路燈設(shè)計趨勢及靜力學設(shè)計

陳庚 成都石室中學北湖校區(qū)

1.路燈設(shè)計概述

路燈在設(shè)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(jié)果；同時，路燈在設(shè)計時要考慮實際的應用環(huán)境。由于使用的廣泛性，路燈工作環(huán)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(shè)計路燈的時候要考慮外部環(huán)境因素對燈的影響，提高使用的耐用性。

路燈由于長期連續(xù)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(shè)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(shè)計取材也是至關(guān)重要的。目前使用的是透明有機玻璃，PC材料等。傳統(tǒng)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(nèi)，因為塑料燈罩會在惡劣的環(huán)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(cè)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(yōu)點是成本較低，施工相對簡單，缺點是不設(shè)置燈一側(cè)的路面亮度，比設(shè)置燈的一側(cè)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(yōu)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(shè)計原則

路燈的力學設(shè)計需是要考慮的關(guān)鍵問題，力學合理性同時也影響到安全性，影響力學穩(wěn)定性的因素包括路燈安裝高度—重心、懸臂長度及仰角—扭轉(zhuǎn)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(cè)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(xié)調(diào)。

（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(fā)展趨勢

智能化已經(jīng)成為科技發(fā)展的潮流與趨勢，商家們總是不斷的進行技術(shù)改進，以便用更高科技、更加便捷化操作的智能化產(chǎn)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(zhì)量，于是智能化產(chǎn)品就更加受消費者追捧。路燈智能化設(shè)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(jié)能燈、Wi-Fi、智能攝像頭、LED顯示屏、報警系統(tǒng)等裝備，形成了除了照明之外的綜合化功能。

路燈的設(shè)計集成了越來越多的功能。體現(xiàn)在其能夠收集各類型的城市數(shù)據(jù)等擴展化應用,例如天氣資料收集一天內(nèi)的微氣候變換可以被監(jiān)測,交通資料收集則有助于調(diào)控交通信號燈、利于疏導人流車流等,無線網(wǎng)絡(luò)功能可提供WiFi熱點及5G小基站等。這就大大擴展了路燈設(shè)計的領(lǐng)域。

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

4. 抗風設(shè)計

力學上除了靜態(tài)時的穩(wěn)定性，還要考慮非常常見的有風干擾時的力學穩(wěn)定性。按照抗風設(shè)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(chǎn)生影響，不同的形狀，其面積也不一樣。大風產(chǎn)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(tài)變化：

這里采用近似計算。假設(shè)燈的截面是幾何對稱的，風力對基礎(chǔ)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(shè)每個燈桿受到的重力為F，根據(jù)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(fā)生傾斜徐滿足力矩的平衡條件：

假設(shè)有風時，風力在燈桿上產(chǎn)生的力矩為M風

則有：

如果發(fā)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(fā)生了變化。

根據(jù)力學分析，我們可以看出，燈桿在未發(fā)生傾斜前，其靜力學平衡，燈的左右兩側(cè)受到地面的反作用力，在燈桿發(fā)生傾斜后力量發(fā)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(chǔ)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(wěn)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(chǔ)螺桿的許用拉力。假定在路燈燈桿本身不發(fā)生變形破壞、基礎(chǔ)混凝土強度足夠、基礎(chǔ)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(wěn)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(diào)研，我們常常會發(fā)現(xiàn)，原先建設(shè)階段均調(diào)試到位的路燈經(jīng)過一兩年的運行后，常常出現(xiàn)燈桿傾斜的現(xiàn)象，在燈桿傾斜到一定程度后基本就看不出繼續(xù)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(xiàn)燈桿傾倒現(xiàn)象。但是建設(shè)在高架擋墻的路燈從來沒有出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)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(chǎn)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(shè)的，新建道路在機非分隔帶，或者中央綠化帶，通常經(jīng)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(shè)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(chǔ)制作完成后，基礎(chǔ)周邊的土質(zhì)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(chǔ)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(chǔ)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(cè)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(chǔ)周圍起一定的穩(wěn)固作用，所以這些地方安裝的路燈很少發(fā)生歪斜的現(xiàn)象。

6.3 地下力學原因。由于基礎(chǔ)本身的混凝土強度不夠?qū)е碌孛嬉韵麻_裂、地面以下受力出現(xiàn)變化，受力平衡點達到臨界的情況，導致力學不穩(wěn)定而產(chǎn)生移位，這些都會導致燈桿主體出現(xiàn)松動、旋轉(zhuǎn)甚至被拔出的現(xiàn)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(fā)生形變。隨著時間的變長，或未按要求設(shè)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(zhì)量較差的螺桿，加上后期維護保養(yǎng)不到位，螺桿銹蝕嚴重，會帶來燈桿在受到?jīng)_擊力的情況下逐漸失穩(wěn)，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(jié)構(gòu)原因。這種原因也比較多見，表現(xiàn)為燈桿結(jié)構(gòu)上的不盡合理，未達到力學設(shè)計要求，或者存在力學薄弱環(huán)節(jié)，這些都會造成燈桿不穩(wěn)傾斜。

7. 對基礎(chǔ)螺桿受力分析的意義

經(jīng)過路燈燈桿進行受力分析，我們可以從設(shè)計角度出發(fā)，從最大限度地提高安全系數(shù)的角度出發(fā)，通過地面路面材料設(shè)計加強地面支撐力的設(shè)計力度。其次，通過地面以下優(yōu)化設(shè)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(shè)計重點，在于對地面以上的燈桿的力學設(shè)計，包括采用輕質(zhì)材料降低重心減小轉(zhuǎn)動力矩；加強地面以上部分的力學設(shè)計，比如燈罩和燈桿之間的重力分配，以及形狀設(shè)計。

地面采用螺釘緊固，增加螺釘數(shù)量，一減輕單個螺釘?shù)氖芰Γ乐故芰ψ饔迷趥€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(shè)計，一方面減小了單個的受力大小，也使得單個螺釘?shù)氖φ麄€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(yōu)化路燈的設(shè)計過程，減少不必要的過設(shè)計，同時提高使用的安全性，對力學的認識，也可以創(chuàng)新路燈造型的變化，給城市增添一抹亮色。