網(wǎng)站首頁高桿燈的安全性計算及強度校核
來源：zhhcw.cn 作者：路燈桿生產(chǎn)廠家 發(fā)布日期：2019-04-18 訪問次數(shù)：1782
針對高桿燈剛度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性等方面的計算，合理調(diào)整有關(guān)因素，提高高桿燈的整體強度作一探討。
高桿照明設施照明范圍大，功能性強，使用便利，在城市廣場、大型立交、體育場、機場和港口碼頭等處廣泛應用的同時，要充分考慮到高桿燈在狂風暴雨等惡劣環(huán)境中可靠使用的安全性。高桿燈的安全性包括剛度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性等多方面的計算，其中強度校核是保證使用的一項重要內(nèi)容在此我將分步演算高桿燈安全性計算及強度校核：
一、高桿燈的安全性計算
1)高桿燈燈盤(包括燈具)的迎風面積：
由于燈盤采用不同形狀，使燈盤的迎風面積具有不確定性?，F(xiàn)取常見的封閉式飛碟狀燈盤為例，以燈盤外形的正投影作為迎風面參考面積
S燈盤=(d1+d2)H1/2
2)高桿燈桿身的迎風面積：
高桿燈桿身往往采用(錐度約1000:5)錐形體或圓柱體。桿身的迎風面積隨著桿身長度的增加而逐漸增大。
S桿身=(D1+D2)H2/2
3)高桿燈的基本風壓計算
風壓是垂直于氣流風向的平面受到的風的壓力，根據(jù)伯努利方程得出標準的風壓關(guān)系公式。風的動壓為：
WP=0.5*r*V2/g=0.5*ro*V2(ro=r/g)
WP為風壓，單位KN/M2。 ro為空氣密度，單位KG/M3。
V為風速，單位是M/S。 r為空氣重度，單位KN/M3。
空氣重度r和重力加速度g隨緯度和海拔高度而變。一般來說，ro在高原要比在平原地區(qū)小，也就是說，同樣風速在相同溫度下，其產(chǎn)生的風壓在高原比在平原地區(qū)小。通常的10級大風相當于24.5M/S—28.4M/S。為了使高桿燈有廣泛的應用地區(qū)，暫取高桿燈所在地區(qū)的風速為30M/S，且空氣密度取ro=1.255KG/M3。(密度可在物理手冊或有關(guān)資料查得)
則基本風壓WP計算如下：
WP=ro*V2/2=1.255*302/2=551.25Pa
4)高桿燈的風載荷W0計算
風載荷標準值=基本風壓*風振系數(shù)*風壓高度變化系數(shù)*風載體形系數(shù)
A風振系數(shù)
實際風壓是在平均風壓上下波動的。平均風壓使建筑物產(chǎn)生一定的側(cè)移，而脈動風壓使建筑物在該側(cè)移附近左右振動。脈動風壓對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動力現(xiàn)象就是風振?！逗奢d規(guī)范》對于一般懸臂結(jié)構(gòu)(構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu))且可忽略扭轉(zhuǎn)影響的高層建筑，風振系數(shù)可按規(guī)范中一個相應的公式計算。
B風壓高度變化系數(shù)
《荷載規(guī)范》中把地表粗糙度分為ABCD四類，a類指近海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；b類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；c類指有密集建筑群的城市市區(qū)；d類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。風壓高度變化系數(shù)定義為任一高度處的風壓與B類地面粗糙度、標準高度l0m處的風壓比值。風壓高度變化系數(shù)可根據(jù)《荷載規(guī)范》中高度和地面粗糙度類型來查找取值。
C風載體形系數(shù)
是指建筑結(jié)構(gòu)表面受到的風壓與大氣中氣流風壓之比。它是衡量風對不同外形的建筑物產(chǎn)生不同風壓力的一個系數(shù)。比如同樣大小的風對圓形和正方形產(chǎn)生的壓力肯定不同，所以，計算風對建筑物壓力的時候，針對不同的外形建筑物都要乘以一個體型系數(shù)來擴大或縮小標準風壓壓力，使建筑物承受的風壓力更接近實際情況。風載體形系數(shù)主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)，當然也跟周圍的環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。風載體形系數(shù)可根據(jù)體型按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的表格查找取值，如果體型與表中不同，可根據(jù)相關(guān)資料來近似確定或由風洞試驗準確地測得。
