JP4428532B2 - 電柱設計方法および電柱設計装置 - Google Patents

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Description

この発明は、ケーブルを敷設するための電柱設計方法および電柱設計装置に関する。
通信伝送線路用などのケーブルを敷設する場合、架空線を用いる方式がある。この方式による伝送線路では、図13に示すように、ケーブル101は、電柱111、112によって支持される。電柱111は、切断されることなく引き通されたケーブル101を把持する引き通し電柱であり、電柱112は、切断されたケーブル101の末端を把持する引き留め電柱である。さらに、電柱112には、上部支線121が設けられている。上部支線121は、地下に埋設されたブロックやアンカーなどの下部支線122と電柱112とを連結するワイヤーであり、電柱112に加わるケーブル101による張力を負担して、電柱112を支えるものである。上部支線121および下部支線122、つまり電柱112の支線については、非特許文献1に詳細に記載されている。
こうした架空線の電柱や支線は、設置される電柱の種類や、電柱と電柱のスパンなどのデータ、図13に示す伝送線路の設計モデルを基にして設計される。
社団法人日本電気協会配電専門部会、配線規定(低圧及び高圧) JEAC7001−1999、1999年、pp.97、pp.407
先に述べた従来の伝送線路の設計には、次の課題がある。つまり、設置される電柱の種類、電柱と電柱のスパンのデータや、図13の設計モデルなどを基にして、引き通し電柱や引き留め電柱、支線などを設計した場合、設計値と実設備とには差異があることが判明した。この結果、実際には安全な設備で、支線が不要な所に対しても、不安全であるとの評価を下してしまうことがあり、支線を設置する設計をすることになる。これにより、支線を設置するための場所の確保や設置作業などを行い、余分な費用や労力がかかることになる。
この発明は、前記の課題を解決し、実設備に従う電柱設計方法および電柱設計装置を提供することにある。
前記課題を解決するために、この発明では次のようにしている。図1は伝送線路の設計モデルを示す図であり、図1(a)に示すように、引き通し電柱である電柱1と、引き留め電柱である電柱2とがケーブル3を支持し、支線4が電柱2を支持している場合に、無風状態を初期状態とすると、有風時には、図2に示すように、電柱1、2に加わる総荷重は、ケーブル3の水平張力T、Tの差Ftensionと、ケーブル3の風圧荷重PWCおよび電柱1、2の風圧荷重PWPの合力Fとなり、次式の関係となっている。
Figure 0004428532
ここで、
Kd:風圧荷重(N/m)
K:風圧係数(N/m
:ケーブル外径(m)
Si:スパン長(m)[i=1、2、…]
:張力(m)[i=1、2、…]
である。
従来では図1(b)に示すように、有風時でも電柱1、2が固定された伝送線路の設計モデルにより、電柱1、2に加わる張力を計算し、電柱を設計していた。つまり、従来の張力計算では、電柱1、2による変位を考慮していない。これに対して、この発明では、図1(c)に示す伝送線路の設計モデルにより、ケーブル3による水平張力T、Tの大きい方向への電柱1、2の変位(以下、電柱変位という)を考慮する。実際には、電柱1、2がケーブル3の水平張力T、Tの大きい方向に変位することにより、ケーブル水平張力差を緩和することとなる。つまり、従来の設計モデルによる設計方法で算出したケーブル水平張力は、実際に比べて大きなものとなる。この結果、実際には安全である設備を不安全であるとの評価を下してしまうことがある。
こうした電柱変位を考慮した請求項1の発明は、有風時にケーブルの張力で発生する電柱の変位により、電柱の不平衡荷重を算出する電柱設計方法であって、電柱の変位として仮の値を設定する第1の処理と、前記第1の処理で設定した電柱の変位を可能にするケーブルの張力から、電柱に加わる荷重を算出する第2の処理と、前記第1の処理で設定した電柱の変位を基にして、変位と荷重との関係から電柱に加わる荷重を算出する第3の処理と、前記第2の処理と前記第3の処理とで算出した両荷重の差が所定範囲か否かを判定する第4の処理と、前記第4の処理で前記両荷重の差が前記所定範囲と判定されたときに、前記両荷重の一方を電柱に加わる荷重として出力する第5の処理と、前記第4の処理で前記両荷重の差が前記所定範囲でないと判定されたときに処理を前記第1の処理に戻す第の処理とを含み、前記第の処理の後、前記第1の処理で別の仮の値の設定をすることを特徴とする電柱設計方法である。
