CN1112634A - 复合材料的公用电线杆及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空心锥形的纤维增强塑料公用 电线杆的计算机模似设计及制造方法。所述方法包 括：沿杆的顶部至底部设置多个检验站，根据检测和 计算结果，在杆上敷设树脂涂层纤维增强束的环，使 其满足杆的厚度与直径比等于或大于一个常数；满足 所需的抗应力强度；及额定负载及设定的破环负载满 足安全裕量准则等条件；根据计算机模拟计算的结 果，将杆敷设在卷筒上，并对树脂作处理。

Description

本发明总地涉及一种公用电线杆。更具体地，本发明涉及由复合材料，如纤维增强塑料（FRP）作的公用电线杆。尤其是，本发明不仅涉及利用最少量FRP材料制造能提供所需预选长度的FRP公用电线杆的制造方法，而且也涉及利用该方法制造的杆。
输电线、电话线及电灯装置常常被支承在公用电线杆上。这种电线杆必须能不仅承受由被支承物体的重量施加的柱向负载而且能承受由偏心负载及由风施加的弯曲负载。一般而言，木材杆、混凝土杆或钢杆在历史上曾被用于这种目的。这些杆全都很重并且每种均有一些独特的缺点。
例如，木材杆会遭到腐蚀-即由细菌或霉菌的作用及害虫如凿木虫及啄木鸟的攻击产生腐蚀。不利的是，木材杆的地面处或地下部分易于被腐蚀，由此会产生杆的断裂或倒塌，有时没有任何预示。为了有助于抵抗这类损坏，通常用化学剂来处理木材杆，力图延长木材杆的使用寿命。但是化学防腐剂会渗出杆外并使当地地下水受污染。此外，化学防腐剂不是持久的，如果在该领域中能够有效地处理木材杆的话，那也是极其困难的。
钢杆会生锈，因此需要定期的检查及维修。防锈复合剂的使用也对环境产生有害的作用。即使环境问题能解决，钢杆还是很重并不易于操作。此外，钢杆是导电的，即使极其小心地使电装置与杆相绝缘，但日常的风暴破坏会使杆带电。还有，钢杆是一种昂贵的材料。
混凝土杆比钢杆更重。其后果是运输及操作混凝土公用电线杆的费用更大。因此它们常在竖立现场非常接近的地方被制作出来。混凝土杆，象上述木杆及钢杆那样，也遭受环境的破坏，尤其是结冰及融化的周期的破坏，而这种周期存在于广大的美国地区上。
纤维增强塑料（FRP）杆已被推荐作为木杆、钢杆和/或混凝土杆的优异替换物，因为这种杆不会遭受到同样的破坏。例如，FRP复合材料杆具有的基本电绝缘等级大于木材、钢或混凝土杆，并且这种基本电绝缘等级是保持在FRP杆的整个寿命期间上的。此外，FRP公用电线杆提供了一个非常有利的强度与重量比。FRP公用电线杆通常包括多个纤维增强树脂叠压层。该纤维通常使用玻璃、石墨、硼或其它稀有材料或它们的组合，该纤维具有的杨氏模量至少为10×106psi(6.9×1010N/m2)的数量级-当通常的负载施加于公用电线杆时它能提供足够的必要的圆周强度及刚性以防止杆的弯曲及圆周变形。
FRP杆对环境是安全的，因为它不渗出化学剂到土壤中。FRP不象木杆那样，它不需要用化学防腐剂作初次或进一步的处理。相反地，FRP复合材料公用电线杆具有抵抗通常可能在土壤中发现的各种化学物侵蚀的固有能力。
但是，现有技术的FRP杆被证实是太昂贵了。典型地，FRP杆是利用在一个锥形卷筒上敷设树脂涂层玻璃纤维或其它的高模量的纤维束来制造的。当将增强纤维束缠绕在锥形卷筒上时，所产生的带锥度的管形杆的顶部具有的壁厚大于其底部的壁厚。用这种方式生产的管状FRP顶部壁厚较大而外径则较小，杆在顶部区域具有高的悬臂强度。但是，为了在接近底部处也使管状杆具有足够的悬臂强度，便在顶部上集聚了过量的材料，于是不必要地增加了杆的造价及重量。
因此本发明的首要目的是提供一种改良的公用电线杆，它具有从杆的基部或底部到顶部逐渐收缩的锥形轮廓，没有明显减少沿底部部分的壁厚而使杆强度受到损坏，或是增加沿顶部部分的壁厚使其超出所需的量，用以沿公用电线杆的整个长度提供所需的杆强度。
本发明的另一目的是提供如上所述的一种改良的锥形的、低重量的FRP杆，使其重量大约在同样长度的木材、钢或混凝土制杆之重量的三分之一（1/3）到二分之一（1/2）的范围中。
本发明的另一目的在于提供如上所述的一种改良的、锥形的、低重量的FRP杆，它包括相继的同心FRP层，其中的一些层具有的长度小于整个杆的长度。
本发明的另一目的在于提供如上所述的一种改良的公用电线杆，它具有的壁厚与杆直径之比大于或等于0.015，并且在沿杆长度的任何横截面上具有的梁强度能承受预定的允许应力。
本发明的主要目的还在于提供一种制造具有上述特性的FRP公用电线杆的方法。
本发明的这些及另外的目的及其超过现有技术杆型的优点将通过以下的描述及提出的权利要求书详细阐明。
