高杆灯总体设计概论
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高杆灯总体设计概论石听安(常为市新北区吕墅中学,213132)摘 要:该文阐述了高杆灯各大部件的设计概况。关键词:灯杆;灯盘;电磁阀升降机理;基础设计收稿日期:2002-09-171 灯杆111 杆体的造型目前,国内安装使用的高杆灯的杆体,常见圆台型焊接式和正12棱台型套接式两种。前者是在安装现场把多节圆台型杆体当场焊接成型,整杆起吊安装;后者在安装现场分节起吊,逐步套接安装。这仅是表象的区别。从建筑力学和抗风荷载的本质特性来分析,两者的静力学特征和抗风荷载的情况,却有着显著的差异。圆台型灯杆的体形风压系数为0.8;而正12棱台灯杆的体形风压系数:us=0.8+1.2/n=0.8+1.2/12=1.1464(n 正棱台的边数12)1。换言之,同一高度横截面积相等的两种型式的高杆灯,它们在同等风速下,正12棱台灯杆所受到的风荷载作用力将是圆台型灯杆的1.433倍。那么,在这情况下,为了使这两种造型的灯杆具有相同的抗风荷载能力及相同的安全系数,正12棱台型灯杆的杆体钢板的壁厚、同一高度处的截面积、甚至是地脚紧固螺栓的直径等都必须比圆台型杆体来得大,高杆灯整体耗材也大。虽然正12棱台型灯杆省去了安装现场焊接的麻烦,但杆体间的多节套接,增加了杆体的实际长度。例如30m高度的高杆灯,做成三节套节式杆体,实际增加杆体长度1.82.0 m。既增加了成本,又增加了自重和杆根处的负载。其次,正12棱台套节式灯杆各分套节的成型,是预先裁切的梯形钢板料在特大功率的折弯机上弯折12条棱线后,由自动焊接机焊接成正12棱台型分节钢筒。钢板在形变中,刚度必受挫损。而圆台型灯杆的杆体横截面为一个圆,从几何力学来看,圆的刚度比正12边形大得多,所以相同截面积的圆台型灯杆比起正12棱台型灯杆的抗风荷载能力大得多。但也有人怀疑圆台型分节杆体在高杆灯安装过程中,各分节之间的对口碰焊在抗风荷载中的强度问题。其实,在各分节对口碰焊处的杆体内,内衬一小段钢环(见图1),使其同时焊连在碰焊缝内侧杆体上,再加上电焊烧结的理化特性,碰焊缝处的刚度和强度大大增强。图1 灯杆焊接处剖视和整基灯杆的斜率tg示意。312003年3月 灯与照明 第27卷第1期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.一般来说,在海岛、港口、高速公路的露天站口等气候条件差,自然地理环境较复杂的地方,宜选用圆台形焊接节灯杆。而在市内广场、大院内的高杆灯,所处场地风速较小,场地四周建筑不便于整根灯杆同时起吊安装,可采用正12棱台型套节式灯杆。112 灯杆的设计计算灯杆的整体设计时,必须以风荷载计算为依据。参照高杆灯安装现场所在地区的50年一遇的最大风速下,所经受到的最大风荷载作用,(个别地方,还须考虑周围气雾的影响)复核计算拟定的高杆灯杆根处应承受的总风荷载弯矩(也叫倾覆力矩)及各分节杆体的力学特征,同时更应该测算高杆灯底板的直径和底板上地脚紧固螺栓孔的个数,以及螺栓孔中心圆的直径,这里必须整体把握好以下三个主要指标。灯杆的整体斜率tg,一般控制在0.00550.007为宜。灯盘的直径和自重越大,tg的值越接近上限值。杆根处钢材的安全系数不得小于1.64,且自杆稍处向下各节的安全系数呈现12 n 1.64。整基高灯地上部分的重心在最大风荷载作用的位移xG o应小于杆根处的底板半径。上述三项指标总的体现在各节杆体的壁厚和灯杆的整体斜率tg上。壁厚过大,其实并不一定牢固。因直接造成的灯杆自重大幅度增加,使基础的负荷也陡增,同时高杆灯经受最大风荷载时的倾覆力矩也同时增大。且对制作成本、运输安装、基础建造都会带来诸多不利;而整体斜率过小,整基高杆灯稳度不够。tg无论过大、过小,还影响到整体造型的美观。所以灯杆的整体斜率tg、各分节杆体的壁厚,上、下端口径的选择是以杆高,灯盘的大小、重量,抗最大风速,钢材的安全系数及整基高杆灯的稳定度而决定的。表1为笔者多年来在实际工作中对高杆灯的个例设计,仅供参考。