請求項2の発明は、請求項1に記載の電柱設計方法において、前記第2の処理は、前記第1の処理で設定した電柱の変位を基にして、ケーブルによる各張力を算出する張力算出処理と、前記張力算出処理で算出した張力から電柱に加わる荷重を算出する荷重算出処理とを含むことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項またはに記載の電柱設計方法において、前記第3の処理で用いた変位と荷重との関係は、片持ち梁の変位と荷重との関係であることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電柱設計方法において、前記第4の処理は、前記第2の処理と前記第3の処理とで算出した両荷重の差を算出する誤差算出処理と、前記誤差算出処理で算出した前記両荷重の差が所定範囲か否かを判定する判定処理とを含むことを特徴とする。
請求項の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電柱設計方法において、ケーブルの張力に応じて伸縮するスプリングバランサーを介してケーブルが電柱に支持され、有風時に前記スプリングバランサーで緩和されたケーブルの張力で発生する電柱の変位により、電柱の不平衡荷重を算出することを特徴とする。
請求項の発明は、有風時にケーブルの張力で発生する電柱の変位により、電柱の不平衡荷重を算出する電柱設計装置であって、電柱の変位として仮の値を設定する変位設定部と、前記変位設定部で設定した電柱の変位を可能にするケーブルの張力から、電柱に加わる荷重を算出する第1演算部と、前記変位設定部で設定した電柱の変位を基にして、変位と荷重との関係から電柱に加わる荷重を算出する第2演算部と、前記第1演算部と前記第2演算部とが算出した両荷重の差が所定範囲かどうかを判定し、所定範囲でないと判定したときに、前記変位設定部に別の仮の値の設定を指示する判定部と、前記両荷重の差が所定範囲であると判定部が判定したときに、両荷重の一方を電柱に加わる荷重とする出力部とを備えることを特徴とする電柱設計装置である。
請求項の発明は、請求項に記載の電柱設計装置において、前記第1演算部は、前記変位設定部で設定した電柱の変位を基にして、ケーブルによる各張力を算出し、算出した張力から電柱に加わる荷重を算出することを特徴とする。
請求項の発明は、請求項6または7に記載の電柱設計装置において、前記第2演算部が用いた変位と荷重との関係は、片持ち梁の変位と荷重との関係であることを特徴とする。
請求項の発明は、請求項6〜8のいずれか1項に記載の電柱設計装置において、ケーブルの張力に応じて伸縮するスプリングバランサーを介してケーブルが電柱に支持され、有風時に前記スプリングバランサーで緩和されたケーブルの張力で発生する電柱の変位により、電柱の不平衡荷重を算出することを特徴とする。
請求項1、および請求項2、の発明により、通常、電柱に支線を設置しなくてはならない箇所について、実際に即した設計を行うことにより、支線の設置を回避することができる。これにより、円滑な通信網の構築と地権者などへの折衝稼動を大幅に削減することが可能となる。
請求項3および請求項の発明により、想定された変位に対する荷重を得る場合に、片持ち梁の変位と荷重との一般的な関係を用いることができる。
請求項および請求項9の発明により、請求項1、および請求項2、の発明をスプリングバランサーで支持されたケーブルに適用可能である。
つぎに、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
(実施の形態1)
この実施の形態では、先に述べた図1と同様の図3に示す設計モデルを用いる。なお、この実施の形態では、電柱1やケーブル3などを区別する場合、例えば電柱1、1、…、1のように表示する。この設計モデルでは、有風時に、1号柱である電柱1の変位がdSであり、2号柱である電柱1の変位がdSである。そして、i号柱である電柱1の変位がdSである。また、各変位dS〜dSは、無風時の初期状態から有風時の変化後の状態までの変位を表している。電柱1〜1は、プレストレス構造のCP柱(コンクリートポール)である。
初期状態では、図4(a)に示すように、電柱1(または電柱2)に支持されたケーブル3により張力が発生する。このとき、ケーブル水平張力を表すケーブル水平張力方程式は次のようになる。
Figure 0004428532
これらの式では、
:ケーブル重量(N/m)
S:初期スパン長(m)
:初期弛度(m)
:初期張力(m)
:ケーブル自然長(m)
EA:ワイヤーヤング率×断面積(N)
である。
初期状態のケーブル水平張力方程式を基にして、つまり、ケーブル自然長L(水平張力=0のときのケーブル長)は電柱変位や無風・有風の状況下であっても変化しないことに着目し、図4(b)に示すように、有風時の変化後のケーブル水平張力方程式を導出する。
Figure 0004428532
ケーブル水平張力方程式では、
:ケーブル重量(N/m)