根据本发明的构思制造的一种带锥度的管状FRP公用电线杆具有多个根据需要沿杆的可确定长度施加的树脂增强塑料层，其方式为使杆的柱向强度及悬臂强度最优化并使材料的使用量为最小。因为理解这里所使用的术语对于理解本发明是关键性的，故应了解该装置，即利用多层树脂涂层的增强纤维或纤维束同时地包围卷筒外圆周面的装置，该装置是通过在卷筒和导头之间的相对运动将树脂涂层增强纤维引导到卷筒上而实现的。增强纤维束沿卷筒长度方向在导头与卷筒之间的相对运动为单次圆周运动，被称为是一“道”（“pass”）或“横移”（“traverse”）。当相对运动反向来实现第二道或横移时，这两道被认为是构成了一“圈”（“cycle”）或“环”（“circuit”）。那些沿卷筒一个共同长度上来回运动形成的一个或多个环，包括任何所有的以前敷设的在下部分的环在内，形成了一个纤维增强塑料的“层”（“layer”）。
以此为背景，可以表明，至少一个、也可能多个FRP环通常延伸在杆的整个长度上。另外的环通常从杆的基部或底部延伸相继较短的长度，这些长度结束在距离杆一端或另一端的预定距离上。这样产生的较短的环或圈与在先敷设的环的在下部分形成了另外的层，那些沿顶部的层形成的壁厚与沿基部或底部的壁厚相比较，没有提供多余的壁厚。
根据现有技术，被工业界广为公知及使用的是，将一个或多个增强材料的纤维束或丝从卷筒的一端开始以一个方向的螺旋形状绕到该卷筒上，接着从卷筒的另一端开始将一个或多个连续的纤维束或丝以相反方向的螺旋形状绕到该卷筒上。这些步骤然后被多次重复直到卷筒上被所需层数所覆盖，然后将这个杆件进行处理。
制作FRP杆件的一个有代表性的装置公开在1978年5月16日颁发给P.H.McLain，并作为本发明的受让人所有的美国专利US4，089，727中。在该专利中公开的装置描述了在每道上敷设一个相对窄的树脂涂层的材料带，但利用修改导头可使足够数目的增强纤维束同时地环绕在卷筒上，以致仅在一道中即可完全地覆盖卷筒。然后，接下来的道仅是起到形成被制作的FRP杆件的厚度的作用。
因而在绕制操作期间，具有卷筒及绕制导头之间的相对旋转及相对轴向运动。
可以使绕制导头旋转而使卷筒旋转或不旋转。也可以旋转卷筒而使绕制导头不旋转。类似地，绕制导头与卷筒之间的相对轴向运动可以用所述的任一个或两个部件的运动来实现。所有的变型均用于实现绕制导头与卷筒之间所需的相对旋转及平移。
与实现本发明有关的构思并不限制采用任何特定的装置来完成相对的轴向运动和/或旋转运动。因此，仅是为了简明起见，以下对现有技术及本发明的解释均是针对绕制导头不旋转但沿卷筒轴向移动，而卷筒旋转但本身并无轴向运动的情况。
当卷筒这样转动，而绕制导头沿其轴向移动时，就使多个加强纤维束实际上敷设到沿卷筒轴向平移的导头后方的整个卷筒外圆柱面上。
根据本发明，每层的长度是利用在沿计算机模拟设计杆的长度上轴向布置的预定检验站上比较该层的悬臂强度与柱向强度来确定的。
计算一管状柱的悬臂强度及它的极限柱向负载的数学式均依赖于柱杆的转动惯量及制造杆的材料的模量。杆的尺寸也必须到使杆壁厚与杆内径之比等于或大于0.015。
一旦满足该壁厚与内径比，即在检验站上计算抗应力强度以确保不超过预定的最大应力值。如果计算应力超过了一个可接收的预定最大应力值，则临时地增加另一个树脂涂层的增强纤维束的环-即：来回各一道或横移，并再计算新的抗应力强度值。仅当这两种检验被满足时，才使检验站的部位逐渐递增地移到接近计算机模拟设计杆的底部。如果在下一检验站上的这些检验也被满足，则检验站递增地移到再下一检验站，当需要添加任何材料时则临时地增加另一个环，并在该检验站再进行检验。这个过程在所提出的杆的长度上重复进行，由此产生出一个带锥度的管状构型，它具有多个FRP层，其中多个层是沿小于整个模拟杆长度的长度延伸的。
然后，对该计算机模拟杆的顶部挠度量作计算以确定出一个设定的破坏负载。大于一个预定的数值（ε）-它典型为约一百（100）磅的数量级的额定负载与设定破坏负载之差，确定了最大允许应力的增量调节。这个最大允许应力通过在各个站上相继地重复计算及比较额定负载与设定破坏负载而进行调节，直到额定负载FR小于设定破坏负载FP且设定破坏负载FP小于额定负载FR与预定小数值ε之和，即为：FR＜FP＜FR+ε时为止。这种相继的重计算被称为对半检索（binary chopping)，最后收敛在能以最小重量提供所需破坏负载的最期望的环数目及长度上。上述过程对于每个选择站在计算机上可以快速地完成，然后就能根据计算机模拟计算的结果来制造真实的杆。一旦层数目及它们的长度对于一个承受特定负载的特定长度的杆被确定时，这种杆能很容易地在将来任何时间被复制出来，而不需要重复计算机模拟设计。
