升降式高杆灯抗风分析和计算-周正明

高杆灯灯杆的构造：高杆灯的灯杆一般为圆柱型独体结构，由高强度优质钢板 经剪制、折弯、自动焊接成形。一般分为2～4段，上部的截面小，下部的截面大， 上一段的壁厚度较下一段薄。高杆灯灯杆高度一般在20～40m，锥度一般在10～15‰ 左右， 杆壁厚度8mm～16mm； 灯杆的外径一般为杆高的1/50～1/40； 当杆高大于30m时， 灯杆的外径一般为杆高的1/40～1/30。灯杆的外形一般采用圆形或正多边形（一般大 于12边） 。升降式高杆灯灯杆体内安装有电动升降系统由电动马达、卷扬机、热浸 锌钢丝绳及电缆等组成，升降速度为每分钟 3 至 5米。 高杆灯灯盘的构造： 灯盘造型可根据用户要求、 周围环境、 照明需要具体而定， 常见的造型形式有飞碟式，斗笠式，牵牛花式等十几种；内部灯具多由泛光灯和投 光灯组成 , 光源一般采用高压钠灯和金卤灯 , 照明半径达 60 米 高杆灯基础的构造：高杆灯基础采用钢筋混凝土+圆板。埋深一般不少于3m（根据
地质条件，一般为杆高的10％～15％）与灯杆用法兰盘连接。 高杆灯灯杆与混凝土柱墩的连接，一般采用上下两块法兰盘直接接触的方式。下 法兰与地脚螺栓焊接在一起，增加下法兰，可以改善混凝土的浇捣条件，方便灯杆的 安装。 地脚螺栓和坚强筋应为双数， 一般不少于6个。由于施工安装对灯杆的垂直精度要 求高，可将钢筋混凝土基础顶面的法兰盘外露，灯杆安装好后，进行防腐处理后再用 混凝土等材料包封严密。 二、升降式高杆灯抗风分析与计算 风荷载对柔度较大的高杆灯杆体结构起着决定的作用。顺风向的风压由稳定风 压和脉动风压两部分组成，前者长达几分钟，而且周期性地作用在杆体上，是静力； 后者周期仅几秒，风压不规则变化地作用在杆体上，因而产生振动，它的性质是动力 的。 根 据 《 高 耸 结 构 设 计 规 范 》 GB50135-2006 中 的 规 定 ， 风 荷 载 标 准 值 Wk= Wo*β z*μ s*μ z， 即：风载荷标准值=基本风压*风振系数*风载体形系数*风压高度变化系数。 式中 Wk—风荷载标准值(kN/m2)； 系数； μ s—风荷载体型系数； Wo—基本风压(kN/㎡)β z—高度 z 处的风振 μ z—风压高度变化系数。
结构参数：
杆顶直径：mm 杆底直径：mm 灯杆截面形状 地脚螺栓规格:mm 螺栓有效直径:mm 地脚螺栓分布形式 地脚螺栓数量： 地脚螺栓材料 螺栓分布圆：mm 法兰盘形式 法兰盘规格：mm 法兰盘厚度：mm 加强筋高度：mm 加强筋宽度：mm 加强筋厚度：mm 加强筋数量： 灯杆材料 法兰盘材料 基础类型 基础底面宽度:M 基础总高度：M 基础上柱宽度：M 基础上柱高度：M 240 548 正十二边型 M30 26.7 圆形2 12 Q345 750 圆形法兰 900 20 250 146 10 12 Q235 Q235 浅埋扩展基础 2.5 2.5 1.5 1.5 1.38 21.8 1.9 校核通过 校核通过 灯杆剪力：kn 灯杆最大弯矩：kn.m 灯杆最大位移：mm 基础抗倾覆校核： 11.93 194 386 校核通过 灯杆最小安全系数： 灯杆抗风等级 法兰盘强度校核： 基础最大压力校核： 1.7 十级 校核通过 校核通过 灯杆总高：m 单节灯杆锥度:‰ 灯盘高度：m 灯盘迎风面积：m 灯盘风阻系数 灯具重量：kg 灯盘+灯具重量：kg 灯杆重量：kg 灯杆+灯盘总重量:kg 检修门形式 检修门规格：mm 安装地区 50年基本风压：kn/m 设计风速：m/s 设计风压值：kn/m 地表粗糙度： 基础土质类型 灯杆 A 段厚度：mm 灯杆 B 段厚度：mm 灯杆 C 段厚度：mm 灯杆 D 段厚度：mm
升降式高杆灯风荷载分析和抗风计算
周正明
【摘要】 高杆灯一般是指高度等于或大于 20m 的照明设施。由于高杆灯使用的范围和地点的特殊性， 因此，高杆灯的安全性要求特别高，高杆灯的安全性包括刚度、稳定性方面，其中强度计算与校 验是最重要的因素。高杆灯主要荷载有：杆体及灯具自重的垂直荷载、抗风的水平荷载，另外还 有覆冰荷载和抗地震荷载；其中风载荷是影响高杆灯强度的最大的、也是最关键的因素。本文以 升降式高杆灯为例， 对升降式高杆灯的风荷载与抗风计算与校核作一探讨， 并附实际生产中的高 杆灯抗风设计计算范例供探讨。 【关键词】高杆灯、升降式高杆灯，高耸结构、直立式高耸结构，
离地面高度 A 类地区 B 类地区 C 类地区 5m 1.17 1.0 0.74 10m 1.38 1.0 0.74 15m 1.52 1.14 0.74 20m 1.63 1.25 0.84 30m 1.80 1.42 1.0 40m 1.92 1.56 1.13 50m 2.03 1.67 1.25 60m 2.12 1.77 1.35 70m 2.20 1.86 1.45
， E ： 弹 性 模 量 （ 2.1x10 pa ）
11
I：截面惯性矩
I=π ( d14 d 2 4 )/64， （根据 JGJ130-2001） 杆重量（kg） 。 风压脉动和风压高度变化的影响系数ε
总高度（m） 地面粗糙度 10 20 40
1
M：灯盘重量（kg） ，
HA ：灯
（GB50135-2006,4.2.9-2）
1 Mo CW H 0.15 / 0.35 M o