5)高桿燈的風壓系數(shù)C
風壓系數(shù)是計算空氣阻力的一個重要系數(shù)，往往通過風洞實驗和下滑實驗來確定的一個數(shù)學參數(shù)。高桿燈燈盤、燈桿的最大風壓系數(shù)可以查建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中圖表資料來近似確定或由風洞試驗準確地測量。
6)高桿燈燈盤(包括燈具)的風力
N燈盤=W0*S燈盤*C燈盤
式中：W0是風載荷標準值
S燈盤是燈盤的迎風面積
C燈盤是迎風面的風壓系數(shù)，可查相關(guān)手冊，
7)高桿燈燈盤(包括燈具)風力對底部的彎距
M燈盤=N燈盤*H
式中：H是高度，一般可取30米
8)高桿燈桿身的風力
N桿身=W0*S桿身*C桿身
式中：W0是風載荷標準值
S桿身是燈身的迎風面積
C桿身是迎風面的風壓系數(shù)，可查相關(guān)手冊，
9)高桿燈桿身風力對底部的彎距
M桿身=∫300C桿身*W0*S桿身ydy
式中：y是高度，暫取30米
10)高桿燈合計風力
∑D高桿燈=D燈盤+D桿身
11)高桿燈合計彎距
∑M高桿燈=M燈盤+M桿身
12)高桿燈合計自重
Q高桿燈=Q燈盤+Q桿身
Q燈盤燈盤包括燈具的重量
Q桿身燈身往往采用等距?80(外徑)＊14(壁厚)高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼16MN鋼管或用10mm，16mm厚的碳素結(jié)構(gòu)Q235鋼板彎曲卷成圓筒焊接而成。焊接鋼管價格相對無縫鋼管較低，應用較多。燈桿的自重是隨燈桿長度增加而增大。
13)高桿燈的抗彎截面系數(shù)
W= ?D4一d4)/32D=笵3[1-(d/D)4]/32
二、高桿燈的強度校核
1)高桿燈的底部面積
S= ?D2一d2)/4 式中：D是外徑、d內(nèi)徑
2)高桿燈的結(jié)構(gòu)自重應力
由于高桿燈的整體份量較重時，所以計算強度時要考慮自重引起的結(jié)構(gòu)應力。
假設燈桿底部面積在變形前后橫截面不變且與燈桿軸線垂直，可定應力在燈桿底部橫截面上均勻分布
d結(jié)構(gòu)自重=Q高桿燈/S燈底部橫截面積
3)高桿燈彎矩作用下的應力
d彎矩=M/W
M是合力矩(截面的彎矩)，W是抗彎截面系數(shù)
4)高桿燈合計應力
根據(jù)疊加原理可以得出: d總=d結(jié)構(gòu)自重+d彎矩
5)高桿燈的安全系數(shù)
為了保證高桿燈的燈桿能正常地工作，必須使其所受的最大工作應力不超過制作燈桿材料的容許應力。制作燈桿的材料往往采用低合金結(jié)構(gòu)鋼16MN或碳素結(jié)構(gòu)Q235鋼，這二者都屬于典型的塑性材料。塑性材料通常是以屈服極限應力作為容許應力。當壓縮受力達到塑性材料的屈服極限應力時，即出現(xiàn)塑性變形，進而發(fā)生斷裂、破壞。燈桿材料的屈服極限應力d屈服可在有關(guān)設計規(guī)范和手冊查得。
安全系數(shù)計算如下：
K=d屈服／d總
K是表示安全儲備大小的系數(shù)，數(shù)值恒大于l。
確定安全系數(shù)時，要慎重全面的考慮到各方面的因素，如風振系數(shù)等相關(guān)計算值與實際情況的誤差等等。安全系數(shù)只有超過《高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中設計規(guī)范的要求，高桿燈的結(jié)構(gòu)才是安全的。
三、合理調(diào)整有關(guān)因素，提高高桿燈的整體強度
我們知道高桿燈的整體強度與外形、材料等因素有關(guān)，合理調(diào)整這些因素，可以有效提高燈桿的整體強度。如燈桿截面形狀可以采用階梯式的截面體，多面棱柱，橢圓形等多種形式或加大燈桿的橫截面積，減少燈盤荷載(燈具的數(shù)量)都可以影響燈桿的整體強度。
