路燈設計趨勢及靜力學設計

陳庚 成都石室中學北湖校區

1.路燈設計概述

路燈在設計時應該考慮材料、成本、工藝、美觀、功能性、維修性、耐用性等實際因素，而最后的路燈實施方案，是這些因素平衡綜合平衡的結果；同時，路燈在設計時要考慮實際的應用環境。由于使用的廣泛性，路燈工作環境比較復雜，受到不同溫度、濕度、水霧雨水、沙塵大風等自然條件的影響，時間一長就會導致嚴重的問題，所以在設計路燈的時候要考慮外部環境因素對燈的影響，提高使用的耐用性。

路燈由于長期連續工作，還需考慮在散熱方式，材料選擇方面應該注意外殼和散熱器的設計。一般選用鋁或鋁合金，以及導熱性良好的其他合金。散熱有空氣對流散熱，強風冷卻散熱和熱管散熱。選擇什么樣的散熱方式，對燈具有直接影響，要綜合考慮，材料的力學特性要同時考慮進來。燈罩的設計取材也是至關重要的。目前使用的是透明有機玻璃，PC材料等。傳統的燈罩是透明的玻璃制品，一般來說戶外的燈具都采用玻璃制品的，因為玻璃燈罩的壽命和抗腐蝕能力

是最強的，另一方面，玻璃的透光性很好，而塑料燈罩只能安裝在室內，因為塑料燈罩會在惡劣的環境中受到很大的影響，例如塵沙，光照和雨水等因素使燈罩老化嚴重，而且難以清洗，減少光線輸出。

路燈的布置是整體效果中重點考慮的問題，單側布置—適用于比較窄的路，這種方式要求燈具的安裝高度等于或大于路面寬度。優點是成本較低，施工相對簡單，缺點是不設置燈一側的路面亮度，比設置燈的一側低。

交錯布置—要求燈具的安裝高度不小于路面有效寬度的0.7倍。缺點是亮度縱向均勻度較差，路面光線過渡不夠柔和優點是美觀，照度很好。對稱布置要求燈具的安裝高度不小于路面有效寬度的一半。

2.路燈力學設計原則

路燈的力學設計需是要考慮的關鍵問題，力學合理性同時也影響到安全性，影響力學穩定性的因素包括路燈安裝高度—重心、懸臂長度及仰角—扭轉力矩的合理選擇。

2.1 懸臂長度不宜超過安裝高度的1/4

懸臂過長帶來的影響：

（1）降低裝燈一側人行道及路緣石的亮度（照度）。

（2）懸臂的機械強度要求變高，影響使用壽命。

（3）影響美觀，造成懸臂與燈桿之間的比例不協調。

（4）造價會增高。

2.2 仰角：燈具的仰角不宜超過15度

燈具的安裝仰角是為了增加燈具對路面橫向的照射范圍。過大會造成增加眩光，慢車道和人行道的亮度降低。

3.智能化發展趨勢

智能化已經成為科技發展的潮流與趨勢，商家們總是不斷的進行技術改進，以便用更高科技、更加便捷化操作的智能化產品吸引我們，如今，隨處可見的智能工具，大大的方便了我們的生活，提高了我們的生活質量，于是智能化產品就更加受消費者追捧。路燈智能化設計延伸了提供照明的。于是，路燈除了最基本的照明功能外，還集合了LED節能燈、Wi-Fi、智能攝像頭、LED顯示屏、報警系統等裝備，形成了除了照明之外的綜合化功能。

路燈的設計集成了越來越多的功能。體現在其能夠收集各類型的城市數據等擴展化應用,例如天氣資料收集一天內的微氣候變換可以被監測,交通資料收集則有助于調控交通信號燈、利于疏導人流車流等,無線網絡功能可提供WiFi熱點及5G小基站等。這就大大擴展了路燈設計的領域。

由此看來，智能路燈設計與應用是社會范疇，它關乎著提高城市或國家公共服務的效率與便民性，展示著國家精神的面貌。

4. 抗風設計

力學上除了靜態時的穩定性，還要考慮非常常見的有風干擾時的力學穩定性。按照抗風設計原則，風速及風壓為都要考慮。燈桿的形狀會對迎風面積產生影響，不同的形狀，其面積也不一樣。大風產生的氣流對燈桿的扭矩隨燈桿截面不同和高度不同而動態變化：

這里采用近似計算。假設燈的截面是幾何對稱的，風力對基礎的著力點近似為上下迎風面積相等的位置受力，燈受地面的作用力表示為F2與F3，燈罩與燈的重力為F1，假設每個燈桿受到的重力為F，根據作用力與反作用力，地面對燈在豎直方向上的反作用力也為F，可以得到如下的受力分析方程：

