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    高聳避雷塔抗風(fēng)分析研究與優(yōu)化設計
    來(lái)源:建筑鋼結構網(wǎng)  作者:尹續峰 黃偉 郝振奮 焦英立  時(shí)間:2013-11-28   關(guān)鍵詞:高聳避雷塔抗風(fēng)分析  

    摘要:避雷塔屬于高聳輕柔結構,風(fēng)荷載在所有設計荷載中是主要控制荷載。在某工程中,采用了的拉線(xiàn)式避雷方案,避雷線(xiàn)及塔-線(xiàn)組合等受力狀態(tài)的計算與分析成為工程設計的關(guān)鍵。本文主要介紹了避雷塔的風(fēng)荷載

      要:避雷塔屬于高聳輕柔結構,風(fēng)荷載在所有設計荷載中是主要控制荷載。在某工程中,采用了的拉線(xiàn)式避雷方案,避雷線(xiàn)及塔-線(xiàn)組合等受力狀態(tài)的計算與分析成為工程設計的關(guān)鍵。本文主要介紹了避雷塔的風(fēng)荷載計算、抗風(fēng)分析、基礎及避雷線(xiàn)等關(guān)鍵工況或構件的設計過(guò)程,以期能夠對相關(guān)類(lèi)似工程提供參考。

    關(guān)鍵詞:避雷塔;高聳結構;風(fēng)荷載;避雷線(xiàn)

    1.概況

    某避雷塔用于特種鋼結構塔架的雷電防護,采用避雷線(xiàn)與避雷塔組成聯(lián)合防護網(wǎng),塔高120m,設三層矩形避雷線(xiàn),高度分別為115m、104m(90%H)、92m(80%H),如下圖所示。避雷塔共四座,間距分別為101m、109m。避雷塔為正方形空間管桁架結構,底部邊長(cháng)15m,邊長(cháng)隨高度呈近似的二次曲線(xiàn)逐漸收至115米高度處的1.5m,頂部設高度5m的避雷針。

     

    1 避雷線(xiàn)豎向布局示意圖(高聳避雷塔抗風(fēng)分析)


    根據地質(zhì)勘查報告,土層分布為①細砂,②珊瑚碎屑砂,③中~微風(fēng)化花崗巖。地下水位至自然地表,地下水對混凝土結構具有中等腐蝕性,對混凝土中的鋼筋具有強腐蝕性。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),基本風(fēng)壓取值1.05KN/㎡,地面粗糙度類(lèi)別:A類(lèi),地震烈度為7度(0.15g,第一組),結構設計使用年限為50年。

     

    2 避雷塔平面布局圖 (高聳避雷塔抗風(fēng)分析)


    2 風(fēng)荷載計算

    避雷塔屬于高聳結構。在其各類(lèi)荷載中,起控制作用的是風(fēng)荷載。在風(fēng)荷載標準值計算中,體型系數和風(fēng)振系數的計算較為復雜。根據《建筑結構荷載規范》(GB50009-2001)和《高聳結構設計規范》(GB50135-2006),風(fēng)荷載標準值計算公式:

       

    式中, 為高度z處的風(fēng)振系數,為體型系數,為高度變化系數,為基本風(fēng)壓。

    2.1 高度變化系數

    為了工程設計的方便,我國將地貌按地面粗糙度分為A、B、C、D四類(lèi),本工程建設地點(diǎn)位于海邊,屬于A類(lèi)。塔體各計算高度處的高度系數為:

    1 高度變化系數列表

                 


    2.2 體型系數

    分別按2種迎風(fēng)面進(jìn)行計算,由于體型系數與擋風(fēng)系數有關(guān),而避雷塔各節間的擋風(fēng)系數均不相同,故其體型系數也隨計算高度發(fā)生變化。根據荷載規范,按塔架迎風(fēng)角度①和角度②進(jìn)行考慮,如采用圓管構件,則塔架體型系數按角鋼塔架進(jìn)行折減。

    根據上述計算方法,計算每一節的體型系數。

    2.3 風(fēng)振系數

    風(fēng)荷載包含了平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)。平均風(fēng)的性質(zhì)相當于靜力作用,脈動(dòng)風(fēng)則隨時(shí)間按隨機規律變化,其性質(zhì)相當于動(dòng)力作用。為了便于工程實(shí)際應用,我國規范中引入一個(gè)等效靜態(tài)放大系數,即為風(fēng)振系數,將靜力作用和動(dòng)力作用一并考慮在內?!督ㄖY構荷載規范》和《高聳結構設計規范》給出了風(fēng)振系數的不同取值公式。荷載規范中,采用脈動(dòng)增大系數、影響系數、振型系數和高度系數來(lái)進(jìn)行表達。

    而在高聳規范中,引入了2個(gè)綜合系數,

    為脈動(dòng)和高度影響系數,

    為陣型及外形影響系數。


    本工程中,分別按上述兩種算法進(jìn)行了計算,結果基本一致,表明在本質(zhì)上兩種規范里所考慮的風(fēng)振因素是一致的。

    2 風(fēng)振系數計算列表(部分)

