獨立避雷塔風荷載分析

舒興武,羅建國,姜 榮,羅明權

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

獨立避雷塔風荷載分析

舒興武1,羅建國1,姜 榮2,羅明權1

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

介紹了獨立避雷塔風荷載計算的通用方法。利用實例計算分析風荷載對獨立避雷塔的影響,為防雷工程人員設計、安裝獨立避雷塔提供參考。

避雷塔;風荷載計算;分析

1 問題的提出

獨立避雷塔是指安裝在地面、具有獨立接地裝置的直接雷擊防護裝置,主要作用就是接閃雷電并將接閃到的雷電流引導入地,預防雷電擊在所保護的建 (構)筑物或設施上。對于獨立避雷塔的設計安裝其中需要考慮的一個因素就是風荷載,它關系到避雷塔投入使用后是否存在因風速原因造成的風壓過大,出現倒塌事故風險。通常情況下,獨立避雷塔根據其高度、抗風強度,按照標準圖集設計安裝即可,然而,一些設計、施工人員為了最大限度的節約成本,使用材料規格僅能勉強達到標準要求,以致出現安全隱患,如安裝獨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荷載因素,或者就是不會計算獨立避雷塔的風荷載。本文介紹獨立避雷塔風荷載計算方法,目的在于期望以后在工程優化設計、施工的同時,避免因風荷載因素造成避雷塔倒塌事故。

2 風荷載及計算方法

2.1 風荷載

風荷載指的是作用在建 (構)筑物上的穩定風壓和脈動風壓的總和,也就是通常所說的抗風強度參數。該參數被忽略或計算不正確,可能導致建(構)筑物因抗風荷載能力不足而倒塌,甚至出現人身傷亡安全事故。獨立避雷塔是預防直擊雷常用的避雷裝置之一,是典型的高聳結構柔性構筑物,風荷載是影響其安全的重要因素,作為防雷工程設計人員和施工人員都應該掌握該參數的計算方法,并能靈活運用到實踐工作中。

2.2 風荷載計算方法

按《建筑結構荷載規范》(以下簡稱《規范》),避雷塔單位面積所受風荷載按下式計算:

式中:ωk—風荷載標準值 (KN/m2);βz—高度 z處的風振系數;μs—風載體型系數;μz—風壓高度變化系數;ω0—基本風壓 (KN/m2)。

根據基本風壓的取值標準,在比較空曠平坦地面上,離地 10 m高,概率統計所得的 50 a一遇 10 min平均最大風速的風壓,可以從 50 a一遇全國基本風壓分布圖查得。若需 30 a一遇或 100 a一遇風壓,用50 a一遇風壓分別乘以系數 0.91和 1.1即可。

風壓高度變化系數μz,按《建筑結構荷載規范》分 A、B、C、D四種情況,查表得出μz后再乘以修正系數ηB,應用計算起來比較復雜。按朱瑞兆先生研究,實際應用中,根據地面粗糙度及梯度風影響,高度 z處的μz值可近似為:

風載體型系數μs:《建筑結構荷載規范》中列出了 38種不同類型的風載體型系數;實際使用中,避雷塔一般為三角體鋼架,所以應按第 34種 (塔架)中的“三角形風向”查表得出,但應注意分為角鋼塔架和圓鋼塔架兩種情況。至于擋風系數φ,可按照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》查算。

風振系數βz,按《建筑結構荷載規范》,避雷塔在高度 z處的風振系數按下式計算:

式中:ξ—脈動增大系數;ν—脈動影響系數;ψz—振型系數;μz—風壓高度變化系數。

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

3 計算實例

貴州某城市郊區某炸藥庫,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。基礎為 4m×4m×1m(標準圖集為 2 m)的混凝土,基礎自重為 25 KN/m3×16 m3=400 KN。1 mφ25圓鋼重約 3.86 kg,避雷塔圓鋼總長度應為 800 kg/3.86 kg=207 m,避雷塔總表面積 =207×0.025×3.14=16.25 m2,單面受風面積 =16.25÷2÷3=2.71 m2。

風荷載計算。查《建筑結構荷載規范》全國基本風壓分布圖,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)。

根據公式 (2)計算,μzB=1.14。按擋風系數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);根據公式 (3)計算 ,得βz=1.288。將代入公式 (1)得該避雷塔所受的基本風荷載:

避雷塔所受到的風壓力:

F=單面受風面積 ×基本風荷載ωk=1.91 KN。

4避雷塔力學分析

如圖 1示意,假設風為西風,則風壓力 F、重力G的受力支點在避雷塔基礎最東端。即風壓力力臂為 15 m,重力力臂為 2 m。則風荷載力矩:

圖 1 受力示意

由此可知,重力力矩M2>風荷載力矩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))。所以避雷塔不會被風荷載掀翻。

5 結語

①在實際設計、安裝避雷塔、風塔等柔性構筑物時,必須考慮風荷載的影響。對避雷塔風荷載進行認真分析,是科學設計避雷塔基礎的前提。只要風荷載分析準確,保證避雷塔不會被風荷載掀翻,可靈活設計避雷塔基礎,為實際安裝節約人力、物力,達到最佳“性價比”。

②一地避雷塔所受風荷載的大小,主要取決于該地基本風壓的大小。而基本風壓的大小主要取決于該地一定重現期內 10min平均最大風速。所以避雷塔所受風荷載的大小主要取決于該地一定重現期內 10min平均最大風速。風速越大,風荷載越大。

③擋風系數的計算比較復雜,用擋風系數查算風載體型系數時,本例為了簡化計算,直接取擋風系數為 0.5。在實際操作中,應參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》進行計算,以使風載體型系數的取值更加準確。

[1] GB50009—2001.建筑結構荷載規范[S].

[2] 朱瑞兆,譚冠日,王石立 .應用氣候學概論[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規范[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業務及其管理工作。