根据本发明构成的低重量的FRP公用电线杆将提供这样的结构，即其重量为由木材、钢或混凝土构成的同样长度的杆之重量的三分之一（1/3）至二分之一（1/2）。此外，根据本发明构成的杆将对环境是无害的，因为制造杆所使用的材料中无一会渗透到土壤中。同时，这种杆将不需要用防腐剂进行初期处理或后期处理。
这种FRP杆将具有比木材、混凝土或钢杆更有利的基本电绝缘特性。并能在杆的整个使用寿命上维持这种基本电绝缘特性。该FRP杆具有更好的抗化学剂腐蚀能力，这种化学剂可能是已经存在于土壤中的，并具有抵抗木材害虫，例如抗凿木虫、霉菌、细菌或啄木鸟侵袭的能力。
该杆利用树脂涂层的纤维增强束的相继环被敷设在一个带锥度的卷筒上，在环中纤维是以约十五度（15°）螺旋线绕制的。每个环包括两个树脂涂层的纤维增强束的道或横移，每次后继的横移以与在先横移螺旋方向相反的螺旋方向敷设增强纤维束。所需的支承强度是一个已知值，因此，在沿杆长度的任何部位上杆的应力均可用以下公知的公式计算：
S＝Mc/I，
正如以下要详细解释的。
因为对于FRP材料的最大允许应力是已知的，如在一检验站上，层的厚度被计算得不能满足通过这两种检验，则在底部及该检验站之间加设另一个FRP的环。该过程在沿杆长度的后继的预设检验站-典型为每六英寸（15.24cm）一个站上继续地进行。已经得出，例如具有中等范围强度（与公知的用于本杆的十五等级强度相比）的三十五英尺（10.67m）长的杆需要敷设逐次减短的环以便提供三个不同的层。
为了检验公用电线杆柱向强度及悬臂强度，已经证实，可以预告悬臂破坏负载，而不需用杆的挠度数据试验到破坏，对此也在下文中详细描述。
为了使与本发明相关领域中的技术人员了解本发明，以下借助及参照作为本说明书一部分的附图来描述一个FRP公用电线杆的优选实施例，它在目前被认为是将本发明投入实践的一个最佳方式。以下对一个示范的公用电线杆及制造这样一种杆的方法作出详细描述，而不打算表达可实施本发明的各种形式及改型。因此，正如对该领域的技术人员显而易见的，这里所描绘及描述的实施例可在本发明的精神及范围中以各种方式作出改型；本发明可用所附权利要求书而非说明书的细节加以衡量。
图1是一种现有技术的FRP公用电线杆被局部截去及局部剖开后的侧视图；
图2是在图1中标有“见图2”区域的一个放大部分图；
图3是在图1中标有“见图3”区域的一个放大部分图；
图4是结合了本发明的一个FRP公用电线杆的被局部截去及局部剖开后的侧视图；
图5是图4中标有“见图5”区域的一个放大部分图；
图6是基本沿图5中线6-6的一个放大横截面；
图7是图4中标有“见图7”区域的一个放大部分图；
图8是图4中标有“见图8”区域的一个放大部分图；
图9是基本上沿图4中线9-9从杆的顶部或上端向基部或底部看过去得出的一个放大顶视图；
图10是基本上沿图4中线10-10被部分剖开的放大侧视图；
图11是基本上沿图4中线11-11的一个放大横截面图；
图12是基本上沿图4中线12-12被部分剖开的放大侧视图；
图13是基本上沿图4中线13-13的一个放大横截面图；
图14是基本上沿图4中线14-14被部分剖开的放大侧视图；
图15是构成在一个卷筒上的公用电线杆顶部的示意图；
图16A是可使用于计算机模拟设计空心公用电线杆的算法的流程图的一部分，该杆特别适用于根据本发明的构思利用一种复合材料的FRP的制造；及
图16B是该流程图的其余部分，它与描述在图16A中的那部分流程利用这两图中的文字标注相连接。
一种实施本发明构思的纤维增强型塑料公用电线杆的代表形式总地在附图4至15中用标号10表示。然而，参考图1，这个现有技术的典型公用电线杆12具有地平面“G”以上的长度“LA”及地平面“G”以下的长度“LB”。可以看到，在图3中所绘的它的顶部的厚度“T1”大于在图2中所绘的它的底部的厚度“T2”。这是现有技术的FRP公用电线杆的代表。
这种改进的公用电线杆10也是由纤维增强型塑料（FRP）构成的，它也具有地平面“G”以上的长度“LA”及地平面“G”以下的长度“LB”。但是，该杆10明显地包括多个层14-在图4中所绘的代表性杆中表示出三层14A、14B及14C。每个层14本身又包括一个或多个完整的或部分的环16。在该代表性杆10中，层14A沿杆10的顶部分18延伸并包括一环部分16A。如下文中要解释的，需要的话，可以在层14A中包括一个或多个附加环。
