摘要：本文提出了一種新型具有高強度抗壓、抗彎曲能力的力學結(jié)構(gòu)，從根本上改變了抗壓、抗彎曲力學結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)使其由受壓改變?yōu)槭芾?，目前的力學理論由于受力材料承受壓應力受力結(jié)構(gòu)在長細比達到一定數(shù)值之后則產(chǎn)生力學不穩(wěn)定，因此此類結(jié)構(gòu)長細比達到一定數(shù)值后為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在承受同樣數(shù)值的壓應力情況下其消耗的力學材料隨高度或跨度的增大而呈大基數(shù)的增長。目前以地面支撐為基礎的風力發(fā)電站機的塔架由于以上原因一般設計高度均在100米以內(nèi)，進而導致風能的可開發(fā)利用率極低。本文提出的抗壓、抗彎曲力學結(jié)構(gòu)將使任意直徑的鋼絲繩鋼材制作的無縫鋼管的理論獨自直立高度可達到5000米以上。采用本設計可在風力發(fā)電站塔架鋼材使用量與現(xiàn)有設計相當?shù)那闆r下使可開發(fā)利用的風能高度達到5000米以上，可使目前任何地區(qū)的可開發(fā)利用的風能總量提高到目前已知的100倍以上，將從根本上解決人類的電力能源缺乏及因能源利用帶來的環(huán)境污染等問題。

下面結(jié)合上面的圖示說明本文的設計及利用：(圖1)中M為一根φ60×5mm、材質(zhì)為制作鋼絲繩鋼材的無縫鋼管，抗拉強度為1870MPa的鋼絲繩鋼材最大承拉能力約190.8公斤/平方毫米左右。現(xiàn)將管內(nèi)充滿高壓流體(如輕質(zhì)油類)后永久封閉。這時此鋼管外壁的受力狀態(tài)為沿鋼管周向的拉應力及沿鋼管徑向的拉應力，力學分析可知此時鋼管所能夠承受內(nèi)部高壓流體最大壓力的能力取決于鋼管能夠承受周向的最大拉應力的能力。此時沿鋼管徑向的拉應力約為周向拉應力的45%。

取1厘米長度鋼管分析無縫鋼管M的受力狀態(tài)(圖2)：在管內(nèi)高壓流體的作用下通過圓心O兩側(cè)鋼管的外壁承受拉力為鋼管最大受力面，此時鋼管兩側(cè)管壁截面積之和為1平方厘米;按鋼絲繩鋼材的承拉能力約190.8公斤/平方毫米計鋼管兩側(cè)管壁周向的最大承拉能力之和為19080公斤(即通過圖2圓心O的直徑上方或下方1厘米長度鋼管在兩側(cè)管壁上的反作用力FG之和為19080公斤);此時管內(nèi)通過圓心O點1厘米長度鋼管內(nèi)的流體截面積為5平方厘米;因此在不考慮安全系數(shù)的前提下此鋼管的最大承壓能力約為3816公斤/平方厘米(此時管內(nèi)通過圖2圓心O的直徑上方或下方1厘米長度鋼管的作用力FY之和為19080公斤)。此時鋼管內(nèi)高壓流體的截面積是直徑為5厘米的圓其面積為19.625平方厘米;此時由于鋼管內(nèi)高壓流體的作用使鋼管兩端將產(chǎn)生74889公斤的反方向拉應力F及F1(圖1)。

當鋼管M垂直立于穩(wěn)定的基礎之上時管內(nèi)高壓流體的頂力F即成為一個作用在鋼管中心垂直向上的拉力，根據(jù)簡單的力學原理可知當鋼管M的總重量W不大于向上的拉力F時鋼管M是不會產(chǎn)生彎曲等剛性不穩(wěn)定現(xiàn)象的(不考慮管內(nèi)高壓流體的重量)。

φ60×5mm鋼管的重量約為6.8公斤/米，當鋼管的長度為11013米時鋼管重量W約與垂直向上的拉力F相當，因此在不考慮管內(nèi)高壓流體重量及外力影響的前提下鋼管M在下部基礎穩(wěn)定時獨自最大直立高度H為11013米以上，此時鋼管M不會產(chǎn)生彎曲及剛性不穩(wěn)定現(xiàn)象。

