鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
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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。
圖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。
圖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：
表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ㄖY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。
表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。
表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。
圖5 方案一：獨立式樁基承臺方案
圖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。
表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 結 論
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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