层14B由与环部分16B相结合的环16A的中间部分20组成，或由任何覆盖在环16A中间部分20上的另外环16组成。层14C不但由整个环16C而且也由部分环16A及16B以及任何所有的覆盖在环16C之下的环组成。这里，一个或多个附加环也是与环16C共同延伸的，如果这些环需要数学地确定的话，这在以下要详细说明。每个环16包括两个树脂涂层的增强纤维束的道或横移24A及24B。
如上文中给出的及在下文的详细说明中将要给出的，可以在不止一个部位上使用特殊的结构件、零件或组件。当总地涉及这类结构件、零件或组件时将使用同样的标号。但是当一个结构件、零件或组件需单独被识别时，它将借助于识别这类结构构件、零件或组件的总标号与一下标相结合来表示。例如，有两个道，在每个方向上绕放一个，用于敷设一个树脂涂层的增强纤维环16，在说明书及附图中，这些道总地用标号24表示，而在两个方向上的每一个道，分别用标号24A及24B来表示。
另一方面，当结构件、零件或组件是类似的，但不完全相同时，仍然使用同样的标号，但是当这些这样标号的构件、零件或组件需要专门地指出时，它们将借助于识别这些结构件、零件或组件的总标号与一下标相结合来表示。例如，具有由两个道24A及24B形成的一些相似的但不同的环或圈。在说明书及附图中，这些环或圈总地用标号16表示，但专门的、个别的环则用带字母的标号16A、16B等表示。
这些相同的字母标号规则将在整个说明书中使用。
虽然该杆10的结构是非常独特的、但是如考虑到这些层的数目是怎样确定的及与形成这些层相关的各个环的长度是怎样确定的时，它的新颖性的全部特征是完全可以被理解的。为了最佳地理解该过程，我们必须参考图16，并通过其说明记住相继环的数目和长度是由计算机模拟设计确定，该计算机模拟设计的算法用图16中的流程图表示。
该流程图起始于任意选择一个原始的最大允许应力“Smax”。应该理解，该值不需要与最终的真实最大允许应力值有任何真正相似之处，对此在以下将详细地说明。于是，我们可以选择每平方英寸四万磅（40，000psi），这当然完全超出了一种FRP构件的实际值。
再选择原始增量调整值“Sincr”，利用该值对原始选择的最大允许应力进行调整，对此以下再详细地说明。起始增量调整值的选择值要选择得足够大，以使得在计算机设计过程中所使用的对半检索将不会占用过长的实时运行周期，但又要选择得足够小，以致在第一次对半检索被执行前至少需要进行两个检验周期。此外，如果最大应力起初被选择得比最终确定的最大应力的合理期望值大时，则“Sincr”的符号应为负。因此，“Sincr”的起始值可以取等于负的每平方英寸八千磅（-8，000psi）。应指出，这些选择虽然从任意意义来看并非真实的值，但也要理智地作选择，即利用选择过大的“Smax”及相应的“Sincr”值作为起始计算机模拟设计的优选值可以使在计算机模拟设计程序的后继步骤时能提供有效的对半检索。
一旦选择了这些初始值，则在相继的一系列检验站26（图4）上将用于杆10的壁厚与内径的比（总称为厚度/直径比）与一预定最小值相比较。作为通常的规则，对用于FPR公用电线杆所需的该比值被确定为等于或大于0.015。
该壁厚是利用求壁外半径“ro”与壁内半径“ri”之间的差值来确定的。即，该壁厚“t”可用数学式表示：
t=(ro-ri） （1）
该壁厚在要确定比值的检验站26上被内径“di”相除。因而，该比例“R”利用下式作数学计算：
Rc=(ro-ri)/dI（2）
如果计算出的比值Rc小于所需的最小比值RR，它是不能被接受的，则认为，在要确定比值Rc的检验站26上从杆10的底部22开始加上另一个FRP环。然后再计算该比值。如果该比值仍不能被接收，则考虑再加上另一个环。该过程重复下去，一直到Rc等于或大于0.015为止。
在构成具有整体长度Lo-即：地平面“G”以上的长度LA加上地平面“G”以下的长度LB的杆10时，被证实很少能仅用一个单环16（构成一个单一的全长度的层14）提供具有可接受强度的杆。这就是说，很难沿杆的整个长度在所有检验站26上提供同样数目的环以使杆达到必要的强度。相反地，肯定通常需要多个层14来提供所需的厚度对直径的比例RR。
在检验站确定了所需的比值RR后，对杆10进行分析，以确定在检验站26上计算出的应力Scalc是否等于或大于承受一个悬臂负载“F”的最大应力Smax。该应力Scalc。该应力Scalc可由下式来确定：
Scalc＝Mc/I  （3）
式中：
M＝由额定负载FR产生的力矩；
C＝从中心轴（杆的中心线）到杆外表面的距离，在该距离处应力为最大；及
I＝转动惯量，对于一环形横截面，与外径do的四次方与内径dI四次方的差成正比。即：
I＝Ⅱ/64（do 4-dI 4）(4）由于任意选择的初始Smax远超过其合理的期望值，故希望在地平面“G”以上的每个检验站26上计算机设计程序初始运行时Scalc的值将远远小于初始选择的Smax值。如果不是这样，将根据需要加上一附加环。