表1高杆灯高度(m)最大抗风速(m/s)灯盘直径(m)灯盘重(kg)杆体分节数整体斜率tg各节杆体壁厚(mm)各节安全系数()1234123425453.646030.00666810/3.392.21.69/3033.53.675030.0065568/3.21 1.94 1.68/35365.048040.0063568103.73 2.09 1.73 1.69 注:表中灯杆的各节杆体序号见图1所示。2 灯盘灯盘是高杆灯的一灯之冠,优美得体的灯盘不仅可以减轻对灯杆的风荷载负荷,而且与周围建筑物的谐和也是现代化城镇的一道风景线。基于高杆灯的安装使用场合之别,灯盘有满足照明需求的功能型及造型各异的装饰型两类。无论哪种类型、款式的灯盘,从风荷载计算,还是使用实践来看,灯盘的直径能小则小,漏空系数能大则大。这样,灯盘所受的风荷载作用就小,对杆体和基座的威胁也小。当高层建筑所受的风荷载或外力作用时的倾覆力矩超出建筑物自重形成的稳定力矩时,建筑物有倾倒的危险1。为了保证稳定力矩大于有可能的倾覆力矩,防止倾倒现象,高杆灯在设计时,应控制其宽高之比。为此,即使对于被照区域的照明半径大、照度要求高、布灯多的高杆灯,设计时灯盘的直径一般不要大于杆高的1/7;当灯盘的直径大于灯杆高度的1/6时,应适当放大杆体的外径或增大杆体的斜率tg,也可同时稍微增加杆根部这一分节的壁厚。对于布灯盏数大于20的(单灯功率P1 000 W),且直径在5 m左右的又重又大灯盘,尽可能分解设计,使卷扬机提升系统只提升装置灯具的一部分灯盘,另一部分灯盘固定在灯杆的杆顶上,从而可减小提升负荷。就灯盘的造型而言,蘑菇形、牵牛花形、盘花形、飞碟型等款式的灯盘成为主流。值得一提的飞碟形灯盘,它不仅巧妙地集功能型和视觉审美于一体,把照明灯具封闭在整体灯盘内,并有效地保护了灯具,且整体的流线型造型,使它悬挂在杆顶受到一个向上的举力,(此举力固然小于灯盘的重力),从而也减小了倾覆力矩,当然也减轻了杆体和基座的负荷。由于一体化照明灯具在高杆灯上,为灯盘款式的设计拓展了创新的空间。其最大的优势就是灯盘结构简捷明快,风荷载作用时受风面小,还适宜选用一体化灯具。3 灯盘的升降和电器控制灯盘的升降系统是由电动机、减速机、传动齿412003年3月 灯与照明 第27卷第1期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.轮、轮轴、钢索和滑轴组组成的卷扬机组。卷扬机组电动升降灯盘的过程和灯盘上照明灯具自动启闭都离不开电气控制。这两部分的自动控制电路组合在一起成为高杆灯的电器控制系统。311 卷扬机的设计制作31111 卷扬机的主结构见图2。设计制作的指导思想为:整机装置主杆体内,小巧玲珑,提升灯盘时力所能及且运输自如。图230 m高的高杆灯配置的卷扬机主结构图31112电动机宜选择4P慢转速的,因输出力矩相对快,转速电动机大。在选择功率上避免“大牛拉小车”现象,有些高杆灯在初次提升灯盘时就发生冲顶的可怕事故,这除电器控制设置欠妥或失灵外,跟电动机功率过大也不无关系。31113 卷扬机的各组成机械间的动力传递则应符合传递力学的原理。即前级机械输出的力和力矩必须大于后级机械正常运作的力和力矩,以及损耗。31114 利用动滑轮省力不省功的原理,在许可的灯盘提升时间、减速机能承受的输出力矩之内可大幅度锐减电动机的输出功率(见图3)。31115 选择具有自锁功能的减速机,使升降系统在运行过程中,因突发意外或保证灯盘在杆体的任何高度稳妥稳定便于杆体外围实施防护处理时,减速机能迅速自行锁定。312 电器控制电器控制系统的设计,要求把灯盘电动升降和照明控制组合在一只小型的电器箱里,并装置在高杆灯下部的杆体内。使灯盘电动升降按钮盒的外接插孔在杆根部的小门内侧。电器控制系统须满足以下基本特性要求。为防止灯盘上升至杆顶时的冲顶或下降结束时撞毁的可能,电动升降电路必须加设灵敏的行程限位开关。图3 动滑轮原理的卷扬机安装在杆体内1 杆顶三角架;2 动滑轮;3 卷扬机 分管升、降动作的两只交流接触器采用线路互锁原理或直接选择机械互锁式。避免灯盘升降操作时错提升、降按钮而发生恶性意外。对一些因现场照明需求,必须使照明灯分批分时段启、闭的高杆灯,在科学地巧设时控、光控器时,杆体内只允许敷设一根(杜绝两根或两根以上)三相四线制电缆,以防止与提升灯盘的三根钢索在有限的杆体内部空间中,因各自上下运动而易相互绞合。