摘 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101m、109m。避雷塔為正方形空間管桁架結(jié)構(gòu)，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(shè)高度5m的避雷針。
圖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。
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(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，我國將地貌按地面粗糙度分為A、B、C、D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：
表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ㄖY(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。
表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2、3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。
表4 主要計(jì)算結(jié)果列表
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)深埋或大開挖需要止水、圍護(hù)，施工難度大，造價(jià)高。
圖5 方案一：獨(dú)立式樁基承臺(tái)方案
圖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題。表5列出了不同基礎(chǔ)方案下的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比。
表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) 論
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)過程中，必須保證安全、可靠。
參考文獻(xiàn)
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（總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100028）
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