通常，应力在顶部18处为最小，并当考察逐渐接近底部22的检验站26上得到的结果时应力是增加的。沿着杆的长度在递增的隔开部位上设置检验站，例如以接近六英寸（15.24cm）的间隔设置，则可获得一个实际的结构设计。当每个厚度比R等于或小于0.015，或计算的应力Scalc超过了预定的最大可接受值Smax时，则在作出计算的检验站26上从底部22加上另一个环16。
重复地计算及加上所需的环16，直到由检验公式获得所需的预定值为止。
与杆在额定负载FR作用下遭受弯曲时的挠度计算相关的是，需要确定其柱强度对于构成的柱是否足够。这是当在杆上施加了有效的垂直负载“P”时产生的。当大型路灯，信号灯或变压器单个地或成组地对称支承在杆上时，很容易被确认是施加了垂直负载，但是施加于公用电线杆的最大垂直负载可能是由于使用拉索产生的。当考虑垂直负载时，已证实悬臂弯曲负荷与极限柱负载通常可视为相等，这是因为这两者均正比于其弹性模量“E”与转动惯量“I”的乘积。但必须包括一个校正系数，如以下要说明的。
FRP公用电线杆的风负载承受能力可使用由ANSIC136.20-1990标准中规定的悬臂负载试验结果来计算。该试验数据由杆10自地平面“G”到顶部18的距离LA及使杆损坏的负载力组成。所有的杆都在杆的受压缩应力侧上弯曲损坏。这种由于弯曲的损坏表明，杆与柱一样，在悬臂负载试验时压缩弯曲损坏。使用柱理论，可以从负载及挠度数据预言FRP杆的破坏负载，由此可建立一个非破坏性试验，利用它在每个沿杆递增设置的站上数学地确定所需厚度。
可以使用下式来预计支承一给定负载（在此情况下为额定负载）的悬臂梁端部的挠度（δ）：
δ＝[FRa2/6EI]·(a-3LA) （5）
式中：
FR＝引起梁弯曲的额定负载；
a＝从固定平面（地平面“G”）到额定负载FR施加于梁的点之距离；
LA＝从固定平面到梁的端部的距离;
E＝制作梁的材料的弹性模量;及
I＝梁截面的转动惯量。
柱理论预示对于一端固定，另一端自由的柱其极限或预定破坏负载FP-即弯曲负载-可用下式数学地估算：
FP＝0.25（Ⅱ/a）2EI （6）
虽然在两个式5及6中项“EI”可能是精确相同的，以致对于每个式求解该项看起来应是彼此相等的，但必须记住，式5及6的推导及它们被指定起作用的工作区域是完全不同的，即一种确定挠度“δ”的公式落在材料的弹性极限之内，而极限、预定破坏负载落在弹性极限以外。可能更重要的是，应注意到FRP不是均质的、各向同性的材料。因此在5中的FRP的弹性模量将不等于使用在预计柱的极限负载公式中所使用的弹性模量。此外，该杆是一种锥形结构。因此，弯曲时的“有效”转动惯量将不等于使用于预计极限柱负载时的“有效”转动惯量。因而，为了数学表示的正确性，当用数学等式5及6表示时必须导入一个校正系数“B”，则有：
B(FR(a2)/(δ) )（a-3LA）=4FP( (a)/(Π) )2（7）
因为“a”等于LA，因为这两项都表示从固定点（检验站）到施加负载点的距离-最后的固定点是地平面“G”；因此“a”始终地等于LA-我们可以解出FP并将表达式0.25Ⅱ2化成用“C”表示的正比常数，其解如下式：
Fp=C( (FR)/(δ) )（a-3LA） （8）
由式（7）：C= (BΠ2)/4 （9）
根据式（8）-如果我们能确定常数“C”及如果我们知道：梁LA的长度；从地平面“G”到施加负载“F”的点之距离；及挠度量δ时-我们便能数学地计算出预定的破坏负载FP。项“a”，LA，FR及δ是容易确定的。但是我们必须从试验数据来确定“C”。
为了本发明起见，“C”的求得是使用大量的负载及挠度数据来完成的。这种分析使用在300磅的试验负载时的挠度来求解“C”。使用该试验负载极大程度地减少了在低负载时挠度测量的不一致性的影响，并也极大地减少了伸展到试验设施中的地面线带的影响。
为了识别负载/挠度参数之间的线性关系，将由三百（300）磅负载得到的对于“a”，LA及挠度量δ的数据存入到一个传递表格中，并计算出负载-挠度参数。由一种通过其图形座标原点的破坏负载相对负载-挠度参数的函数关系的线性回归分析，在破坏负载的标准误差推算值为270磅及校正系数（r2）为0.94（1为最佳数据配合）的范围内获得对于C的值为-0.0843。必须理解，该挠度试验数据是基于玻璃增强纤维作出的，该玻璃增强纤维具有每磅玻璃二百五十（250）码长度玻璃纤维的“产量”。应当理解，不同的纤维或同样的但以不同的产出率生产的玻璃纤维也导致不同的“C”值。这个计算结果证实了这里描述的在本发明构思内制造空心锥形公用电线杆的方案。
