　　国际照明委员会（CIE）定义高度在20m或以上者为高杆照明系统，可升降高杆照明系统通常在国内称为升降式高杆照明灯。升降式高杆灯广泛用于城市广场、车站、码头、货场、公路、体育场、立交桥等户外大面积照明场所。在这些公共地方使用的大型灯具，安全性是特别重要的。然而，在台风等恶劣天气中，有时候发生高杆灯倒塌事故，造成倒塌的原因往往是高杆灯灯杆强度不足，部分厂家进行高杆灯设计时没有进行强度校核或以低于10级台风的要求进行校核。关于升降式高杆照明灯的灯杆结构强度验算，我国目前暂无具体的详细规范，只是在城镇建设行业标准《CJ/T 3076-1998高杆照明设施技术条件》中指出：升降式高杆照明灯设施的抗风压设计应符合《GBJ9-87 建筑结构荷载规范》和《GBJ135-90 高耸结构设计规范》的有关规定。

下文介绍一种通过进行力学分析来验算电动升降式高杆照明灯的灯杆强度的模型。

1.电动升降式高杆照明灯杆的设计概况

如图1，升降式圆盘形高杆灯，灯盘最大直径Φ=2.84 m，灯杆高度H=30 m，灯杆选用Q235

钢板压制焊接成型，梢径d1=0.28 m，根径d2=0.65 m，灯杆分三段，上段和中段壁厚t=8 mm、下段壁厚t=10 mm，采用16 只400 W 高压纳灯，灯盘（含灯具）的投影面积约为3.3 ㎡，灯杆下部开孔320 mm × 1 200 mm，开孔处进行加强处理。

灯盘（含灯具）自重500 kg，灯杆重3300 kg。设计要求可承受12级台风（风速v=35 m/s）。

图1 30米高杆灯简图

2　电动升降式高杆照明灯的结构强度验算

2.1　风载荷ω

作用在高杆灯升降灯杆结构单位面积上的风载荷按以下公式计算：

ω=βzμsμzμrωo （1）

式（1）中：ω——作用在高杆灯升降灯杆结构单位面积上的风载荷，kN/㎡；

ωo——基本风压，kN/㎡；

μs——风载荷体型系数；

μz——z高度处的风压高度变化系数；

βz——z高度处的风振系数；

μr——重现调整系数，一般取μr=1.1。

（1）基本风压ωo

ωo= v2/1600 =352/1600 = 0.765 6（kN/m2）

（v为设计风速）（2）

（2）风载荷体型系数μs

因为升降灯杆ωod =0.7656 ×（0.28+0.65）/2 =0.356>0.015，所以灯杆风载荷体型系数μs 取0.7；而灯具为回转结构加框架，μs取0.9。

（3）风压高度变化系数μz

根据电动升降式高杆照明灯所在区域环境和高杆灯高度，μz按文献[2]表10-4中粗糙度B类选取。

（4）风振系数βz

对于基本自振周期T1大于0.25 s时，应采用风振系数来考虑风压脉动的影响。顶部承重的基本自振周期T1 可按单水箱塔架自振周期公式计算，即

式（3）中： H——灯杆的高度，m;

A——升降灯杆的横截面积，㎡；

I——横截面惯性矩，m4;

m——高度为H的灯体重量，kg；

ρ——升降灯杆的密度，kg/m3，钢材ρ=7 850 kg/m3;

E——弹性模量，Pa，钢材E=2.1 × 105 MPa 。

A= π/4 (D2 - d2) =π/4（0.642 - 0.622）= 0.019 78（㎡）

I= 0.05 ×（D4 - d4） = 0.05 × （0.644 - 0.624） =0.001（m4）

T1=1.65 s > 0.25 s

自立式高耸结构在z高度处的风振系数βz按以下公式计算：

βz=1+ξ·ε1·ε2 （4）

式（4）中：ξ——脉动增大系数；

ε1——风压脉动和风压高度变化的影响系数；

ε2——振型、结构外形影响系数。

根据所设计电动升降式高杆照明灯的情况，在文献[2]查表10-5至10-7，得ξ =2.80 ， 30 米高度处ε1=0.59 ， ε2=0.84，则β30=1+ξ·ε1·ε2=1+2.80×0.59×0.84=2.39；