高桿燈不僅要滿足安全性計算和強度校核的要求，也應同時滿足剛度，穩(wěn)定性以及生產(chǎn)經(jīng)濟性等其它方面的要求?？傊挥袕脑O計、制作，經(jīng)濟性等多方面入手，才能生產(chǎn)出質(zhì)優(yōu)價廉，安全穩(wěn)固的高桿燈。
高桿照明設施照明范圍大，功能性強，使用便利，在城市廣場、大型立交、體育場、機場和港口碼頭等處廣泛應用的同時，要充分考慮到高桿燈在狂風暴雨等惡劣環(huán)境中可靠使用的安全性。高桿燈的安全性包括剛度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性等多方面的計算，其中強度校核是保證使用的一項重要內(nèi)容在此我將分步演算高桿燈安全性計算及強度校核：
一、高桿燈的安全性計算
1)高桿燈燈盤(包括燈具)的迎風面積：
由于燈盤采用不同形狀，使燈盤的迎風面積具有不確定性?，F(xiàn)取常見的封閉式飛碟狀燈盤為例，以燈盤外形的正投影作為迎風面參考面積
S燈盤=(d1+d2)H1/2
2)高桿燈桿身的迎風面積：
高桿燈桿身往往采用(錐度約1000:5)錐形體或圓柱體。桿身的迎風面積隨著桿身長度的增加而逐漸增大。
S桿身=(D1+D2)H2/2
3)高桿燈的基本風壓計算
風壓是垂直于氣流風向的平面受到的風的壓力，根據(jù)伯努利方程得出標準的風壓關(guān)系公式。風的動壓為：
WP=0.5*r*V2/g=0.5*ro*V2(ro=r/g)
WP為風壓，單位KN/M2。 ro為空氣密度，單位KG/M3。
V為風速，單位是M/S。 r為空氣重度，單位KN/M3。
空氣重度r和重力加速度g隨緯度和海拔高度而變。一般來說，ro在高原要比在平原地區(qū)小，也就是說，同樣風速在相同溫度下，其產(chǎn)生的風壓在高原比在平原地區(qū)小。通常的10級大風相當于24.5M/S—28.4M/S。為了使高桿燈有廣泛的應用地區(qū)，暫取高桿燈所在地區(qū)的風速為30M/S，且空氣密度取ro=1.255KG/M3。(密度可在物理手冊或有關(guān)資料查得)
則基本風壓WP計算如下：
WP=ro*V2/2=1.255*302/2=551.25Pa
4)高桿燈的風載荷W0計算
風載荷標準值=基本風壓*風振系數(shù)*風壓高度變化系數(shù)*風載體形系數(shù)
A風振系數(shù)
實際風壓是在平均風壓上下波動的。平均風壓使建筑物產(chǎn)生一定的側(cè)移，而脈動風壓使建筑物在該側(cè)移附近左右振動。脈動風壓對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動力現(xiàn)象就是風振?！逗奢d規(guī)范》對于一般懸臂結(jié)構(gòu)(構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu))且可忽略扭轉(zhuǎn)影響的高層建筑，風振系數(shù)可按規(guī)范中一個相應的公式計算。
B風壓高度變化系數(shù)
《荷載規(guī)范》中把地表粗糙度分為ABCD四類，a類指近海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；b類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；c類指有密集建筑群的城市市區(qū)；d類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。風壓高度變化系數(shù)定義為任一高度處的風壓與B類地面粗糙度、標準高度l0m處的風壓比值。風壓高度變化系數(shù)可根據(jù)《荷載規(guī)范》中高度和地面粗糙度類型來查找取值。
C風載體形系數(shù)
是指建筑結(jié)構(gòu)表面受到的風壓與大氣中氣流風壓之比。它是衡量風對不同外形的建筑物產(chǎn)生不同風壓力的一個系數(shù)。比如同樣大小的風對圓形和正方形產(chǎn)生的壓力肯定不同，所以，計算風對建筑物壓力的時候，針對不同的外形建筑物都要乘以一個體型系數(shù)來擴大或縮小標準風壓壓力，使建筑物承受的風壓力更接近實際情況。風載體形系數(shù)主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)，當然也跟周圍的環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。風載體形系數(shù)可根據(jù)體型按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的表格查找取值，如果體型與表中不同，可根據(jù)相關(guān)資料來近似確定或由風洞試驗準確地測得。