总之，在沿地上杆长度的每个检验站上壁厚与内径的比及应力的校核被完成后，就确定了在额定负载下的顶部挠度δ，并根据式（8）计算出在该挠度δ时的设定破坏负载FP，如果额定负载FR不小于设定破坏负载Fp，并如果设定破坏负载Fp不小于额定负载FR加上一预选常数值ε，则对最大允许应力Smax作校正。
在对如何校正最大允许应力详细说明前，应对额定负载与设定破坏负载的比较作出解释，额定负载FR是对被制造杆的等级发布的水平负载加上基于二百七十（270）磅的标准误差推算值增加到用于附加安全裕度的四百（400）磅的值。因此，如果杆的等级额定值为承受二千四百（2，400）磅的水平负载，则额定负载应为二千八百（2，800）磅。系数ε是一个最小常数，它约为一百（100）磅的数量级，是为了保证回答“是否FR＜FP＜FR+ε”问题时能作出或“是”或“否”回答必须的扩展量。
在最大允许应力Smax需要修正的情况下，将会得到“否”的回答，然后我们必须确定是否将增量应力“Sincr”加到这时存在的Smax值上或是被从中减去。利用求解下式是否成立来作出决定：
((FR-FP)1-1)/((FR-FP)1) ＜0 （10）
其中“i”是当前的用于计算在额定负载FR时顶部挠度及确定在这种挠度时的设定破坏负载FP的计算惯量。因此表达式“i-1”表示先前的惯量。在该计算机设计程序中将结合一计数器，用于识别这些相继的惯量。
在计算机模拟设计程序首次运行时，没有“i-1”惯量，所述表达式（10）将因此向计算机提供零作为回答，因为零被任何值除得到的回答为零。
在两种情况下，表达式（10）将会产生一个大于或等于零的数，所以将沿流程图的“否”分支进行，并在当前的或初始的Smax上增加当前增量值Sincr来确定一个新的Smax。因为初始设定的增量应力值被指定为负数，所以新的最大允许应力Smax将是前一最大允许应力减去该增量应力Sincr。该新的最大应力值接着将被重置到流程图的顶框中，并逐步地对流程图中所示计算重新进行计算。在第二次运动时，将对数学表达式（10）所描述的检验全都逐步地、重复地作出计算，并为由式（10）表示的数学检验式提供当前的及前一个FR及FP数值。继续重复计算并在每个周期结束时重置新的Smax。
在某一重复时，由式（10）确定的检验比值变成小于零，则将沿流程图的“是”分支进行。当获得“是”回答时，增量应力Sincr被减小到一半（1/2）并且增量应力Sincr的符号改变。
上述设计公式被继续在所有地平面“G”以上的站26上进行计算，直到检验式FR＜FP＜FR+ε被得到“是”的回答时为止。在低于地平面的点上再进行求值计算。在通常情况下，延伸在地平面以下的杆部分不会有变化，则程序结束。但是，在某些特殊情况需要特殊处理的情况下，应提供求值步骤。
当杆10的计算机设计完成时，该所得出的杆的构型将例如如以下所述。在检验站26A上，转动惯量是环16A的直径dO1及dI1的函数，环16A包括两个道24A1及24B1，及距离C等于C1。可以理解，由于环的卷筒的锥度，及作为在锥形卷筒上缠树脂涂层的纤维束的结果，厚度随之变化，因此直径将继续地增加。
在检验站26B上，转动惯量为直径dO2及dI2的函数，并且距离C等于C2。由于任何情况，在检验站26B上，至少检验中有一次失败，则增加了一个环16B-包括两个道24A2及24B2。
环16B不一定延伸超出检验站26B，因此层14A仅构成环16A的一部分并从检验站26B延伸到预部18，并包括顶部18在内。
在检验站26C上，使用直径do3及dI3，及距离C3。但不需要增加环16。另一方面，在检验站26D-这里使用直径do4及dI3，及距离C4来计算数学检验式-需要增加另一个环16C，该环包括两个道24A3及24B3。
然而，在检验站26E上，所有检验继续通过，并不再需要增加环16。因此杆10具有第一层14A，它从顶部18延伸到检验站26A；第二层14B，它延伸在检验站26B及26D之间；及，第三层，它从检验站26D延伸到底部22。
利用普通的编程的数字计算机来计算所需的值时，能使过程简化并能在可接收的时间周期中完成对不同长度的杆及各种负载的计算。由于杆在投入使用的条件下，负载将会变化。例如，杆将支承路灯、信号灯、变压器、-或利用拉索作稳固-所有这些将施加－悬臂负载。还必须考虑在杆要设立的地点发生的盛行风及最大可能的风负载。
