舒興武,羅建國(guó),姜 榮,羅明權(quán)

(1.貴州省長(zhǎng)順縣氣象局,貴州 長(zhǎng)順 550700;2.貴州省貞豐縣氣象局,貴州 貞豐 562200)

獨(dú)立避雷塔風(fēng)荷載分析

舒興武1,羅建國(guó)1,姜 榮2,羅明權(quán)1

(1.貴州省長(zhǎng)順縣氣象局,貴州 長(zhǎng)順 550700;2.貴州省貞豐縣氣象局,貴州 貞豐 562200)

介紹了獨(dú)立避雷塔風(fēng)荷載計(jì)算的通用方法。利用實(shí)例計(jì)算分析風(fēng)荷載對(duì)獨(dú)立避雷塔的影響,為防雷工程人員設(shè)計(jì)、安裝獨(dú)立避雷塔提供參考。

避雷塔;風(fēng)荷載計(jì)算;分析

1 問題的提出

獨(dú)立避雷塔是指安裝在地面、具有獨(dú)立接地裝置的直接雷擊防護(hù)裝置,主要作用就是接閃雷電并將接閃到的雷電流引導(dǎo)入地,預(yù)防雷電擊在所保護(hù)的建 (構(gòu))筑物或設(shè)施上。對(duì)于獨(dú)立避雷塔的設(shè)計(jì)安裝其中需要考慮的一個(gè)因素就是風(fēng)荷載,它關(guān)系到避雷塔投入使用后是否存在因風(fēng)速原因造成的風(fēng)壓過大,出現(xiàn)倒塌事故風(fēng)險(xiǎn)。通常情況下,獨(dú)立避雷塔根據(jù)其高度、抗風(fēng)強(qiáng)度,按照標(biāo)準(zhǔn)圖集設(shè)計(jì)安裝即可,然而,一些設(shè)計(jì)、施工人員為了最大限度的節(jié)約成本,使用材料規(guī)格僅能勉強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,以致出現(xiàn)安全隱患,如安裝獨(dú)立避雷塔后在塔身中間增加斜拉線固定塔身,既影響美觀、又因斜拉線帶來其他事故隱患,甚至因風(fēng)速過大造成避雷塔被吹到事件。究其原因就是沒有考慮到避雷塔風(fēng)荷載因素,或者就是不會(huì)計(jì)算獨(dú)立避雷塔的風(fēng)荷載。本文介紹獨(dú)立避雷塔風(fēng)荷載計(jì)算方法,目的在于期望以后在工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工的同時(shí),避免因風(fēng)荷載因素造成避雷塔倒塌事故。

2 風(fēng)荷載及計(jì)算方法

2.1 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載指的是作用在建 (構(gòu))筑物上的穩(wěn)定風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓的總和,也就是通常所說的抗風(fēng)強(qiáng)度參數(shù)。該參數(shù)被忽略或計(jì)算不正確,可能導(dǎo)致建(構(gòu))筑物因抗風(fēng)荷載能力不足而倒塌,甚至出現(xiàn)人身傷亡安全事故。獨(dú)立避雷塔是預(yù)防直擊雷常用的避雷裝置之一,是典型的高聳結(jié)構(gòu)柔性構(gòu)筑物,風(fēng)荷載是影響其安全的重要因素,作為防雷工程設(shè)計(jì)人員和施工人員都應(yīng)該掌握該參數(shù)的計(jì)算方法,并能靈活運(yùn)用到實(shí)踐工作中。

2.2 風(fēng)荷載計(jì)算方法

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》),避雷塔單位面積所受風(fēng)荷載按下式計(jì)算:

式中:ωk—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 (KN/m2);βz—高度 z處的風(fēng)振系數(shù);μs—風(fēng)載體型系數(shù);μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù);ω0—基本風(fēng)壓 (KN/m2)。

根據(jù)基本風(fēng)壓的取值標(biāo)準(zhǔn),在比較空曠平坦地面上,離地 10 m高,概率統(tǒng)計(jì)所得的 50 a一遇 10 min平均最大風(fēng)速的風(fēng)壓,可以從 50 a一遇全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖查得。若需 30 a一遇或 100 a一遇風(fēng)壓,用50 a一遇風(fēng)壓分別乘以系數(shù) 0.91和 1.1即可。

風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz,按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》分 A、B、C、D四種情況,查表得出μz后再乘以修正系數(shù)ηB,應(yīng)用計(jì)算起來比較復(fù)雜。按朱瑞兆先生研究,實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)地面粗糙度及梯度風(fēng)影響,高度 z處的μz值可近似為:

風(fēng)載體型系數(shù)μs:《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中列出了 38種不同類型的風(fēng)載體型系數(shù);實(shí)際使用中,避雷塔一般為三角體鋼架,所以應(yīng)按第 34種 (塔架)中的“三角形風(fēng)向”查表得出,但應(yīng)注意分為角鋼塔架和圓鋼塔架兩種情況。至于擋風(fēng)系數(shù)φ,可按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》查算。