根据不同高度的ε1 和ε2，求得β25=2.30、β20=2.09、β15=1.81、β10=1.42、β5=1.22，将不同高度的βz列于表1中。

（5）重现调整系数μr，一般取μr=1.1

综上， ω = βzμsμzμrωo = βz×0.7×μz×1.1×0.7656=0.59βz*μz (kN/m2)。

将不同高度处的βz和μz代入上式，求得不同高度处的风压ω分别列于表1中。

注：29.5 m处为灯盘（含灯具）， μs取0.9。

2.2　风力F

F=ωS （S为受风面积）（5）

代入不同高度的风压ω和受风面积S 可以求出不同高度的风力，如表2所示。

2.3　弯矩M

M=FL （L为受力点的高度）（6）

出于安全考虑，假定风力作用在电动升降式高杆照明灯的每段灯杆最高处，如表3所示。

升降灯杆底部的风力总弯矩，为上述7段弯矩之和:

MΣ=M30+ M29.5+ M25+ M20+ M15+ M10+M5=93.0+250.2+83.5+66.2+44.9+23.1+9.0=

569.9（kN·m）。

2.4　危险截面风压弯曲应力σb

危险截面为升降灯杆的底端筋板上部开孔处的截面，其风压弯曲应力σb =MΣ/S（7）

式（7）中：S——危险截面的模数，

S=0.098·(D4 - d4) / D （8）

D——升降灯杆外径，m；

d——升降灯杆内径，m。

对于此升降灯杆，取距离法兰底面向上0.5米处的截面，即D=0.644m，d=0.624 m，S=0.098 × (0.6444 - 0.6244) / 0.644=0.003 103。

将MΣ和S 代入式（7），求得升降灯杆的危险截面风压弯曲应力：

σb = 569.9/0.003103=183 661.0(kN/㎡)=183.66 MPa，Q235钢[σb]=235 MPa，所以σb<[σb] 。

2.5　危险截面风压剪切应力σζ1

σζ1= 2FΣ /A（9）

式（9）中FΣ——作用在升降灯杆（包括灯盘及灯具）的总风力，kN；

A——危险截面的截面积，㎡；

2——安全系数。

对于此升降灯杆，取距离法兰底面向上0.5米处的截面，即D=0.644m，d=0.624 m，则

A = π/4(D2 - d2) =0.019 91㎡

FΣ=F30+F29.5+F25+F20+F15+F10+F5=25.32（kN）

将上述数据代入式（9），得σζ1= 2 × 25.32/0.01991 = 2543.4(kN/㎡)=2.543 MPa

一般许用应力[σζ]=0.5[σb]=117.5MPa>σζ1

以上计算结果表明：弯曲应力和剪切应力均小于允许应力，是安全的。

（电动升降灯杆　控制箱）

3　小结

　　如果在电动升降式高杆照明灯的灯杆结构强度的验算中发现强度不足，应该通过调整设计，如增加升降灯杆的壁厚、加大升降灯杆的直径等，以满足安全需求，不应明知强度不足而为了节约成本而不改良设计；同理，如果在升降灯杆的结构强度验算中发现强度远大于所需的安全要求，在满足安全需求的前提下，可以通过调整设计，如减少升降灯杆的壁厚、缩小升降灯杆的直径等，以降低成本。上述例子的电动升降式高杆照明灯，在阳江核电站内使用多年，经受过多次强台风的考验，目前使用正常。实践证明，以上电动升降式高杆照明灯的计算模型是科学的、实用的。

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电动升降式高杆灯灯杆的设计力学分析 盖洛科技

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