在杆的计算机数学设计完成后，则根据由该模拟设计技术确定的环的数目及长度制造真实的杆。如图15所示，该树脂涂层的纤维束32敷设在一个卷筒28上，该卷筒可转动地支承在它的纵长轴30上。每个环16的第一道24A这样地敷设在卷筒28上，即使得纤维增强束32A以右手螺旋角θR放置；而每个环16的第二道24B则那样地敷设在卷筒28上，即使得纤维增强束32B以左手螺旋角θL放置。最好，角θR及θL具有相同的绝对值但方向相反。后继的环将以类似的螺旋角度施加树脂涂层的加强束32。对于公用电线杆将遭受的大多数条件，已证实十五度（15°）的值是可以接受的。
因为杆结构可以由计算机设计来确定，而不是真正构成该杆，故敷设在卷筒28上的内环也可以是短的环。因此，我们可以首先缠绕环16C，由此它将是最内部的环。用这种方式作出的杆将呈现总体平滑的外表面并可能具有更使人感到舒畅的美观外表。
以上对一种FRP公用电线杆示范实施例的详细说明是为了解释及说明而作出的。既不是表明这是唯一的也不意味着本发明将限制在所公开的精确形式上。显然，根据上述技术可以作出各种改型或变型。选择及描述该实施例是为了对本发明的原理及它的实际应用提供最佳的说明，以便使本领域中的普通技术人员能用适合所考虑的特定应用的各种实施方式及运用各种变型来使用本发明。从公正、合法、及平等授权的范围来理解，所有这些变型及改型都在附属权利要求书所确定的本发明的范围之内。
虽然对本发明仅公开了一个优选实施例，但显然能理解，对于本领域的技术人员来说，该实施例易于得出多种变化是显而易见的。因此，本发明的范围不是限制在所表明的及所描述的细节上，而是意味着包括在所附权利要求书的范围内的所有变型及改型。
现在可明显地看出，本发明授以了一种实施本发明构思的FRP公用电线杆及为制造该杆所公开的方法，这种杆及方法完全能够实现本发明之目的。

Claims (19)

1、一种空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，用于由一种合成FRP继而制造该杆，该公用电线杆具有一个底部，一个中间部分及一个顶部，所述方法包括下列步骤：
确定待制造的杆的长度；
选择具有典型径向构型及长度的套筒来提供杆从底部到顶部的整个长度；
沿套筒从要形成顶部的部位到要形成底部的部位递增地设置检验站；
从底部部位到顶部部位仿真地以一个环的方式敷设树脂涂层纤维增强束；
在接近杆顶部的检验站上，确定该树脂涂层的纤维增强束环的壁厚的厚度与直径的比例是否等于或小于一个确定的常数；
为了满足在第一检验站上的厚度与直径比，必须仿真地敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环；及
确定在接下来的下一检验站上该厚度与直径比是否等于或大于确定常数；
为了满足在下一检验站上的厚度与直径比，必须仿真性敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环；
继续在每个检验站1上进行检验步骤，根据需要仿真地敷设另外的环，直到沿顶部到底部的所选杆长度上的厚度对直径比的检验均满足条件为止。
2、根据权利要求1所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括,
选择千分之十五（0.015）作为厚度与直径比的常数的步骤。
3、根据权利要求1所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括下列步骤：
确定在相继检验站上在预定负载下计算出的可接受抗应力强度是否大于对每个相应检验站所需的抗应力强度；及
在程序进行前为了满足所需的抗应力强度，必须仿真地敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环。
4、根据权利要求3所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括步骤：
借助于下式在每个站上计算抗应力强度：
S＝Mc/I
式中：M--由所选负载产生的力矩；
C--从杆的中心轴到其外表面的距离；及
I--对于该检验站处的杆横截面的转动惯量。
5、根据权利要求3所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：
当仿真杆遭受额定负载时在每个站上计算顶部挠度量；
在每个站上从顶部挠度量设定破坏负载；及
在程序进行前为了保证额定负载小于设定的破坏负载，必须仿真地敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环。
6、根据权利要求5所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：