而燈不發生傾斜徐滿足力矩的平衡條件：

假設有風時，風力在燈桿上產生的力矩為M風

則有：

如果發生傾斜而未傾倒，那么仍必須滿足靜力學平衡，但力量大小發生了變化。

根據力學分析，我們可以看出，燈桿在未發生傾斜前，其靜力學平衡，燈的左右兩側受到地面的反作用力，在燈桿發生傾斜后力量發生變化，其扭矩和各力的大小需要同時滿足：

力在豎直方向平衡；

力在水平方向平衡；

力矩平衡；

受力的極限情況是力矩不再能夠得到平衡，因此達到臨界點以后，燈的傾斜程度會加大。挑臂和燈具重量導致的傾覆力矩對燈桿基礎的影響很小暫時不予考慮。燈桿受到的風力為均布載荷，燈桿承受的拉力為均勻受力。

5. 燈桿力學穩定性評價

作為合理的近似計算，路燈受風力的情況下，燈桿實際受到的瞬間拉力遠小于基礎螺桿的許用拉力。假定在路燈燈桿本身不發生變形破壞、基礎混凝土強度足夠、基礎坑壓實度達到安全要求的前提下，要求是安全的。那么就要保證一定傾斜程度時仍然力學穩定。

6. 常見路燈傾斜原因力學分析

通過對城市多個路燈的調研，我們常常會發現，原先建設階段均調試到位的路燈經過一兩年的運行后，常常出現燈桿傾斜的現象，在燈桿傾斜到一定程度后基本就看不出繼續擴大的跡象，除非遇到惡劣天氣的影響會進一步傾斜甚至出現燈桿傾倒現象。但是建設在高架擋墻的路燈從來沒有出現傾斜的現象，甚至燈桿被撞折斷了燈桿法蘭根部依然牢牢的固定在水平地面上。分析原因，不外乎以下幾個方面。

6.1 地面力學原因。地面的硬化與燈桿一體固化，產生很大的支撐力，通常道路照明工程都是跟著道路工程同步建設的，新建道路在機非分隔帶，或者中央綠化帶，通常經過土方開挖然后和綠化土回填的過程，重新回填的綠化土一般只做整平，不做壓實處理，而路燈燈位設計一般都會選擇這兩個地方，這就導致新的路燈基坑開挖和基礎制作完成后，基礎周邊的土質壓實度不能滿足要求，不能再力學上提供足夠的支撐力。

6.2 而且一般路燈施工很少會對基礎位置泥土進行充分壓實處理，這就導致路燈安裝到位后，隨著基礎周圍泥土的沉降和路燈受風力影響不斷搖晃，燈桿開始慢慢向一側傾斜。在人行道或有鋪裝的路面安裝的路燈，因人行道路基均進行了一定的壓實處理，鋪裝完成后也會對基礎周圍起一定的穩固作用，所以這些地方安裝的路燈很少發生歪斜的現象。

6.3 地下力學原因。由于基礎本身的混凝土強度不夠導致地面以下開裂、地面以下受力出現變化，受力平衡點達到臨界的情況，導致力學不穩定而產生移位，這些都會導致燈桿主體出現松動、旋轉甚至被拔出的現象。

6.4 燈桿力學原因。安裝初期燈桿歪斜較少，一般原因是螺桿螺母緊固到位，各處還未長期受力而發生形變。隨著時間的變長，或未按要求設置墊片和雙螺母，或則野蠻施工導致其中一個或兩個螺桿斷裂后未即使修復，或者采用質量較差的螺桿，加上后期維護保養不到位，螺桿銹蝕嚴重，會帶來燈桿在受到沖擊力的情況下逐漸失穩，傾斜角度不斷擴大，最后完全失去平衡而使燈桿倒地。

6.5 燈桿結構原因。這種原因也比較多見，表現為燈桿結構上的不盡合理，未達到力學設計要求，或者存在力學薄弱環節，這些都會造成燈桿不穩傾斜。

7. 對基礎螺桿受力分析的意義

經過路燈燈桿進行受力分析，我們可以從設計角度出發，從最大限度地提高安全系數的角度出發，通過地面路面材料設計加強地面支撐力的設計力度。其次，通過地面以下優化設計，主要包括地面以下的施工材料的強度和耐腐蝕性，以提高使用的時間和可靠性。

主要的設計重點，在于對地面以上的燈桿的力學設計，包括采用輕質材料降低重心減小轉動力矩；加強地面以上部分的力學設計，比如燈罩和燈桿之間的重力分配，以及形狀設計。

地面采用螺釘緊固，增加螺釘數量，一減輕單個螺釘的受力，防止受力作用在個別螺釘上長期應力造成的破壞，增加螺釘相當于采取了冗余設計，一方面減小了單個的受力大小，也使得單個螺釘的失效對整個力學平衡帶來的災難性影響。

對螺釘受力的分析，可以知道我們更好的優化路燈的設計過程，減少不必要的過設計，同時提高使用的安全性，對力學的認識，也可以創新路燈造型的變化，給城市增添一抹亮色。