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萦绕着“木等效”非木质电杆的迷茫与混乱
32624电杆可靠度研究所所长Decker Prairie，Rd. Magnolia，邮编：77355；电话：281-259-7000；邮箱：woliphant@reliapole.com
难道只有我一人认为世界已混乱得无以复加？我同意，在全球范围内，解决“电杆问题”与目睹世界经济崩溃比较起来，前者显然没有后者重要。不过我自认为一个理智博学的工程师，同时也是一个花大量时间学习电杆行业细微差异的“电杆人”,我需要思考的“木性等效”非木质电杆问题就摆在面前。我的家人说我得有一个新爱好 ！也许吧，不过先让我谈谈自己的观点。
何为“木等效”非木质电杆？
这不是凭空捏造，因为“木等效”非木质电杆确实存在。请别误会，人们想要相信一种事物存在，其背后的原因我非常理解。我们这一行，在使结构特性与材料性能不同的电杆商业化和标准化的过程中，似乎尝到了甜头。我们想让工序变得简单，安全，更加标准化，等等。然而，上述细化“等效木”非木质电杆的做法却导致了某些困惑，有时甚至是混乱。
不过，我们真想用适用于木杆的标准来衡量非木质杆（钢材、混凝土和强化纤维复合材料）吗？在给用于单杆实用结构的木杆的质量和维度提供最低限度的规格这项工作上，ANSI 05.1已做得很不错，我认为我们能够也必须采取一些步骤，以将此标准应用到更一致的规范中，如果可以这么做的话。从附录C增加的基础设计信息中可以看出，最新的2008版ANSI 05.1正朝着正确方向迈进。
在设计输电、配电和变电的结构时，我们解决的主要是材料的强度、刚度和耐久性问题。
标称强度对比：
大多数人讨论“木等效”，实质是在对比标称强度。我们都知道，ANSI 05.1建立电杆等级（从CIO 到 H6）是为了定义一种涵盖各类木杆的承载能力。而你们所不知道和感到困惑的是，在特别是为一些大型输电线杆选择木杆等级的过程中，其特性和步骤会影响木杆的强度和刚度。考虑到这一点，我们要进行许多典型的强度调整，其中之一便是木杆的高度调整。对于高度超过50英尺的木杆，最大悬臂应力一般会出现在地基上方一段距离，而不是像多数假设那样出现在地基上。另须引起注意的是，ANSI 05.1显示的纤维应力代表着某种共识值（即特定尺寸的样本测试、实际尺寸的木杆测试以及工程鉴定三者的组合值）。
在将木杆的强度与钢材、水泥和强化纤维复合材料的强度进行对比时，我们要牢记以上几点。还请记住，下面的ANSI 05.1荷载只有50%—或者说它是一种“自私”—的强度值。
|
等级 |
水平向 荷载（磅） |
牛顿 |
等级 |
水平向 荷载（磅） |
牛顿 |
|
H6 |
11,400 |
50,710 |
3 |
3,000 |
13,300 |
|
H5 |
10,000 |
44,480 |
4 |
2,400 |
10,680 |
|
H4 |
8, 700 |
38,700 |
5 |
1,900 |
8,450 |
|
H3 |
7, 500 |
33,360 |
6 |
1,500 |
6,670 |
|
H2 |
6,400 |
28,470 |
7 |
1,200 |
5,340 |
|
H1 |
5,400 |
24,020 |
9 |
740 |
3,290 |
|
1 |
4,500 |
20,020 |
10 |
370 |
1,650 |
|
2 |
3,700 |
16,500 |
表1 ANSI 05.1 水平荷载表
在设计方法论中， 是一个电阻（强度）系数。
：标称电阻；
：荷载系数；
：荷载。
我们可以也应该这样假设，不管选用的木杆是什么材质，荷载是一致的，此公式也同样适用。我知道，大家为了确定适用的荷载而进行了许多讨论，但荷载应与材料无关。这个让我们头疼的公式，其电阻部分可等效于材料不同的电杆；而令人困惑的是，目前尚不清楚《国家电气安全规章》到底因何混淆了荷载与强度。
下表2摘自2007版NESC表261-1A，显示的是应用到结构的强度系数。
2007 NESC 结构强度系数
|
木材和非预应力 钢筋混凝土 |
钢材 |
预应力 混凝土 |
FRP |
|
|
规范250B (B级 ) |
0.65 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
