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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,采用了的一拉线式避雷方案,避雷线及塔-线组合等受力 状态的一计算︻与分析成为工程设计的一关键 。本文主要介绍了避雷塔的一风荷载

      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,采用了的一拉线式避雷方案,避雷线及塔-线组合等受力 状态的一计算︻与分析成为工程设计的一关键 。本文主要介绍了避雷塔的一风荷载计算︻、抗风分析、基础及避雷线等关键工况或构件的一设计过程,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一雷电防护,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115m104m(90%H)92m(80%H),如下图所示 。避雷塔共四座,间距分别为101m109m 。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一二次曲线逐渐收至115米高度处的一1.5m,顶部设高度5m的一避雷针 。

     

    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,对混凝土中的一钢筋具有强腐蚀性 。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,起控制作用的一是风荷载 。在风荷载标准值计算︻中,体型系数№和风振系数的一计算︻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处的一风振系数,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

    为了工程设计的一方便,我国将地貌按地面粗糙度分为ABCD四类,本工程建设地点位于海边,属于A类 。塔体各计算︻高度处的一高度系数为:

    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,而避雷塔各节间的一挡风系数均不 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︻每一节的一体型系数 。

    2.3 风振系数

    风荷载包含了平均风№和脉动风 。平均风的一性质相当于静力 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 。《建筑结构荷载规范》№和《高耸结构设计规范》给出了风振系数的一不 同取▓值公式 。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一风振因 素是一致的一 。

    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    的一荷载时,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一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23所示 。

    本工程依据简化空间桁架法,编制了用于简化计算︻的一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一弯矩;为在塔段底部绕轴作用的一剪力 ;为斜杆同横杆的一夹角;为塔柱同水平面的一夹角;为塔面同水平面的一夹角;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,将塔架视为直立的一悬臂梁,任一截面处的一抗弯刚度为:

     

    式中,,所计算︻塔层的一塔柱截面积;,塔柱主轴至塔架平截面中№和轴的一距离;,塔柱截面对其形心轴的一惯性矩 。

    避雷塔的一三维模型精确计算︻以PKPM-SPASCAD软件为主,同时采用SAP2000软件进行了校核 。基本设计参数与主要计算︻结果如下所示 。

    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ζ算︻

    计算︻结果显示,结构自身的一抗倾覆验ζ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,在水平风荷载的一力 矩大,造成塔架底部受拉,基础设计必须解决抗拔的一问题 。基础设计必须考虑以下几种因 素:

    ①地基存在液化土层,必须采用桩基础解决受压的一问题,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 的一作用致使结构自重的一效率大大降低;

    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一方式解决塔体倾覆问题 。表5列出了不 同基础方案下的一各项指标对比 。

    5 方案对比列表

     

    5 避雷线设计

    根据工艺需求,塔架之间的一拉线仅用于传导雷电,设计中应尽量减小其对塔体结构的一不 利影响,而在所有参数中,避雷线的一挠度影响最大 。由于避雷线重量较轻,安装及更换时可不 考虑上    人作业 。

    参照避雷设施的一设计要求,取▓正常使用状态的一挠度为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

    在某工程场区的一雷击防护首次采用了避雷线与避雷塔组合的一方式,这种方式对高耸避雷塔的一设计中不 但要考虑风荷载作用,还要考虑线—塔耦合等作用的一影响 。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一作用,一方面是上    部结构的一变形、强度要符合相关规范的一要求;另一方面,水平风荷载引起的一底部抗倾覆弯矩必须由基础来承担 。该工程作为发射场的一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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