α ：地震影响系数α =0.2x0.5=0.1
H ：灯头重心处高度，
实际计算出高杆灯地震效应组合对灯杆底部的弯距远小于最大风载荷对灯杆底部的 弯距。 高杆灯结构自重应力：由于高杆灯的整体份量较重，所以计算强度时要考虑自重引 起的结构应力。假设灯杆底部面积在变形前后横截面不变且与灯杆轴线垂直，可定应 力在灯杆底部横截面上均匀分布。 裹冰荷载效应组合，地震作用效应组合，风荷载他们三者一般不会同时达到最 大值，而且风荷载最大值远超过裹冰荷载效应组合，地震作用效应组合，所以在计算 高杆灯荷载时一般可不考虑裹冰荷载效应组合，地震作用效应组合，主要计算横向的 风荷载和垂直的自重应力。
0.30 0.34 0.40 0.52
振型、结构外形的影响系数ε 2， （GB50135-2006,4.2.9-3）
相对高度 z/H 结构 顶部 和底 部的 宽度 比 0.2 0.1 0.66 0.56 0.63 0.59 0.59 0.58 0.58 0.56 0.54 0.53 0.43 0.46 0.35 0.38 0.25 0.31 0.16 0.15 0.09 0.14 1.0 0.5 0.3 1.0 1.0 0.88 0.76 0.9 0.91 0.84 0.74 0.8 0.8 0.78 0.7 0.7 0.69 0.68 0.62 0.6 0.6 0.58 0.56 0.5 0.47 0.47 0.44 0.4 0.36 0.37 0.34 0.3 0.26 0.25 0.26 0.2 0.14 0.13 0.13 0.1 0.05 0.06 0.07
2 2 -3 2
自振周期的计算公式 T=3.63 系数： ai2 1.5( （近似算法 T=3.63 式中 H：灯高度，
H3 n ( mi ai2 0.236 HA ) EI i 1
（根据 GBJ9-87） ，
hi 2 h ) 05( i ) 3 H H
H3 ( M 0.236 HA ) ） EI
D 类地区
0.62
0.62
0.62
0.62
0.62
0.73
0.84
0.93
1.02
三、升降式高杆灯其它荷载 其它荷载主要有裹冰荷载效应组合， 地震作用效应组合， 高杆灯结构自重应力。 裹冰效应组合荷载：在严寒地区冬天雪后结成冰层形成裹冰压力。按《高耸结 构设计规范》 ，一般取0.1Kpa～0.18Kpa裹冰压力。裹冰效应组合荷载是由裹冰压力加 高杆灯自重应力加四分之一最大风压同时作用的效应组合，资料表明裹冰效应组合远 小于最大风压对灯杆的荷载，一般不起主要作用。 地震作用效应组合：地震作用效应组合是地震作用效应加四分之一最大风荷载 （或加0.15KN/M2的基本风压）同时作用的荷载组合，高杆灯灯杆是高柔性结构，其地 震影响系数 0.2 max ，当灯杆T=3.15s，如遇Ⅲ类场地土，α 代入谱函数得0.1， 地震作用效应组合对灯杆底端弯距： C：结构影响系数,高柔灯杆取0.35， W：灯头重量+25％灯杆重量，
四、升降式高杆灯抗风计算实例
华体照明设计计算书
编号：
产品名称 客户名称 审核 一、设计计算依据：
1）《建筑结构荷载规范》 GB50009 2）《建筑地基基础设计规范》GB50007 3）《钢结构设计规范》 GB50017 4）《高耸结构设计规范》 GB50135
20米升降式高杆灯
产品编号 编制 批准 周正明
WoT (kn.S /m ) 脉动增大系数
2 2 2 2
0.01 1.47
0.02 1.57
0.04 1.69
0.06 1.77
-3 2
0.08 1.83
0.10 1.88
0.20 2.04
0.40 2.24
0.60 2.36
石化塔：当 H /D0＜700 时，T=0.35+0.85x10 xH /D0， 当 H /D0≥700 时，T=0.25+0.99x10 xH /D0，D0=（D1+D2）/2。高杆灯可参考此计算。 在计算 WoT 时，对地面粗糙度 B 类地区可直接代入基本风压，而对 A 类，C 类，D 类地区应 按当地的基本风压分别乘以 1.38，0.62，0.32 后代入。
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
风压高度变化系数 μ z， 《高耸结构设计规范》 中把地表粗糙度分为 ABCD 四类， 粗糙度的具体划分是： 以高杆灯为中心，2km 为半径内的建筑及购筑物的平均高度来划分， h 18 m，为 D 类 地区， 9 h 18 m，为 C 类地区， h 9 m，为 B 类地区，A 类指近海面和海岛、海岸、 湖岸及沙漠地区 （a 类指近海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；b 类指田野、乡村、丛林、丘陵 以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；c 类指有密集建筑群的城市市区；d 类指有密 集建筑群且房屋较高的城市市区。风压高度变化系数定义为任一高度处的风压与 B 类 地面粗糙度、标准高度 l0m 处的风压比值。 ） A 类地区计算公式： B 类地区计算公式： c 类地区计算公式： D 类地区计算公式： 风压高度变化系数表 μ z(需按实际高度计算，不要按表选取)