W:ケーブル合成荷重(N/m)
Kd:風圧荷重(N/m)
K:風圧係数(N/m
:ケーブル外径(m)
S:初期スパン長(m)
dS:電柱変位総和(m)
d:弛度(m)
T:張力(m)
:ケーブル自然長(m)
EA:ワイヤーヤング率×断面積(N)
である。
導出したケーブル水平張力方程式を用いて、図5に示す電柱設計装置がケーブル水平張力を算出する。電柱設計装置は、変位設定部11と第1演算部12と第2演算部13と判定部14と出力部15とを備え、図6の処理手順に従ってケーブル水平張力を算出する。処理が開始されると、電柱設計装置の変位設定部11は、電柱の変位として仮の変位、つまり電柱仮想変位dS、…、dSに、適当な値を設定する(ステップS1)。
第1演算部12は、ステップS1で設定された電柱仮想変位dS、…、dSを用いて、スパンS、…、Si+1に対応するケーブル3、…、3i+1による張力T、…、Ti+1を、変化後のケーブル水平張力方程式を用いて算出する(ステップS2)。ステップS2の後、第1演算部12は、隣接するケーブル3、…、3i+1による張力T、…、Ti+1から、各電柱1、…、1に加わる荷重、つまり、電柱荷重ΔT、…、ΔTを算出する(ステップS3)。たとえば、1号電柱である電柱1が支持するケーブル3とケーブル3、つまり、スパンSとスパンSに対応する張力T、Tから、
Figure 0004428532
の演算をして、電柱1の電柱荷重ΔTを算出する。同様にして、電柱1の電柱荷重ΔTは、
Figure 0004428532
の演算により求める。
一方、第2演算部13は、ステップS1で設定された電柱仮想変位dS、…、dSを用いて、電柱1、…、1に加わる電柱荷重F、…、Fを算出する(ステップS4)。ステップS4では、第2演算部13が、次に示す一般的な片持ち梁荷重・変位式を用いて、電柱荷重F、…、Fを直接、算出する。
Figure 0004428532
この式では、
:電柱平均ヤング率(N/m
:電柱平均断面2次モーメント(m
h:架設点地上高(m)
である。
一般的な片持ち梁荷重・変位式は、図7に示すように、電柱1(または電柱2)の架設点地上高hにおける電柱仮想変位dSと電柱荷重Fとの関係を示す。ステップS4では、この式により、電柱仮想変位dS、…、dSが生じるときの電柱1の電柱荷重F、…、Fを算出する。
第1演算部12がステップS3を終了し、第2演算部13がステップS4を終了すると、判定部14は、第1演算部12が算出した電柱荷重ΔT、…、ΔTと、第2演算部13が算出した電柱荷重F、…、Fとから、電柱仮想変位dS、…、dSに対する電柱荷重誤差Δ、…、Δを算出する。たとえば、1号電柱である電柱1の電柱荷重誤差Δは、ケーブル水平張力方程式から算出した電柱荷重ΔTと、片持ち梁荷重・変位式から算出した電柱荷重Fとから、
Figure 0004428532
の演算をして求める。これにより、仮に設定した電柱仮想変位dSを用いて、2種類の式から算出した電柱荷重ΔT、Fの誤差を算出している。同様にして、i号電柱である電柱1の電柱荷重誤差Δは、ケーブル水平張力方程式から算出した電柱荷重ΔTと、片持ち梁荷重・変位式から算出した電柱荷重Fとから、
Figure 0004428532
の演算をして求める。
ステップS5の後、判定部14は、ステップS3で算出した電柱荷重と、ステップS4で算出した電柱荷重とが同じ値であるべきなので、あらかじめ設定され、かつ、所定範囲を表す誤差判定値δを用いて、先に算出した電柱荷重誤差Δ、…、Δを判定する(ステップS6)。たとえば、判定部14は、電柱1について、
Δ<δ
のとき、電柱荷重誤差Δが誤差判定値δの範囲内にあると判断する。同様に、電柱1について、
Δ<δ
のとき、電柱荷重誤差Δが誤差判定値δの範囲内にあると判断する。
ステップS6で、電柱1、…、1の電柱荷重誤差Δ、…、Δがすべて誤差判定値δの範囲内にあると判定部14が判断すると、出力部15は、ステップ3で算出した電柱荷重ΔT、…、ΔT、または、ステップS4で算出した電柱荷重F、…、Fを電柱1、…、1の水平張力成分として出力する(ステップS7)。また、ステップS6で電柱1、…、1の電柱荷重誤差Δ、…、Δが誤差判定値δの範囲にないと判定部14が判断すると、処理をステップS1に戻す。これより、変位設定部11は、電柱仮想変位dS、…、dSに別の値を設定する。この後、先の処理が再び行われる。
ステップS7の後、実際の電柱に加わる不平衡荷重を計算するには、決定したケーブル水平張力による電柱荷重成分にケーブルおよび電柱の風圧荷重成分を図2の通りに合成することで求められる。