|
规范250B (C级) |
0.85 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
|
规范 250C 和 250D |
0.75 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
表2 - 结构强度系数 （摘自2007版NESC表261-1A）
由上表知，在设计用于结构的钢材、预应力混凝土和强化纤维复合材料时，可不考虑NESC荷载规范而采用同样的强度系数，而木杆和预应力混凝土电杆却须在NESC荷载条件下采用不同的强度系数。这些系数可适用的的标称强度到底有多大？达到LEL值的1%，5%，50%？为何一种电杆的材料是可变的，而其它电杆的材料是固定的？如果此规定是要将不同的可靠度等级融入到结构设计中，那么显然还有比这更好的方法。可现在，我们已陷入迷茫和混乱了。
毫无疑问，当我们把标准钢材、预应力混凝土或FRP杆的承载能力，与那源于如此疯狂理论的木杆荷载等级进行比较时，我们会陷入更大的迷茫和混乱。如果初始设计的电杆材质为钢材，那么不管荷载规范怎么规定，我们采用的强度系数都是1.0的；而当材质变为木杆时，那么选用强度系数时就要考虑荷载条件了。可优秀的结构工程师们真的认为，考虑了NESC250规范对B级荷载的规定，我们设计的钢柱的承载力会比木柱的承载力大50%，而考虑其对C级荷载的规定，就只能是18%了？我认为这种方法毫无用处。
有人辩解说，这是因为木质电杆的变异系数比非木质电杆的大多了，由于此项各异，再加上所有电杆的设计都是基于标称强度等级这个假设，那么很多差异巨大的木杆的承载力会比所要求的值大。这种说法也站不住脚。我认为，设计的目标应该是，在特定的荷载作用下，材质不同的电杆抵抗破坏时能有相同的可靠度。我们设定荷载，然后设计出可抵抗荷载的电杆。我们要相信，如果我们把定义涵盖各种材料的标称强度的方法标准化的话，我们就能做到让每根电杆都能承受住既定荷载。大多数材料定义的强度都比排阻极限低5%，具有50%的可信度。我们应该把该定义应用到所有电杆中，而不管这些电杆的材质种类如何，这样我们就有信心讨论标称强度问题了。2008版的ANSI 05.1提供了一种计算工具，可计算具有50%可信度、比排阻极限低5%的木杆强度。为了更好的设计木杆和其他材质的电杆，我们需要将此法标准化。
RUS部门给出了“木杆等价”细则，并建立了钢质电杆和预应力混凝土电杆的标准强度级别。下表显示的就是钢质木杆的标准级别。预应力混凝土电杆标准级别的强度条件和钢质木杆的一样。RUS部门除了对荷载条件给出一些提示外，其提供的其他条件也很有见地。这些条件可归结为一个被定义的固定点，此点距电杆底有7%个杆身长，距电杆顶的距离不得超过5英尺。这两个条件都很好。然而，按下表中的RUS规定设计非木质电杆时，还必须考虑为木杆而设的要求。若不把木杆的设计置于同一标准下，我们在利用这些表对比木杆的等效性时还会陷入困惑。
表1 强度条件
|
钢质电杆的 标准设计等级 |
距杆顶5英尺处的 最小极限弯矩 (Ft.-Kip) |
距杆顶2英尺 施加的端载 (Lbs.) |
|
S-12.0 |
96 |
12,000 |
|
S-1E.0 |
88 |
11,000 |
|
S-10.0 |
80 |
10,000 |
|
S-09.0 |
72 |
9,000 |
|
S-03.0 |
64 |
8,000 |
|
S-07.4 |
57 |
7,410 |
|
S-06.5 |
50 |
6,500 |
|
S-05.7 |
44 |
5,655 |
|
S-C4.9 |
38 |
4,875 |
|
S-04.2 |
32 |
4,160 |
|
S-03.5 |
27 |
3,510 |
|
S-02.9 |
23 |
2,925 |
|
S-C2.4 |
19 |
2,405 |
|
S-Q2.0 |
15 |
1,950 |
表3 - 摘自 RUS第 1724E-214期公告 （查询请点击 http://www.usda.gov/rus/electric/pubs/1724e-）
图1
电杆最小弯矩图
图1来源于RUS第1724E 214期公告
（查询请
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