本鋼管在垂直固定于地面時(圖1)。當鋼管受外力彎曲時鋼管頂部中心點A1相應偏離鋼管底部中心點A同時鋼管垂直高度降低，此時在鋼管頂部載荷及自身重量W之和小于頂部拉力F時將鋼管自身將產(chǎn)生一個垂直指向鋼管(直立時)中心線的分力，此分力在鋼管所受的外力未達到材料的破壞應力前(承壓面的最大壓力大于0)彎曲變形越大其數(shù)值也越大，此分力的結(jié)果是鋼管彎曲變形越大其自身產(chǎn)生的抗彎曲力矩越大反變形(抗變形)能力越強，這一能力是本設計鋼管的固有特性在鋼管的高度達到一定數(shù)值后與鋼管材料自身的剛度幾乎無關。

本鋼管水平放置在大跨度支撐之上時由于兩端拉力的作用在允許負荷范圍內(nèi)同樣具有鋼管彎曲變形越大其自身反變形能力越強的特點。水平放置狀態(tài)下在不考慮鋼管自身重量時鋼管的承載能力與兩端支撐的距離(跨度)幾乎無關。

進一步分析本設計桿件的剛度與所使用材料的單位體積重量及單位面積的抗拉強度有關。即材料比重越小、抗拉強度越高桿件的可使用剛度越大，在下部基礎穩(wěn)定的前提下獨自直立高度H將會越大。而與桿件的長細比及桿件所使用材料的抗壓強度幾乎無關。這點是與當前普遍采用的以增加材料截面積及外形尺寸及材料本身的抗壓強度來加強抗壓、抗彎曲構(gòu)件的強度及剛度的設計有根本的區(qū)別。

當本桿件外壁厚度達到直徑的1/3以上時隨鋼管承壓能力的提高管內(nèi)高壓流體的重量對桿件的剛度及直立承載能力的影響幾乎可以忽略不計。

由于本設計的受力方式改變在實際應用中將大大地降低抗壓及抗彎曲結(jié)構(gòu)的材料使用量;設若高332.6米的東京鐵塔頂部可承受217噸的載荷(實際是不可能達到的)，按本文設計的單根φ60×5mm、制作鋼絲繩鋼材的鋼管在332.6米高度時可承受72.36噸以上的重量載荷，即用3根采用本設計形式332.6米長的φ60×5mm、制作鋼絲繩鋼材的鋼管即可達到或超過東京鐵塔的力學效果。3根332.6米長的φ60×5mm鋼管總重量為6.8噸左右;東京鐵塔重4000噸。設若東京塔頂部設計可承受72噸的載荷，采用本設計達到同樣的力學效果消耗的鋼材量為2.27噸，采用本設計達到同樣的力學效果消耗的最低極限鋼材使用量僅為其鋼材實際消耗量的1/1480。

目前設計的1500KW風力發(fā)電機機艙及葉輪總重為91噸，當塔架高度為62米時塔架的設計重量為91噸，當塔架高度為90米時塔架的設計重量為174噸，當塔架高度為100米時塔架的設計重量為264噸。采用本設計在對應的高度時發(fā)電機塔架最低極限鋼材消耗量分別為0.5噸(62米)、0.75噸(90米)、0.83噸(100米)。分別為當前設計消耗鋼材量的1/180(62米)、1/240(90米)、1/320(100米)?？紤]到實際使用時一定的安全系數(shù)，采用本設計的發(fā)電機塔架在高度為100米時消耗鋼材量約為現(xiàn)有設計的1/160至1/90。

采用本設計的風力發(fā)電機塔架本身迎風面積相對極小并且重量幾乎降低到現(xiàn)有設計的1/90以下并且下部基礎可以布置在較大邊長的正三角形(或其他正多邊形)的角上，設計時幾乎可以不考慮風力發(fā)電機組塔架運行時迎風面產(chǎn)生的力矩對下部基礎的影響，此時設計風力發(fā)電機塔架基礎時幾乎僅僅考慮到基礎的抗壓能力達到風力發(fā)電機組的總重量加正常的安全系數(shù)即可，因此同時可大大地降低制做風力發(fā)電機組地下基礎的材料使用量。從而可以在大大降低風力發(fā)電機塔架造價的同時大大地降低風力發(fā)電機組安裝的造價。[!--empirenews.page--]