風(fēng)振系數(shù)βz,按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,避雷塔在高度 z處的風(fēng)振系數(shù)按下式計(jì)算:

式中:ξ—脈動(dòng)增大系數(shù);ν—脈動(dòng)影響系數(shù);ψz—振型系數(shù);μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

ξ可直接查表求得;關(guān)于ν,查表求得ν值后再乘以修正系數(shù)θB和θv;至于ψz,對(duì)于避雷塔,可只考慮第一振型影響,根據(jù)相對(duì)高度 z/H(z為風(fēng)荷載作用高度,H為塔總高度)查表可得。

3 計(jì)算實(shí)例

貴州某城市郊區(qū)某炸藥庫(kù),安裝有 30 m高避雷塔。塔重 800kg(7.84 KN,g=9.8 m/s2),塔身全部由φ25圓鋼焊接而成?；A(chǔ)為 4m×4m×1m(標(biāo)準(zhǔn)圖集為 2 m)的混凝土,基礎(chǔ)自重為 25 KN/m3×16 m3=400 KN。1 mφ25圓鋼重約 3.86 kg,避雷塔圓鋼總長(zhǎng)度應(yīng)為 800 kg/3.86 kg=207 m,避雷塔總表面積 =207×0.025×3.14=16.25 m2,單面受風(fēng)面積 =16.25÷2÷3=2.71 m2。

風(fēng)荷載計(jì)算。查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖,得貴州ω0≈0.3kpa,查表得:

ψz=0.21(z/H取 0.5,頂部寬度 /底部寬度取表中最小值 0.2)。

根據(jù)公式 (2)計(jì)算,μzB=1.14。按擋風(fēng)系數(shù)φ=0.5查表得角鋼塔架的μs=1.6,則此避雷塔的μs=1.6 ×0.8=1.28(μzω0d2≤0.002,d為圓鋼直徑);根據(jù)公式 (3)計(jì)算 ,得βz=1.288。將代入公式 (1)得該避雷塔所受的基本風(fēng)荷載:

避雷塔所受到的風(fēng)壓力:

F=單面受風(fēng)面積 ×基本風(fēng)荷載ωk=1.91 KN。

4避雷塔力學(xué)分析

如圖 1示意,假設(shè)風(fēng)為西風(fēng),則風(fēng)壓力 F、重力G的受力支點(diǎn)在避雷塔基礎(chǔ)最東端。即風(fēng)壓力力臂為 15 m,重力力臂為 2 m。則風(fēng)荷載力矩:

圖 1 受力示意

由此可知,重力力矩M2>風(fēng)荷載力矩M1,避雷塔所受合力矩M3為 816.18KN·m,方向朝地面向下,與重力 G成一夾角α,α≈ 2°(arctan(28.65/815.68))。所以避雷塔不會(huì)被風(fēng)荷載掀翻。

5 結(jié)語

①在實(shí)際設(shè)計(jì)、安裝避雷塔、風(fēng)塔等柔性構(gòu)筑物時(shí),必須考慮風(fēng)荷載的影響。對(duì)避雷塔風(fēng)荷載進(jìn)行認(rèn)真分析,是科學(xué)設(shè)計(jì)避雷塔基礎(chǔ)的前提。只要風(fēng)荷載分析準(zhǔn)確,保證避雷塔不會(huì)被風(fēng)荷載掀翻,可靈活設(shè)計(jì)避雷塔基礎(chǔ),為實(shí)際安裝節(jié)約人力、物力,達(dá)到最佳“性價(jià)比”。

②一地避雷塔所受風(fēng)荷載的大小,主要取決于該地基本風(fēng)壓的大小。而基本風(fēng)壓的大小主要取決于該地一定重現(xiàn)期內(nèi) 10min平均最大風(fēng)速。所以避雷塔所受風(fēng)荷載的大小主要取決于該地一定重現(xiàn)期內(nèi) 10min平均最大風(fēng)速。風(fēng)速越大,風(fēng)荷載越大。

③擋風(fēng)系數(shù)的計(jì)算比較復(fù)雜,用擋風(fēng)系數(shù)查算風(fēng)載體型系數(shù)時(shí),本例為了簡(jiǎn)化計(jì)算,直接取擋風(fēng)系數(shù)為 0.5。在實(shí)際操作中,應(yīng)參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算,以使風(fēng)載體型系數(shù)的取值更加準(zhǔn)確。

[1] GB50009—2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] 朱瑞兆,譚冠日,王石立 .應(yīng)用氣候?qū)W概論[M].北京:氣象出版社,2005.

[3] JGJ130—2001.建筑施工扣件式腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].

T M862

B

1003-6598(2011)01-0052-02

2011-01-05

舒興武 (1974-),男,工程師,主要從事公共氣象服務(wù)業(yè)務(wù)及其管理工作。