5)高桿燈的風壓系數(shù)C
風壓系數(shù)是計算空氣阻力的一個重要系數(shù)，往往通過風洞實驗和下滑實驗來確定的一個數(shù)學參數(shù)。高桿燈燈盤、燈桿的最大風壓系數(shù)可以查建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中圖表資料來近似確定或由風洞試驗準確地測量。
6)高桿燈燈盤(包括燈具)的風力
N燈盤=W0*S燈盤*C燈盤
式中：W0是風載荷標準值
S燈盤是燈盤的迎風面積
C燈盤是迎風面的風壓系數(shù)，可查相關(guān)手冊，
7)高桿燈燈盤(包括燈具)風力對底部的彎距
M燈盤=N燈盤*H
式中：H是高度，一般可取30米
8)高桿燈桿身的風力
N桿身=W0*S桿身*C桿身
式中：W0是風載荷標準值
S桿身是燈身的迎風面積
C桿身是迎風面的風壓系數(shù)，可查相關(guān)手冊，
9)高桿燈桿身風力對底部的彎距
M桿身=∫300C桿身*W0*S桿身ydy
式中：y是高度，暫取30米
10)高桿燈合計風力
∑D高桿燈=D燈盤+D桿身
11)高桿燈合計彎距
∑M高桿燈=M燈盤+M桿身
12)高桿燈合計自重
Q高桿燈=Q燈盤+Q桿身
Q燈盤燈盤包括燈具的重量
Q桿身燈身往往采用等距?80(外徑)＊14(壁厚)高強度低合金結(jié)構(gòu)鋼16MN鋼管或用10mm，16mm厚的碳素結(jié)構(gòu)Q235鋼板彎曲卷成圓筒焊接而成。焊接鋼管價格相對無縫鋼管較低，應用較多。燈桿的自重是隨燈桿長度增加而增大。
13)高桿燈的抗彎截面系數(shù)
W= ?D4一d4)/32D=笵3[1-(d/D)4]/32
二、高桿燈的強度校核
1)高桿燈的底部面積
S= ?D2一d2)/4 式中：D是外徑、d內(nèi)徑
2)高桿燈的結(jié)構(gòu)自重應力
由于高桿燈的整體份量較重時，所以計算強度時要考慮自重引起的結(jié)構(gòu)應力。
假設燈桿底部面積在變形前后橫截面不變且與燈桿軸線垂直，可定應力在燈桿底部橫截面上均勻分布
d結(jié)構(gòu)自重=Q高桿燈/S燈底部橫截面積
3)高桿燈彎矩作用下的應力
d彎矩=M/W
M是合力矩(截面的彎矩)，W是抗彎截面系數(shù)
4)高桿燈合計應力
根據(jù)疊加原理可以得出: d總=d結(jié)構(gòu)自重+d彎矩
5)高桿燈的安全系數(shù)
為了保證高桿燈的燈桿能正常地工作，必須使其所受的最大工作應力不超過制作燈桿材料的容許應力。制作燈桿的材料往往采用低合金結(jié)構(gòu)鋼16MN或碳素結(jié)構(gòu)Q235鋼，這二者都屬于典型的塑性材料。塑性材料通常是以屈服極限應力作為容許應力。當壓縮受力達到塑性材料的屈服極限應力時，即出現(xiàn)塑性變形，進而發(fā)生斷裂、破壞。燈桿材料的屈服極限應力d屈服可在有關(guān)設計規(guī)范和手冊查得。
安全系數(shù)計算如下：
K=d屈服／d總
K是表示安全儲備大小的系數(shù)，數(shù)值恒大于l。
確定安全系數(shù)時，要慎重全面的考慮到各方面的因素，如風振系數(shù)等相關(guān)計算值與實際情況的誤差等等。安全系數(shù)只有超過《高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中設計規(guī)范的要求，高桿燈的結(jié)構(gòu)才是安全的。
三、合理調(diào)整有關(guān)因素，提高高桿燈的整體強度
我們知道高桿燈的整體強度與外形、材料等因素有關(guān)，合理調(diào)整這些因素，可以有效提高燈桿的整體強度。如燈桿截面形狀可以采用階梯式的截面體，多面棱柱，橢圓形等多種形式或加大燈桿的橫截面積，減少燈盤荷載(燈具的數(shù)量)都可以影響燈桿的整體強度。
高桿燈不僅要滿足安全性計算和強度校核的要求，也應同時滿足剛度，穩(wěn)定性以及生產(chǎn)經(jīng)濟性等其它方面的要求?？傊挥袕脑O計、制作，經(jīng)濟性等多方面入手，才能生產(chǎn)出質(zhì)優(yōu)價廉，安全穩(wěn)固的高桿燈。
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