考慮到使用的安全按制作鋼絲繩鋼材抗拉強度的50%設計的桿件在不考慮管內(nèi)高壓流體重量及外力影響并且下部基礎穩(wěn)定的前提下可獨自直立5500米的高度，此桿件在1000米的高度時可承受30.6噸的重量載荷;以1500KW風力發(fā)電機組總重為91噸計約需要3根本文舉例的鋼管即可將其安裝在1000米的高空運行。此時發(fā)電機塔架的鋼材消耗量為20.4噸相當于目前同樣風力發(fā)電機組安裝在62米高時塔架的鋼材消耗量1/4以下。

按制作鋼絲繩鋼材最大抗拉強度70%設計的桿件在不考慮管內(nèi)高壓流體重量及外力影響并且下部基礎穩(wěn)定的前提下將總重為91噸的1500KW風力發(fā)電機組安裝在5000米高度時按本設計將使用5根5000米的φ60×5mm、材質(zhì)為制作鋼絲繩鋼材的無縫鋼管，消耗鋼材約為170噸。而此時發(fā)電機塔架的鋼材消耗量仍低于目前90米高度同類型風力發(fā)電機組的塔架鋼材消耗量(174噸)。

根據(jù)目前掌握的風力資源信息在地面大約80米的高空風速達到每秒5米時，在800米的高空，風速將上升到每秒7米，風能為80米高度2.7倍，同時相同地點隨著高度的升高風能的能量密度將會更大。而本文的技術幾乎可以將地球上5000米高空以下有價值的風能全部得以利用，全球可開發(fā)利用的風能總量可以擴大到目前科技水平認可的100倍以上;因此地球上可開發(fā)利用的風能資源將遠遠大于目前人類的全部能源需求。如果本技術得以實現(xiàn)將有可能徹底解決人類的能源危機問題。

由于高空風能的密度相對較大且更為穩(wěn)定因此安裝在高空的風力發(fā)電機組的平均單位時間發(fā)電量將會更多且年發(fā)電時間更長，按本設計安裝的高空發(fā)電機組的投資與目前同類機組相當，因此高空風能發(fā)電成本將會低于目前使用的100米以下高度塔架風力發(fā)電機組的發(fā)電成本。

有人設計了高度為1000米的太陽能搜集塔，其設計的主要結(jié)構(gòu)為一個高度為1000米、直徑為130米的煙囪，下部周圍覆蓋直徑7000米的溫室遮篷。在陽光充足的前提下，太陽能搜集塔頂部空氣溫度為20℃時，在地面溫室遮篷內(nèi)的空氣可達到70℃(空氣體積增加量為17%)，此時熱空氣將以約55公里/小時速度沿著太陽能搜集塔上升，安裝在塔內(nèi)的32個旋轉(zhuǎn)的渦輪將生產(chǎn)出最大20萬千瓦電能。盡管在這種工作狀態(tài)下，太陽能塔轉(zhuǎn)換為電能的效率僅不足太陽能電池板的十分之一(即熱效率小于1.4%)。但是太陽能塔的優(yōu)勢是更易維持，成本更低。實際上此設計的難點是1000米或更高太陽能搜集塔的制作成本太大，依據(jù)2005年產(chǎn)業(yè)報告，具有20萬千瓦電能生產(chǎn)能力的太陽能塔的建造需要10億美元，這意味著每千瓦小時的成本為20美分。

