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高聳避雷塔抗風(fēng)分析研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)

作者:尹續(xù)峰 黃偉 郝振奮 焦英立    
時(shí)間:2013-11-28 09:17:01 [收藏]
避雷塔屬于高聳輕柔結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載在所有設(shè)計(jì)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(tài)的計(jì)算與分析成為工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文主要介紹了避雷塔的風(fēng)荷載
    關(guān)鍵詞:高聳避雷塔抗風(fēng)分析

      要:避雷塔屬于高聳輕柔結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載在所有設(shè)計(jì)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(tài)的計(jì)算與分析成為工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文主要介紹了避雷塔的風(fēng)荷載計(jì)算、抗風(fēng)分析、基礎(chǔ)及避雷線等關(guān)鍵工況或構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程,以期能夠?qū)ο嚓P(guān)類似工程提供參考。

    關(guān)鍵詞:避雷塔;高聳結(jié)構(gòu);風(fēng)荷載;避雷線

    1.概況

    某避雷塔用于特種鋼結(jié)構(gòu)塔架的雷電防護(hù),采用避雷線與避雷塔組成聯(lián)合防護(hù)網(wǎng),塔高120m,設(shè)三層矩形避雷線,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101m109m。避雷塔為正方形空間管桁架結(jié)構(gòu),底部邊長(zhǎng)15m,邊長(zhǎng)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(shè)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(fēng)分析)


    根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告,土層分布為①細(xì)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性,對(duì)混凝土中的鋼筋具有強(qiáng)腐蝕性。建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類,基本風(fēng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算

    避雷塔屬于高聳結(jié)構(gòu)。在其各類荷載中,起控制作用的是風(fēng)荷載。在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算中,體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算較為復(fù)雜。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)和《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50135-2006),風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式:

       \

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

    2.1 高度變化系數(shù)

    為了工程設(shè)計(jì)的方便,我國(guó)將地貌按地面粗糙度分為A、B、CD四類,本工程建設(shè)地點(diǎn)位于海邊,屬于A類。塔體各計(jì)算高度處的高度系數(shù)為:

    1 高度變化系數(shù)列表

          \       


    2.2 體型系數(shù)

    分別按2種迎風(fēng)面進(jìn)行計(jì)算,由于體型系數(shù)與擋風(fēng)系數(shù)有關(guān),而避雷塔各節(jié)間的擋風(fēng)系數(shù)均不相同,故其體型系數(shù)也隨計(jì)算高度發(fā)生變化。根據(jù)荷載規(guī)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(gòu)件,則塔架體型系數(shù)按角鋼塔架進(jìn)行折減。

    \

    根據(jù)上述計(jì)算方法,計(jì)算每一節(jié)的體型系數(shù)。

    2.3 風(fēng)振系數(shù)

    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(dāng)于靜力作用,脈動(dòng)風(fēng)則隨時(shí)間按隨機(jī)規(guī)律變化,其性質(zhì)相當(dāng)于動(dòng)力作用。為了便于工程實(shí)際應(yīng)用,我國(guó)規(guī)范中引入一個(gè)等效靜態(tài)放大系數(shù),即為風(fēng)振系數(shù),將靜力作用和動(dòng)力作用一并考慮在內(nèi)?!督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了風(fēng)振系數(shù)的不同取值公式。荷載規(guī)范中,采用脈動(dòng)增大系數(shù)、影響系數(shù)、振型系數(shù)和高度系數(shù)來(lái)進(jìn)行表達(dá)。

    \

    而在高聳規(guī)范中,引入了2個(gè)綜合系數(shù),\

    為脈動(dòng)和高度影響系數(shù),\

    為陣型及外形影響系數(shù)。

    \

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

    2 風(fēng)振系數(shù)計(jì)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(jì)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(rèn)為合適后再用精確的整體空間桁架法進(jìn)行計(jì)算。避雷塔屬于空間桁架結(jié)構(gòu),計(jì)算時(shí)都假定桁架所有桿件連接節(jié)點(diǎn)為鉸接。計(jì)算模型如圖23所示。

    本工程依據(jù)簡(jiǎn)化空間桁架法,編制了用于簡(jiǎn)化計(jì)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(nèi)力 和斜桿內(nèi)力 按下列公式計(jì)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(jì)算系數(shù)。

    位移計(jì)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(jì)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(duì)其形心軸的慣性矩。

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

    4 主要計(jì)算結(jié)果列表

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    \                \

    圖3 SPASCAD軟件計(jì)算模型               圖4 SAP2000軟件計(jì)算模型


    4 基礎(chǔ)抗傾覆驗(yàn)算

    計(jì)算結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)自身的抗傾覆驗(yàn)算無(wú)法滿足要求,只能依靠基礎(chǔ)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(chǔ)設(shè)計(jì)必須解決抗拔的問(wèn)題?;A(chǔ)設(shè)計(jì)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(chǔ)解決受壓的問(wèn)題,同時(shí)要求樁基礎(chǔ)能夠抗拔;

    ②基礎(chǔ)還存在地下水,地下水位至自然地坪,浮力的作用致使結(jié)構(gòu)自重的效率大大降低;

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

    \

    5 方案一:獨(dú)立式樁基承臺(tái)方案

    \   

    6 方案二:整體式樁基承臺(tái)方案(高聳避雷塔抗風(fēng)分析)

    經(jīng)過(guò)計(jì)算分析與比較,擬選擇抗拔樁與配重結(jié)合的方式解決塔體傾覆問(wèn)題。表5列出了不同基礎(chǔ)方案下的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比。

    5 方案對(duì)比列表

     \

    5 避雷線設(shè)計(jì)

    根據(jù)工藝需求,塔架之間的拉線僅用于傳導(dǎo)雷電,設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小其對(duì)塔體結(jié)構(gòu)的不利影響,而在所有參數(shù)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(shí)可不考慮上人作業(yè)。

    參照避雷設(shè)施的設(shè)計(jì)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(dāng)自重與風(fēng)荷載組合作用時(shí),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 結(jié)

    在某工程場(chǎng)區(qū)的雷擊防護(hù)首次采用了避雷線與避雷塔組合的方式,這種方式對(duì)高聳避雷塔的設(shè)計(jì)中不但要考慮風(fēng)荷載作用,還要考慮線—塔耦合等作用的影響。在臺(tái)風(fēng)登陸區(qū)進(jìn)行高聳避雷塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須充分考慮風(fēng)荷載的作用,一方面是上部結(jié)構(gòu)的變形、強(qiáng)度要符合相關(guān)規(guī)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(chǔ)來(lái)承擔(dān)。該工程作為發(fā)射場(chǎng)的地面設(shè)施直接為塔架服務(wù),在設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中,必須保證安全、可靠。


    參考文獻(xiàn)

    [1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2001).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

    [2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50135-2006). 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社.

    [3] 沈之容.鋼結(jié)構(gòu)通信塔設(shè)計(jì)與施工.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2006

    [4] 王肇民.高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社 1997

     

     (總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院,北京 100028

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