こうして、この実施の形態により、電柱変位を考慮したケーブル水平張力を算出して、実際の設備におけるケーブル水平張力差を正確に求めることができる。これにより、図8(a)に示すように、支線をとることのできない引き留め柱である電柱2については、図8(b)に示すように、電柱1、2の電柱変位を考慮する設計方法を用いることにより、ケーブル水平張力が減少する方向に電柱1、2が変位するため、支線のない電柱2の適用領域を拡大することが可能となる。なお、電柱変位を考慮する設計方法で求めた理論値と、実設備による実験値とを比較したところ、5%以内の差分で一致しているとの結果が出ている。
また、無支線の異種ケーブル引き通し柱である電柱1の場合、図9(a)に示すように、電柱1が支えるケーブルの種類が異なるとき、つまり、2つのケーブルがケーブル3と異種ケーブル3Aであるとき、電柱変位を考慮しないと、電柱1は両側に支線4をとることとなる。これに対して、図9(b)に示すように、電柱1、2の電柱変位を考慮した設計方法を用いることにより、ケーブル水平張力を緩和して、支線4を設置する必要のない適用領域を探索することが可能となる。
(実施の形態2)
この実施の形態では、スプリングバランサーを用いた伝送線路に対して、この発明を適用している。なお、この実施の形態では、先に説明した実施の形態1と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けてその説明を省略する。この実施の形態の伝送線路では、図10に示すように、ケーブル3の末端がスプリングバランサー5を介在させて、電柱2に把持されている。スプリングバランサー5は、図11に示すように、有風時にケーブル3の張力を受けて伸長することにより、支線4の張力を緩和する。
初期状態では、図12(a)に示すように、電柱1、2に支持されたケーブル3により張力が発生する。このとき、ケーブル水平張力を表すケーブル水平張力方程式は次のようになる。
Figure 0004428532
これらの式では、
:ケーブル重量(N/m)
S:初期スパン長(m)
:初期弛度(m)
:初期張力(m)
:ケーブル自然長(m)
EA:ワイヤーヤング率×断面積(N)
Δ:スプリングバランサーの初期変位(m)
:スプリングバランサーのバネ定数(N/m)
である。
初期状態のケーブル水平張力方程式を基にして、つまり、ケーブル自然長Lが電柱変位や無風・有風の状況下であっても変化しないことに着目し、図12(b)に示すように、有風時の変化後のケーブル水平張力方程式を導出する。
Figure 0004428532
これらのケーブル水平張力方程式では、
:ケーブル重量(N/m)
W:ケーブル合成荷重(N/m)
Kd:風圧荷重(N/m)
K:風圧係数(N/m
:ケーブル外径(m)
S:初期スパン長(m)
dS:電柱変位総和(m)
d:弛度(m)
T:張力(m)
:ケーブル自然長(m)
EA:ワイヤーヤング率×断面積(N)
Δ:スプリングバランサーの変位(m)
:スプリングバランサーのバネ定数(N/m)
である。
導出したケーブル水平張力方程式を用いて、実施の形態1と同じように、電柱変位を考慮したケーブル水平張力を算出して、実際の設備におけるケーブル水平張力差を正確に求めることができる。
以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は各実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。たとえば、各実施の形態では、電柱1、2としてプレストレス構造のCP柱を用いたが、木製の柱など各種の電柱にこの発明が適用可能である。
また、実施の形態2では、ケーブル3の末端がスプリングバランサーを介在して引き留め電柱に支持された設計モデルを用いたが、スプリングバランサーを引き通し電柱に用いた設計モデルを用いることも可能である。
この発明を説明する図である。 電柱に加わる荷重を説明する図である。 実施の形態1による設計モデルを説明する図である。 ケーブル水平張力方程式を説明する図である。 実施の形態1による電柱設計装置を示すブロック図である。 電柱設計装置による処理を示すフローチャートである。 片持ち梁荷重・変位式を説明する図である。 無支線の引留め柱の設計を説明する図である。 無支線の異種ケーブル引き通し柱の設計を説明する図である。 実施の形態2に用いられる伝送線路を示す図である。 実施の形態2による設計モデルを説明する図である。 ケーブル水平張力方程式を説明する図である。 架空線路の構成を説明する図である。
符号の説明
1、2 電柱
3 ケーブル
3A 異種ケーブル
4 支線
5 スプリングバランサー
11 変位設定部
12 第1演算部
13 第2演算部
14 判定部
15 出力部
S1 ステップ(第1の処理)
S2 ステップ(第2の処理、張力算出処理)
S3 ステップ(第2の処理、荷重算出処理)
S4 ステップ(第3の処理)
S5 ステップ(第4の処理)
S6 ステップ(第4の処理)
S7 ステップ(第4の処理)