采用本文的技術制作太陽能塔只要將比重低抗拉強度較大的柔性材料制作成內(nèi)、外壁相連且互通外壁為雙層的圓形煙囪結(jié)構(gòu)。使用時依靠數(shù)根1000米高度以上本文設計的獨立鋼管的輔助在太陽能塔內(nèi)、外壁之間夾層充滿空氣太陽能塔即可達到1000米或更高的設計高度，根據(jù)天氣預報當外界環(huán)境惡劣時將太陽能塔夾層的空氣排出即可保證太陽能塔的安全。而將太陽能塔的材料直接懸掛在數(shù)根獨立的1000米以上高度的鋼管上制作太陽能塔的設計也是同樣可行的。如果采用13607根按本文設計的φ30×2mm普通16Mn鋼材的無縫鋼管相互連接直接制成高度為1000米直徑為130米的太陽能塔的建造僅需要約0.5億美元。

如果采用13607根按本文設計形式的φ30×2mm、制作鋼絲繩鋼材的無縫鋼管相互連接直接制成高度為5500米、直徑為130米的太陽能塔。將使用約203500噸鋼管，按每噸無縫鋼管15000元人民幣計太陽能塔的制作的最大成本為30.5億元人民幣，約為4.8億美元。直徑7公里的溫室遮篷的成本按80元人民幣/平方米考慮約需要34.3億元人民幣。按每上升1千米空氣溫度下降6.5℃計算此時5500米高空的溫度為零下15℃， 此時太陽能塔上下溫差為85℃。為原設計的1.7倍，太陽能塔高度為原設計的5.5倍，考慮到5500米高空的空氣密度約為地面的一半實際渦輪出口的壓力差達到原設計的7倍，此時渦輪入口風速將達到105公里/小時，系統(tǒng)滿負荷發(fā)電能力為原設計的7倍達到140萬千瓦。

發(fā)電設備按1500元人民幣/千瓦計。合計設備投資6140元人民幣/千瓦相當于火力發(fā)電廠的設備投資，遠低于國家規(guī)定的同樣為利用太陽能發(fā)電的光伏電發(fā)電設備補助每千瓦20000元人民幣的標準。

由于地面與5500米高空有35℃的溫差不采用溫室遮棚加熱時太陽塔內(nèi)渦輪前后將產(chǎn)生350公斤/平方米的壓力差，每立方米空氣的作功能力為350公斤•米，按塔內(nèi)的空氣流速2米/秒計算，此時系統(tǒng)內(nèi)可產(chǎn)生9300000公斤•米/秒的發(fā)電能力約9萬千瓦。每千瓦設備投資34000元人民幣，按每千瓦設備年發(fā)電為7200度計算，系統(tǒng)使用壽命按20年計算，發(fā)電成本為0.24元人民幣/度左右?？紤]到高空風力的影響及制作太陽能塔的鋼管密度可以降低到300 mm間距一根，發(fā)電成本為0.03元人民幣/度左右。

5500米太陽能塔系統(tǒng)采用溫室遮棚加熱時系統(tǒng)滿負荷發(fā)電時間按3000小時/年計算，溫室遮棚不工作時發(fā)電時間按4200/年小時計算，每千瓦設備年發(fā)電為3270度，發(fā)電成本為0.094元人民幣/度左右。

將熱機的低溫熱源安裝在5500米高空利用其與地面35℃的溫差發(fā)電也是可以考慮的方案。

考慮到現(xiàn)有技術5500米太陽能塔的基礎制作困難較大，即使采用斜拉方式穩(wěn)定太陽能塔也將因高空風力大產(chǎn)生較大的困難，因此利用太陽能塔發(fā)電應以高度為1000米太陽能塔為起點。

