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    高耸避雷塔抗风分析研究与优化设计
    来源:建筑钢结构网  作者:尹续峰 黄伟 郝振奋 焦英立  时间:2013-11-28   关键词:高耸避雷塔抗风分析  

    摘要:避雷塔属于高耸轻柔结构,风荷载在所有设计荷载中是主要控制荷载。在某工程中,采用了的拉线式避雷方案,避雷线及塔-线组合等受力状态的计算与分析成为工程设计的关键。本文主要介绍了避雷塔的风荷载

      要:避雷塔属于高耸轻柔结构,风荷载在所有设计荷载中是主要控制荷载。在某工程中,采用了的拉线式避雷方案,避雷线及塔-线组合等受力状态的计算与分析成为工程设计的关键。本文主要介绍了避雷塔的风荷载计算、抗风分析、基础及避雷线等关键工况或构件的设计过程,以期能够对相关类似工程提供参考。

    关键词:避雷塔;高耸结构;风荷载;避雷线

    1.概况

    某避雷塔用于特种钢结构塔架的雷电防护,采用避雷线与避雷塔组成联合防护网,塔高120m,设三层矩形避雷线,高度分别为115m、104m(90%H)、92m(80%H),如下图所示。避雷塔共四座,间距分别为101m、109m。避雷塔为正方形空间管桁架结构,底部边长15m,边长随高度呈近似的二次曲线逐渐收至115米高度处的1.5m,顶部设高度5m的避雷针。

     

    1 避雷线竖向布局示意图(高耸避雷塔抗风分析)


    根据地质勘查报告,土层分布为①细砂,②珊瑚碎屑砂,③中~微风化花岗岩。地下水位至自然地表,地下水对混凝土结构具有中等腐蚀性,对混凝土中的钢筋具有强腐蚀性。建筑场地类别为Ⅱ类,基本风压取值1.05KN/㎡,地面粗糙度类别:A类,地震烈度为7度(0.15g,第一组),结构设计使用年限为50年。

     

    2 避雷塔平面布局图 (高耸避雷塔抗风分析)


    2 风荷载计算

    避雷塔属于高耸结构。在其各类荷载中,起控制作用的是风荷载。在风荷载标准值计算中,体型系数和风振系数的计算较为复杂。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)和《高耸结构设计规范》(GB50135-2006),风荷载标准值计算公式:

       

    式中, 为高度z处的风振系数,为体型系数,为高度变化系数,为基本风压。

    2.1 高度变化系数

    为了工程设计的方便,我国将地貌按地面粗糙度分为A、B、C、D四类,本工程建设地点位于海边,属于A类。塔体各计算高度处的高度系数为:

    1 高度变化系数列表

                 


    2.2 体型系数

    分别按2种迎风面进行计算,由于体型系数与挡风系数有关,而避雷塔各节间的挡风系数均不相同,故其体型系数也随计算高度发生变化。根据荷载规范,按塔架迎风角度①和角度②进行考虑,如采用圆管构件,则塔架体型系数按角钢塔架进行折减。

    根据上述计算方法,计算每一节的体型系数。

    2.3 风振系数

    风荷载包含了平均风和脉动风。平均风的性质相当于静力作用,脉动风则随时间按随机规律变化,其性质相当于动力作用。为了便于工程实际应用,我国规范中引入一个等效静态放大系数,即为风振系数,将静力作用和动力作用一并考虑在内?!督ㄖ峁购稍毓娣丁泛汀陡咚式峁股杓乒娣丁犯隽朔缯裣凳牟煌≈倒?。荷载规范中,采用脉动增大系数、影响系数、振型系数和高度系数来进行表达。

    而在高耸规范中,引入了2个综合系数,

    为脉动和高度影响系数,

    为阵型及外形影响系数。


    本工程中,分别按上述两种算法进行了计算,结果基本一致,表明在本质上两种规范里所考虑的风振因素是一致的。

    2 风振系数计算列表(部分)

     


