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高聳避雷塔抗風分析研究與優化設計
來源:建筑鋼結構網  作者:尹續峰 黃偉 郝振奮 焦英立  時間:2013-11-28   關鍵詞:高聳避雷塔抗風分析  

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

  要:避雷塔屬于高聳輕柔結構,風荷載在所有設計荷載中是主要控制荷載。在某工程中,采用了的拉線式避雷方案,避雷線及塔-線組合等受力狀態的計算與分析成為工程設計的關鍵。本文主要介紹了避雷塔的風荷載計算、抗風分析、基礎及避雷線等關鍵工況或構件的設計過程,以期能夠對相關類似工程提供參考。

關鍵詞:避雷塔;高聳結構;風荷載;避雷線

1.概況

某避雷塔用于特種鋼結構塔架的雷電防護,采用避雷線與避雷塔組成聯合防護網,塔高120m,設三層矩形避雷線,高度分別為115m104m(90%H)92m(80%H),如下圖所示。避雷塔共四座,間距分別為101m109m。避雷塔為正方形空間管桁架結構,底部邊長15m,邊長隨高度呈近似的二次曲線逐漸收至115米高度處的1.5m,頂部設高度5m的避雷針。

 

1 避雷線豎向布局示意圖(高聳避雷塔抗風分析)


根據地質勘查報告,土層分布為①細砂,②珊瑚碎屑砂,③中~微風化花崗巖。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。建筑場地類別為Ⅱ類,基本風壓取值1.05KN/㎡,地面粗糙度類別:A類,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 (高聳避雷塔抗風分析)


2 風荷載計算

避雷塔屬于高聳結構。在其各類荷載中,起控制作用的是風荷載。在風荷載標準值計算中,體型系數和風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),風荷載標準值計算公式:

   

式中, 為高度z處的風振系數,為體型系數,為高度變化系數,為基本風壓。

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ABCD四類,本工程建設地點位于海邊,屬于A類。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種迎風面進行計算,由于體型系數與擋風系數有關,而避雷塔各節間的擋風系數均不相同,故其體型系數也隨計算高度發生變化。根據荷載規范,按塔架迎風角度①和角度②進行考慮,如采用圓管構件,則塔架體型系數按角鋼塔架進行折減。

根據上述計算方法,計算每一節的體型系數。

2.3 風振系數

風荷載包含了平均風和脈動風。平均風的性質相當于靜力作用,脈動風則隨時間按隨機規律變化,其性質相當于動力作用。為了便于工程實際應用,我國規范中引入一個等效靜態放大系數,即為風振系數,將靜力作用和動力作用一并考慮在內。《建筑結構荷載規范》和《高聳結構設計規范》給出了風振系數的不同取值公式。荷載規范中,采用脈動增大系數、影響系數、振型系數和高度系數來進行表達。

而在高聳規范中,引入了2個綜合系數,

為脈動和高度影響系數,

為陣型及外形影響系數。


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

2 風振系數計算列表(部分)

 


3 避雷塔抗風分析

由于風荷載起決定作用,計算作用在塔上的荷載時,首先要假定塔架個部分尺寸及其迎風面積,因此需要先用簡化方法分析,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行計算。避雷塔屬于空間桁架結構,計算時都假定桁架所有桿件連接節點為鉸接。計算模型如圖23所示。

本工程依據簡化空間桁架法,編制了用于簡化計算的Excel表格程序,用于截面和桿件優化。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,同時采用SAP2000軟件進行了校核。基本設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法滿足要求,只能依靠基礎提供抗傾覆彎矩。由于作用點高,在水平風荷載的力矩大,造成塔架底部受拉,基礎設計必須解決抗拔的問題。基礎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題,同時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,基礎深埋或大開挖需要止水、圍護,施工難度大,造價高。


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(高聳避雷塔抗風分析)

經過計算分析與比較,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 避雷線設計

根據工藝需求,塔架之間的拉線僅用于傳導雷電,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,避雷線的撓度影響最大。由于避雷線重量較輕,安裝及更換時可不考慮上人作業。

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

6

在某工程場區的雷擊防護首次采用了避雷線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荷載作用,還要考慮線—塔耦合等作用的影響。在臺風登陸區進行高聳避雷塔結構設計時,必須充分考慮風荷載的作用,一方面是上部結構的變形、強度要符合相關規范的要求;另一方面,水平風荷載引起的底部抗傾覆彎矩必須由基礎來承擔。該工程作為發射場的地面設施直接為塔架服務,在設計和建設過程中,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:機械工業出版社.2006

[4] 王肇民.高聳結構設計手冊.北京:中國建筑工業出版社 1997

 

 (總裝備部工程設計研究總院,北京 100028

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