     


    3 避雷塔抗風(fēng)分析

    由于風(fēng)荷載起決定作用,計算作用在塔上的荷載時(shí),首先要假定塔架個(gè)部分尺寸及其迎風(fēng)面積,因此需要先用簡(jiǎn)化方法分析,待塔架尺寸、桿件截

     

                

     

    面都認為合適后再用精確的整體空間桁架法進(jìn)行計算。避雷塔屬于空間桁架結構,計算時(shí)都假定桁架所有桿件連接節點(diǎn)為鉸接。計算模型如圖2、3所示。

    本工程依據簡(jiǎn)化空間桁架法,編制了用于簡(jiǎn)化計算的Excel表格程序,用于截面和桿件優(yōu)化。在水平荷載作用下,塔柱內力 和斜桿內力 按下列公式計算:

    式中,為在塔段底部繞軸作用的彎矩;為在塔段底部繞軸作用的剪力;為斜桿同橫桿的夾角;為塔柱同水平面的夾角;為塔面同水平面的夾角;為塔段底部外接圓直徑;為計算系數。

    位移計算采用共軛梁法,將塔架視為直立的懸臂梁,任一截面處的抗彎剛度為:

     

    式中,,所計算塔層的塔柱截面積;,塔柱主軸至塔架平截面中和軸的距離;,塔柱截面對其形心軸的慣性矩。

    避雷塔的三維模型精確計算以PKPM-SPASCAD軟件為主,同時(shí)采用SAP2000軟件進(jìn)行了校核?;驹O計參數與主要計算結果如下所示。

    4 主要計算結果列表

     


                    

    圖3 SPASCAD軟件計算模型               圖4 SAP2000軟件計算模型


    4 基礎抗傾覆驗算

    計算結果顯示,結構自身的抗傾覆驗算無(wú)法滿(mǎn)足要求,只能依靠基礎提供抗傾覆彎矩。由于作用點(diǎn)高,在水平風(fēng)荷載的力矩大,造成塔架底部受拉,基礎設計必須解決抗拔的問(wèn)題?;A設計必須考慮以下幾種因素:

    ①地基存在液化土層,必須采用樁基礎解決受壓的問(wèn)題,同時(shí)要求樁基礎能夠抗拔;

    ②基礎還存在地下水,地下水位至自然地坪,浮力的作用致使結構自重的效率大大降低;

    ③上部圖層為砂性土,水量豐富,基礎深埋或大開(kāi)挖需要止水、圍護,施工難度大,造價(jià)高。


    5 方案一:獨立式樁基承臺方案

       

    6 方案二:整體式樁基承臺方案(高聳避雷塔抗風(fēng)分析)

    經(jīng)過(guò)計算分析與比較,擬選擇抗拔樁與配重結合的方式解決塔體傾覆問(wèn)題。表5列出了不同基礎方案下的各項指標對比。

    5 方案對比列表

     

    5 避雷線(xiàn)設計

    根據工藝需求,塔架之間的拉線(xiàn)僅用于傳導雷電,設計中應盡量減小其對塔體結構的不利影響,而在所有參數中,避雷線(xiàn)的撓度影響最大。由于避雷線(xiàn)重量較輕,安裝及更換時(shí)可不考慮上人作業(yè)。

    參照避雷設施的設計要求,取正常使用狀態(tài)的撓度為1/25,即最大變形約為4m;當自重與風(fēng)荷載組合作用時(shí),最大撓度約為1/18。避雷線(xiàn)采用Ø10鍍鋅鋼絲繩,破斷力不小于85kn。

    6

    在某工程場(chǎng)區的雷擊防護首次采用了避雷線(xiàn)與避雷塔組合的方式,這種方式對高聳避雷塔的設計中不但要考慮風(fēng)荷載作用,還要考慮線(xiàn)—塔耦合等作用的影響。在臺風(fēng)登陸區進(jìn)行高聳避雷塔結構設計時(shí),必須充分考慮風(fēng)荷載的作用,一方面是上部結構的變形、強度要符合相關(guān)規范的要求;另一方面,水平風(fēng)荷載引起的底部抗傾覆彎矩必須由基礎來(lái)承擔。該工程作為發(fā)射場(chǎng)的地面設施直接為塔架服務(wù),在設計和建設過(guò)程中,必須保證安全、可靠。


    參考文獻

    [1] 中華人民共和國國家標準.建筑結構荷載規范(GB50009-2001).北京:中國建筑工業(yè)出版社.

    [2] 中華人民共和國國家標準.高聳結構設計規范(GB50135-2006). 北京:中國計劃出版社.

    [3] 沈之容.鋼結構通信塔設計與施工.北京:機械工業(yè)出版社.2006

    [4] 王肇民.高聳結構設計手冊.北京:中國建筑工業(yè)出版社 1997

     

     (總裝備部工程設計研究總院,北京 100028

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