4 灯盘的自动挂、脱钩装置国内外的高杆灯,灯盘在杆顶处的自动挂、脱钩始终是高杆灯技术中的一大难题,因灯盘上升至杆顶时,由于高空的气流或风速的影响,使灯盘产生的不平衡而导致三只挂钩未能同时顺利返转,使挂钩难以成功。在灯盘下降前的脱钩过程中,因挂钩部位受风雨侵蚀,又不需同时脱钩。为此,不得不反复启动灯盘以求达到灯盘挂、脱钩的目的。有些厂家也只好在产品说明书上说明,如遇风雨之日,不能上挂灯盘。也有些厂家为避开上述事由,直接让钢索把灯盘悬挂在杆顶区。当然对高杆灯技术中,规定钢索使用中的安全系数为8来说,是完全可行的。但在有风的日子里,悬挂杆顶的灯盘在风中永无休止地撞击杆体的响声未免有种欠安全感。于是笔者512003年3月 灯与照明 第27卷第1期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.和所属单位的技术人员研制成功了电磁阀挂脱钩装置。经多年来的实践证明,确实是一项相当成功的探索,该装置利用电磁阀的动作原理,促使三只挂、脱钩具有相同的返转动作时间和较大的返转力度,可在非正常气候条件下,一下子实现灯盘的一次性挂、脱钩成功。当然,电磁阀动作的控制是设置在行程开关的连动机理中。5 高杆灯的基础设计和修建高杆灯的基础设计和修建的最根本标准是保障其在经受安装地区的最大风荷载作用及该地区有可能发生的相当级别的地震中不发生倾倒。511 高杆灯底板的地脚紧固螺栓安装使用后的高杆灯在经受最大风荷载作用或相当级别的地震时尚能处于平衡状态,其时对杆根处来说,必然存在一个抗倾覆力矩 M2,且在量值上大于等于高杆灯经受到的外力倾覆力矩 M1。据力学平衡方程F=0M=0设此时高杆灯所受的外力Fn,高杆灯的重力G。高杆灯在外力作用下产生倾覆趋势所带来的重力的分力Gn,基础的承受力Q,这些力的合力 F=0。同时,高杆灯底板的地脚紧固螺栓的共同作用,产生了抗倾覆力矩 M2。且|M2|=|M1|其合力矩M=0。显然,地脚紧固螺栓是高杆灯在抗风荷载中维持平衡状态的主要保障。那么高杆灯基础修建,预埋地脚紧固螺栓的直径、长度、钢材的材质和预埋方式可由上述原理和关系式来测算。512 高杆灯的地下基础高杆灯的混凝土地下基础的设计建造依据是:整基高杆灯地上部分的总重Go,测算预计的地下混凝土基础的重量G1,以及高杆灯在该安装现场有可能遇到的最大风荷载作用(或相当级别的地震所引起)的倾覆力矩 M,地下混凝土基础所能产生的抵抗力矩W。在量值上且WM1。而同时兼顾的依据是高杆灯安装现场的地基承载值P0,G1和G0对基础底面的共同作用所产生的平均压强P,而且PP0。地下基础边缘有可能产生的最大压强Pmax,(Pmax=P+M1W;W 基础抵抗力矩),且小于基础承载值P0的1.2倍。例如:某高杆灯地上部分的总重量G0=56.36 kN,有可能经受的最大风荷载弯矩 M=555.66 kNm(假设该地相当级别的地震引起倾覆弯矩小于 M)。地下混凝土基础的测算重量G1=1 022.4 kN,能产生的抵抗力矩W=10.74 kNm,地基承载值勘测为90 kN/m2。则:G0和G1对底面积为4.54.5(m2)的混凝土基础底面下地基的平均压强P=(56.36+1 022.4)/4.52=53.27 kNm2 90 kN/m2。地下基础边缘有可能产生的最大压强:Pmax=53.27+(555.66/10.74)=105 kN/m2Pmax 1.2 P0Pmax=105 kN/m2 1.290 kN/m2(108 kN/m2)6 结语高杆灯的设计制作是多门学科交错渗透的综合体,其深刻的机理自有着它的严密性和科学性。参考文献:1 高层建筑结构设计与施工问答M.上海:上海同济大学,1995征 订 启 事经广大读者反映 灯与照明2002年邮发漏订。本刊编辑部现有少量2002年16期杂志,欲购者可通过邮局汇款,全年60元(含邮费),地址:重庆市沙坪坝区沙北街83号重庆大学B区建筑城规学院负一楼;邮编:400045;单位:灯与照明编辑部;联系电话:023-65126320023-65126335(传真)。612003年3月 灯与照明 第27卷第1期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.
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