Fp=C( (FR)/(δ) )(a-3LA)
式中：FR--引起梁挠曲的额定负载
Fp--设定破坏负载；
a--从固定平面到额定负载FR施加于梁的点的距离；
LA--从固定平面到梁的端部的距离；
C--正比例常数；及
δ--在施加的负载下的梁挠度量。
7、根据权利要求6所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：
任意选择一个最大允许应力，最好高于其预期值；
选择一个增量应力，用于当检验式FR＜FP＜FR+ε的回答为“是”时调节所述的最大应力。
8、根据权利要求6所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：
使用破坏负载相对负载挠度参数的线性回归分析确定正比例常数。
9、根据权利要求7所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下的步骤：
如果检验式（FR-FP）i-1/（FR-FP）i＜0满足时，选择一个新的增量应力，用以借助对半检索程序重新设置所述最大允许应力。
10、根据权利要求8所述的空心公用电线杆的计算机模拟设计方法，还包括以下步骤：
如果使用的玻璃增强纤维具有每磅二百五十（250）码长度的产出量则用负的万分之八百四十三（-0.0843）代替正比例常数。
11、根据权利要求10所述的计算机模拟设计方法制造空心公用电线杆的方法，包括以下步骤：
将树脂涂层纤维增强束敷设在卷筒上；及处理树脂，完成该杆。
12、制造一种空心公用电线杆的方法，该杆具有一个底部，一个中间部分及一个顶部，该方法包括以下步骤：
确定待制造杆的长度；
选择具有典型直径及长度的卷筒，在其上制造该杆；
从顶部分到底部分递增地隔开设置检验站；
在卷筒上敷设树脂涂层纤维增强束；
在所述每个检验站上，确定对于在所述卷筒上敷设的树脂涂层纤维增强束的壁厚的厚度与直径比是否等于或小于0.015；
为了在第一检验站上满足厚度与直径比，必须敷设树脂涂层的纤维增强束的任何另外的环；
利用下式在每个所述检验站上计算抗应力强度；
S=Mc/I
确定在所述检验站上在预定负载下计算出的可接受的抗应力强度是否大于对每个检验站所需的抗应力强度：
在程序进行前，为了在所述试验站上满足所需的抗应力强度，必须敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环；
利用下式在每个所述检验站上计算极限负载：
Fp=C( (FR)/(δ) )(a-3l)
在所述站上确定待施加于杆的真实负载是否低于使杆损坏的极限负载：
如果预选择的额定负载不小于设定的破坏负载，并且额定负载不超过设定的破坏负载一个预定的安全裕量，则调节可接受的应力；
为了保证额定负载及设定的破坏负载满足安全裕量准则，必须敷设树脂涂层纤维增强束的任何另外的环；
在每个检验站上继续检验及敷设步骤，直到杆得到满足地被放置在卷筒上；及
处理树脂完成该杆。
13、根据权利要求12所述的制造空心公用电线杆的方法，其中：确定厚度与直径比是否满足的步骤，是在继续进行该程序的其余步骤前。在所有的检验站上完成的。
14、根据权利要求13所述制造的空心公用电线杆的方法，还包括以下步骤：
在作为该程序的任何其余步骤的结果确定出必须敷设任何另外的环后，在所有的检验站上重新计算厚度与直径比。
15、利用根据权利要求14的方法制造一种公用电线杆。
16、一种空心锥形公用电线杆，具有底部及顶部，所述杆包括：
至少一个从底部延伸到顶部的FRP环；
至少一个另外的毗连第一环的从底部延伸到每个确定部位的FRP环，该部位由以下确定：
在所述部位上的厚度与直径比；及
施加在杆的每个所述部位上的应力负载，它不超过在每个所述部位上的预定允许应力。
17、根据权利要求16所述的空心公用电线杆，其中：所述应力负载是根据施加于杆的悬臂负载确定的：及
所述厚度与直径比是在每个所述部位杆的外径与内径之间的差除以在每个所述部位杆的内径的值。
18、根据权利要求17所述的方法制造的公用电线杆，其中：
如果预选的额定负载不小于设定破坏负载及额定负载不超过设定破坏负载一个预定安全裕量，则调节最大可接受应力。
19、根据权利要求16所述的公用电线杆，其中：
沿杆的每个所述部位的环数目是根据每个专门部位上最大允许应力值来确定的，最大应力值作为设定的破坏负载的结果是由包括施加于杆的负载及施加于杆的悬臂及柱的负载来确定的，而设定破坏负载是作为额定负载下计算的挠度结果设定的。
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