Claims (9)

  1. 有風時にケーブルの張力で発生する電柱の変位により、電柱の不平衡荷重を算出する電柱設計方法であって、
    電柱の変位として仮の値を設定する第1の処理(ステップS1)と、
    前記第1の処理(ステップS1)で設定した電柱の変位を可能にするケーブルの張力から、電柱に加わる荷重を算出する第2の処理(ステップS2、S3)と、
    前記第1の処理(ステップS1)で設定した電柱の変位を基にして、変位と荷重との関係から電柱に加わる荷重を算出する第3の処理(ステップS4)と、
    前記第2の処理(ステップS2、S3)と前記第3の処理(ステップS4)とで算出した両荷重の差が所定範囲か否かを判定する第4の処理(ステップS5、S6)と、
    前記第4の処理(ステップS5、S6)で前記両荷重の差が前記所定範囲と判定されたときに、前記両荷重の一方を電柱に加わる荷重として出力する第5の処理(ステップS7)と、
    前記第4の処理(ステップS5、S6)で前記両荷重の差が前記所定範囲でないと判定されたときに処理を前記第1の処理(ステップS1)に戻す第の処理と
    を含み、前記第の処理の後、前記第1の処理(ステップS1)で別の仮の値の設定をすることを特徴とする電柱設計方法。
  2. 前記第2の処理(ステップS2、S3)は、
    前記第1の処理(ステップS1)で設定した電柱の変位を基にして、ケーブルによる各張力を算出する張力算出処理(ステップS2)と、
    前記張力算出処理(ステップS2)で算出した張力から電柱に加わる荷重を算出する荷重算出処理(ステップS3)と、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の電柱設計方法。
  3. 前記第3の処理(ステップS4)で用いた変位と荷重との関係は、片持ち梁の変位と荷重との関係である、
    ことを特徴とする請求項またはに記載の電柱設計方法。
  4. 前記第4の処理(ステップS5、S6)は、
    前記第2の処理(ステップS2、S3)と前記第3の処理(ステップS4)とで算出した両荷重の差を算出する誤差算出処理(ステップS5)と、
    前記誤差算出処理(ステップS5)で算出した前記両荷重の差が所定範囲か否かを判定する判定処理(ステップ6)と、
    を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電柱設計方法。
  5. ケーブルの張力に応じて伸縮するスプリングバランサー(5)を介してケーブルが電柱に支持され、有風時に前記スプリングバランサー(5)で緩和されたケーブルの張力で発生する電柱の変位により、電柱の不平衡荷重を算出する、
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電柱設計方法。
  6. 有風時にケーブルの張力で発生する電柱の変位により、電柱の不平衡荷重を算出する電柱設計装置であって、
    電柱の変位として仮の値を設定する変位設定部(11)と、
    前記変位設定部(11)で設定した電柱の変位を可能にするケーブルの張力から、電柱に加わる荷重を算出する第1演算部(12)と、
    前記変位設定部(11)で設定した電柱の変位を基にして、変位と荷重との関係から電柱に加わる荷重を算出する第2演算部(13)と、
    前記第1演算部(12)と前記第2演算部(13)とが算出した両荷重の差が所定範囲かどうかを判定し、所定範囲でないと判定したときに、前記変位設定部(11)に別の仮の値の設定を指示する判定部(14)と、
    前記両荷重の差が所定範囲であると判定部(14)が判定したときに、両荷重の一方を電柱に加わる荷重とする出力部(15)と、
    を備えることを特徴とする電柱設計装置。
  7. 前記第1演算部(12)は、
    前記変位設定部(11)で設定した電柱の変位を基にして、ケーブルによる各張力を算出し、算出した張力から電柱に加わる荷重を算出する、
    ことを特徴とする請求項に記載の電柱設計装置。
  8. 前記第2演算部(13)が用いた変位と荷重との関係は、片持ち梁の変位と荷重との関係である、
    ことを特徴とする請求項6または7に記載の電柱設計装置。
  9. ケーブルの張力に応じて伸縮するスプリングバランサー(5)を介してケーブルが電柱に支持され、有風時に前記スプリングバランサー(5)で緩和されたケーブルの張力で発生する電柱の変位により、電柱の不平衡荷重を算出する、
    ことを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の電柱設計装置。
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