如果采用54428根按本文設計的φ30×1mm、材質(zhì)為16Mn鋼材的無縫鋼管相互連接直接制成高度為1000米、直徑為520米的太陽煙塔，將使用約74000噸鋼管，按每噸16Mn鋼材的無縫鋼管8500元人民幣計太陽能塔的制作的最大成本為6.3億元人民幣;不采用溫室遮棚加熱直接利用1000米高空與地面6.5℃的溫差發(fā)電，太陽塔內(nèi)渦輪前后將產(chǎn)生14公斤/平方米的壓力差，每立方米空氣的作功能力為11.5公斤•米，太陽能塔內(nèi)渦輪前將產(chǎn)生約4.2米/秒的風速，太陽能塔內(nèi)渦輪后方的空氣流速為2米/秒，空氣通過渦輪后每32000立方米空氣生產(chǎn)1度電能，每秒通過渦輪的空氣量為425000立方米。渦輪布置在太陽煙塔下約50米高的空氣入口處，考慮到太陽能塔頂部高空風力的正面影響系統(tǒng)平均發(fā)電能力大于4.5萬千瓦。設備投資15500元人民幣/千瓦。按每千瓦設備年發(fā)電為7920度計算(年發(fā)電11個月)，發(fā)電成本為0.1元人民幣/度左右。將制作太陽能塔的鋼管密度降低到300 mm一根，周圍用普通的輕質(zhì)密封隔熱材料封閉，太陽能塔的造價可降低到1億元人民幣以內(nèi)。設備投資3720元人民幣/千瓦。發(fā)電成本為0.024元人民幣/度左右。本方案結(jié)構(gòu)簡單以目前的技術水平較為可行。本系統(tǒng)在中國為每人提供1.5千瓦的電力供應能力時不會對地面氣溫產(chǎn)生太大的影響。本系統(tǒng)也將是一個巨大的空調(diào)、環(huán)保系統(tǒng)。如太陽能塔的高度達到2000米系統(tǒng)的發(fā)電能力將達到18萬千瓦以上，系統(tǒng)的電力供應能力將提高到4倍。[!--empirenews.page--]

如果采用13607根按本文設計的φ30×2mm、材質(zhì)為16Mn鋼材的無縫鋼管相互連接直接制成高度為1000米、直徑為130米的太陽能塔，將使用約37000噸鋼管，具有20萬千瓦電能生產(chǎn)能力的采用溫室遮棚加熱的太陽能發(fā)電設備投資19725元人民幣/千瓦。使用壽命按20年計算，不考慮系統(tǒng)夜間工作時的發(fā)電能力，年發(fā)電時間按3000小時計算， 發(fā)電成本為0.33元人民幣/度左右。

利用本文的技術可以將溫室遮篷的骨架造價降低到現(xiàn)有設計的30%以內(nèi)，因此溫室遮篷的造價可降低到40元人民幣/平方米以內(nèi)。將制作太陽塔鋼管的壁厚降低到1mm，鋼管密度降低到300 mm一根，系統(tǒng)投資8150元人民幣/千瓦。年生產(chǎn)3000小時發(fā)電成本為0.014元人民幣/度左右，而原設計直徑7000米的溫室遮篷是考慮到系統(tǒng)有較大的儲熱能力夜間有更大的生產(chǎn)能力的。夜間高空氣溫降低對有儲熱能力的溫室遮篷發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)能力有相當大的穩(wěn)定效應。因此有溫室遮篷系統(tǒng)發(fā)電成本有可能降低到0.1元人民幣/度以內(nèi)。在中國利用1/3的沙漠面積即可達到每人3千瓦的電力供應能力。是一個既治理利用了沙漠又解決了能源問題的好項目。

沒有溫室遮篷的系統(tǒng)發(fā)電具有不占用土地的優(yōu)點.但有溫室遮棚的設計溫室遮棚本身有較大的利用價值且單位面積土地上的電力生產(chǎn)能力更大，有溫室遮棚的設計更適合建設在晝夜溫差大的沙漠地區(qū)以穩(wěn)定系統(tǒng)的發(fā)電能力，并且大面積建設在沙漠地區(qū)的溫室遮棚本身也是治理沙漠的良好方法。

如果以上太陽能搜集塔發(fā)電項目的效益分析得比較準確可以認為其必將取代幾乎其他全部的能源利用方式。因為本文的設計更實際、成本更低、更安全、持久、環(huán)保。

本技術利用在火力發(fā)電廠建造煙囪時可以大大地降低煙囪的建筑成本，用三根以上按本文設計的1000米高度以上的獨立鋼管及簡單的輕質(zhì)較抗拉耐170℃以上溫度的密封材料即可制作成1000米高以上的煙囪?；鹆Πl(fā)電廠使用1000米高以上煙囪一方面可以降低對附近環(huán)境的污染，另一方面可以降低或消除火力發(fā)電廠排煙對引風機的依賴將節(jié)省數(shù)量極大的運行電力能源甚至可以對外供電。火力發(fā)電廠使用1000米高煙囪發(fā)電可以使排煙中的熱能發(fā)電效率達到1.4%左右。

