载 | - | - | 3950 |
| 垂直负载 | 12800 | 18600 | 12800 |
预计的负载是两个Grosbeak CAA 636牵线，重量径间450m，系数1.5；风压径间450m，并且最大风速为31.94m/s。这些支臂约为29m和35m，且总高约为37m。金属垂直结构102由高强度低合金结构钢制成，屈服强度高过370MPa，诸如COS-AR-COR 500(Cosipa)，其等效于ASTM-A588钢，并且厚度为0.00265m。
在图2的示例性实施例中，下部平截头体203包括6个通过滑配接头依次连接到一起的管状平截头体区段231、232、233、234、235、236；上部平截头体206包括3个通过滑配接头依次连接到一起的管状平截头体区段237、238、239。相邻的下部平截头体203与上部平截头体206之间的连接由法兰实现。表II和表III示出参照表I的负载树的示例性设计尺寸。
表II
| 区段 | 顶部直径(m) | 底座直径(m) | 区段长度(m) | 区段重量(kg) |
| 231 | 0.350 | 0.445 | 6 | 164.12 |
| 232 | 0.430 | 0.525 | 6 | 197.37 |
| 233 | 0.508 | 0.603 | 6 | 229.79 |
| 234 | 0.584 | 0.680 | 6 | 261.59 |
| 235 | 0.659 | 0.707 | 3 | 141.39 |
| 236 | 0.686 | 0.747 | 3.828 | 189.30 |
| 237 | 0.627 | 0.746 | 2.579 | 122.18 |
| 238 | 0.536 | 0.674 | 3 | 125.18 |
| 239 | 0.300 | 0.576 | 6 | 180.95 |
表III
| 区段 | 滑配接头装置长度(m) |
| 231-232 | 0.579 |
| 232-233 | 0.682 |
| 233-234 | 0.784 |
| 234-235 | 0.883 |
| 235-236 | 0.919 |
| 236-237 | 法兰 |
| 237-238 | 0.876 |
| 239 | 0.749 |
如前面解释的，侧支撑元件的数量可根据具体的负载考虑因素改变。在图2所示的实施例中，第二拉线215连接至邻接区211与下部平截头体203的较小端204之间的金属垂直结构202。在该实施例中，每个高度的侧支撑元件均具有4个拉线。
Claims (9)
1.一种用于支撑电力传输线的结构，其特征在于，包括：
(a)金属垂直结构，具有：
(i)具有较小端和较大端的下部管状平截头体，其较小端在底部，而较大端在顶部；
(ii)具有较小端和较大端上部管状平截头体，其较小端在顶部，而较大端在底部；并且
(iii)其中，所述下部管状平截头体的较大端邻接于所述上部平截头体的较大端；
(b)至少一个线支撑构件；
(c)至少一个侧支撑元件，
(i)其中，所述侧支撑元件连接于所述下部平截头体和所述上部平截头体的邻接区；并且
(ii)所述侧支撑元件在所述连接处与锚定底座之间延伸；并且
(d)其中，所述邻接区位于一个或多个所述线支撑构件下面。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述邻接区是所述结构的弯矩最大的区域。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述侧支撑元件是拉线、牵线、缆线、支柱、支撑架或其组合。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述下部平截头体包括至少一个管状平截头体区段；且所述上部平截头体包括至少一个管状平截头体区段。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述区段之间的连接是由螺栓连接法兰、滑配接头、螺栓连接滑配接头、焊接或其组合提供。
6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述管状区段具有基本圆形的横截面。
7.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述管状区段具有基本椭圆形或长方形的横截面。
8.根据权利要求7所述的结构，其特征在于，所述椭圆形或长方形的横截面的半长轴基本垂直于传输线的方向。
9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，所述金属垂直结构朝向第二金属垂直结构倾斜，所述垂直结构的组合形成三角形结构的构造。
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