    3 避雷塔抗风分析

    由于风荷载起决定作用,计算作用在塔上的荷载时,首先要假定塔架个部分尺寸及其迎风面积,因此需要先用简化方法分析,待塔架尺寸、杆件截

     

                

     

    面都认为合适后再用精确的整体空间桁架法进行计算。避雷塔属于空间桁架结构,计算时都假定桁架所有杆件连接节点为铰接。计算模型如图2、3所示。

    本工程依据简化空间桁架法,编制了用于简化计算的Excel表格程序,用于截面和杆件优化。在水平荷载作用下,塔柱内力 和斜杆内力 按下列公式计算:

    式中,为在塔段底部绕轴作用的弯矩;为在塔段底部绕轴作用的剪力;为斜杆同横杆的夹角;为塔柱同水平面的夹角;为塔面同水平面的夹角;为塔段底部外接圆直径;为计算系数。

    位移计算采用共轭梁法,将塔架视为直立的悬臂梁,任一截面处的抗弯刚度为:

     

    式中,,所计算塔层的塔柱截面积;,塔柱主轴至塔架平截面中和轴的距离;,塔柱截面对其形心轴的惯性矩。

    避雷塔的三维模型精确计算以PKPM-SPASCAD软件为主,同时采用SAP2000软件进行了校核?;旧杓撇问胫饕扑憬峁缦滤?。

    4 主要计算结果列表

     


                    

    图3 SPASCAD软件计算模型               图4 SAP2000软件计算模型


    4 基础抗倾覆验算

    计算结果显示,结构自身的抗倾覆验算无法满足要求,只能依靠基础提供抗倾覆弯矩。由于作用点高,在水平风荷载的力矩大,造成塔架底部受拉,基础设计必须解决抗拔的问题?;∩杓票匦肟悸且韵录钢忠蛩兀?/span>

    ①地基存在液化土层,必须采用桩基础解决受压的问题,同时要求桩基础能够抗拔;

    ②基础还存在地下水,地下水位至自然地坪,浮力的作用致使结构自重的效率大大降低;

    ③上部图层为砂性土,水量丰富,基础深埋或大开挖需要止水、围护,施工难度大,造价高。


    5 方案一:独立式桩基承台方案

       

    6 方案二:整体式桩基承台方案(高耸避雷塔抗风分析)

    经过计算分析与比较,拟选择抗拔桩与配重结合的方式解决塔体倾覆问题。表5列出了不同基础方案下的各项指标对比。

    5 方案对比列表

     

    5 避雷线设计

    根据工艺需求,塔架之间的拉线仅用于传导雷电,设计中应尽量减小其对塔体结构的不利影响,而在所有参数中,避雷线的挠度影响最大。由于避雷线重量较轻,安装及更换时可不考虑上人作业。

    参照避雷设施的设计要求,取正常使用状态的挠度为1/25,即最大变形约为4m;当自重与风荷载组合作用时,最大挠度约为1/18。避雷线采用Ø10镀锌钢丝绳,破断力不小于85kn。

    6

    在某工程场区的雷击防护首次采用了避雷线与避雷塔组合的方式,这种方式对高耸避雷塔的设计中不但要考虑风荷载作用,还要考虑线—塔耦合等作用的影响。在台风登陆区进行高耸避雷塔结构设计时,必须充分考虑风荷载的作用,一方面是上部结构的变形、强度要符合相关规范的要求;另一方面,水平风荷载引起的底部抗倾覆弯矩必须由基础来承担。该工程作为发射场的地面设施直接为塔架服务,在设计和建设过程中,必须保证安全、可靠。


    参考文献

    [1] 中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009-2001).北京:中国建筑工业出版社.

    [2] 中华人民共和国国家标准.高耸结构设计规范(GB50135-2006). 北京:中国计划出版社.

    [3] 沈之容.钢结构通信塔设计与施工.北京:机械工业出版社.2006

    [4] 王肇民.高耸结构设计手册.北京:中国建筑工业出版社 1997

     

     (总装备部工程设计研究总院,北京 100028

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