本技術在各種吊車、大跨度橋梁、大跨度房屋架、桁架、各種塔架、高空建筑等方面的利用都將大大地降低成本。而用在飛機、載重車輛方面時一方面可降低制造成本減輕重量，又可降低其使用能耗;使用在車輛中還可以提高車輛的整體剛度大大地提高安全性能。制作潛艇的骨架時將大大降低制造成本減輕重量擴大使用空間。

本技術利用在風力發(fā)電機葉片上時可使葉片的設計長度增加較大一方面可在不增加風力發(fā)電機塔架高度時提高風能的可利用的高度(有可能使葉片長度達到100米以上)，并降低其重量和制作成本。

總之，本技術將在幾乎全部的承壓、抗彎曲結(jié)構(gòu)中得以利用并降低成本使許多目前不可想象的大型力學結(jié)構(gòu)設計得以實現(xiàn)，本技術的實現(xiàn)必將對環(huán)保、能源安全、力學材料、交通安全等領域產(chǎn)生及重大的正面影響，或者說將是一場深刻的工業(yè)革命。是材料力學及結(jié)構(gòu)力學理論的飛躍。

本設計為了說明問題是以在鋼管內(nèi)充以高壓流體來論證的，考慮到實際使用時的安全持久管內(nèi)如果是充滿高壓固體其安全可靠性將更加得以保證。目前個人認為比較可行的設計是在管內(nèi)充滿耐高壓力的小直徑滾珠及潤滑劑;工作時由滾珠將壓力傳遞到鋼管內(nèi)壁各處，潤滑油不受力只起潤滑作用，這樣鋼管的實際受力狀況更加接近于管內(nèi)充滿高壓流體的狀況，同時也可以基本保證本設計的使用穩(wěn)定性。如果將滾珠制作成中空的并充以高壓力氣體的技術可行采用到本技術中效果將更好。要找到以本設計為理論基礎實際使用安全性能可靠的高剛度結(jié)構(gòu)制作的最佳方案必須在今后大量的實踐后才可能獲得這里就不過多地討論了。

當管件內(nèi)壓力設計不太高時較為可行的方法是在半封閉的鋼管內(nèi)部充滿膨脹水泥當水泥固化后將鋼管全封閉即可制作成符合本設計力學要求安全性能可靠的桿件。

即使僅僅在現(xiàn)有風力發(fā)電機圓柱形塔架內(nèi)部充滿沙子或水后將其封閉，塔架在受力彎曲時由于鋼管變形內(nèi)部體積減小必將產(chǎn)生對外部管壁的壓力使風力發(fā)電機圓柱形塔架的上、下兩端產(chǎn)生拉力，由于管內(nèi)沙子或水為基本不可壓縮物質(zhì)因而極小的體積減小都將使管內(nèi)壓力迅速升高而使鋼管的反變形能力迅速增大，并且在較大范圍內(nèi)鋼管彎曲變形越大其反變形能力也越強，從而大大地增加了塔架在彈性范圍內(nèi)的彈性和剛度。因此這一簡單的改變使風力發(fā)電機塔架的鋼材消耗量降低到目前現(xiàn)有設計的1/10以下是完全可能的;或者保守地說使用目前設計100米高度風力發(fā)電機塔架20%數(shù)量的鋼材即可將發(fā)電機組安裝在500米以上高空。

采用管內(nèi)加密封內(nèi)膽向內(nèi)膽充以高壓流體也是一種本設計的實施方法，由于本結(jié)構(gòu)基本沒有外力破壞按目前技術水平輔以良好的監(jiān)測及控制手段隨時補充管內(nèi)壓力的辦法使用過程也是較為安全的。

設想一下一個沒有多大剛度的塑料礦泉水瓶在瓶內(nèi)裝滿水密封時的剛度增大到不依靠其他工具人力幾乎無法使其彎曲變形就可以說明本設計的許多力學問題了。