独立避雷塔风荷载分析

舒兴武,罗建国,姜 荣,罗明权

(1.贵州省长顺县气象局,贵州 长顺 550700;2.贵州省贞丰县气象局,贵州 贞丰 562200)

独立避雷塔风荷载分析

舒兴武1,罗建国1,姜 荣2,罗明权1

(1.贵州省长顺县气象局,贵州 长顺 550700;2.贵州省贞丰县气象局,贵州 贞丰 562200)

介绍了独立避雷塔风荷载计算的通用方法。利用实例计算分析风荷载对独立避雷塔的影响,为防雷工程人员设计、安装独立避雷塔提供参考。

避雷塔;风荷载计算;分析

1 问题的提出

独立避雷塔是指安装在地面、具有独立接地装置的直接雷击防护装置,主要作用就是接闪雷电并将接闪到的雷电流引导入地,预防雷电击在所保护的建 (构)筑物或设施上。对于独立避雷塔的设计安装其中需要考虑的一个因素就是风荷载,它关系到避雷塔投入使用后是否存在因风速原因造成的风压过大,出现倒塌事故风险。通常情况下,独立避雷塔根据其高度、抗风强度,按照标准图集设计安装即可,然而,一些设计、施工人员为了最大限度的节约成本,使用材料规格仅能勉强达到标准要求,以致出现安全隐患,如安装独立避雷塔后在塔身中间增加斜拉线固定塔身,既影响美观、又因斜拉线带来其他事故隐患,甚至因风速过大造成避雷塔被吹到事件。究其原因就是没有考虑到避雷塔风荷载因素,或者就是不会计算独立避雷塔的风荷载。本文介绍独立避雷塔风荷载计算方法,目的在于期望以后在工程优化设计、施工的同时,避免因风荷载因素造成避雷塔倒塌事故。

2 风荷载及计算方法

2.1 风荷载

风荷载指的是作用在建 (构)筑物上的稳定风压和脉动风压的总和,也就是通常所说的抗风强度参数。该参数被忽略或计算不正确,可能导致建(构)筑物因抗风荷载能力不足而倒塌,甚至出现人身伤亡安全事故。独立避雷塔是预防直击雷常用的避雷装置之一,是典型的高耸结构柔性构筑物,风荷载是影响其安全的重要因素,作为防雷工程设计人员和施工人员都应该掌握该参数的计算方法,并能灵活运用到实践工作中。

2.2 风荷载计算方法

按《建筑结构荷载规范》(以下简称《规范》),避雷塔单位面积所受风荷载按下式计算:

式中:ωk—风荷载标准值 (KN/m2);βz—高度 z处的风振系数;μs—风载体型系数;μz—风压高度变化系数;ω0—基本风压 (KN/m2)。

根据基本风压的取值标准,在比较空旷平坦地面上,离地 10 m高,概率统计所得的 50 a一遇 10 min平均最大风速的风压,可以从 50 a一遇全国基本风压分布图查得。若需 30 a一遇或 100 a一遇风压,用50 a一遇风压分别乘以系数 0.91和 1.1即可。

风压高度变化系数μz,按《建筑结构荷载规范》分 A、B、C、D四种情况,查表得出μz后再乘以修正系数ηB,应用计算起来比较复杂。按朱瑞兆先生研究,实际应用中,根据地面粗糙度及梯度风影响,高度 z处的μz值可近似为:

风载体型系数μs:《建筑结构荷载规范》中列出了 38种不同类型的风载体型系数;实际使用中,避雷塔一般为三角体钢架,所以应按第 34种 (塔架)中的“三角形风向”查表得出,但应注意分为角钢塔架和圆钢塔架两种情况。至于挡风系数φ,可按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》查算。

风振系数βz,按《建筑结构荷载规范》,避雷塔在高度 z处的风振系数按下式计算:

式中:ξ—脉动增大系数;ν—脉动影响系数;ψz—振型系数;μz—风压高度变化系数。

ξ可直接查表求得;关于ν,查表求得ν值后再乘以修正系数θB和θv;至于ψz,对于避雷塔,可只考虑第一振型影响,根据相对高度 z/H(z为风荷载作用高度,H为塔总高度)查表可得。

3 计算实例

贵州某城市郊区某炸药库,安装有 30 m高避雷塔。塔重 800kg(7.84 KN,g=9.8 m/s2),塔身全部由φ25圆钢焊接而成。基础为 4m×4m×1m(标准图集为 2 m)的混凝土,基础自重为 25 KN/m3×16 m3=400 KN。1 mφ25圆钢重约 3.86 kg,避雷塔圆钢总长度应为 800 kg/3.86 kg=207 m,避雷塔总表面积 =207×0.025×3.14=16.25 m2,单面受风面积 =16.25÷2÷3=2.71 m2。

风荷载计算。查《建筑结构荷载规范》全国基本风压分布图,得贵州ω0≈0.3kpa,查表得:

ψz=0.21(z/H取 0.5,顶部宽度 /底部宽度取表中最小值 0.2)。

根据公式 (2)计算,μzB=1.14。按挡风系数φ=0.5查表得角钢塔架的μs=1.6,则此避雷塔的μs=1.6 ×0.8=1.28(μzω0d2≤0.002,d为圆钢直径);根据公式 (3)计算 ,得βz=1.288。将代入公式 (1)得该避雷塔所受的基本风荷载:

避雷塔所受到的风压力:

F=单面受风面积 ×基本风荷载ωk=1.91 KN。

4避雷塔力学分析

如图 1示意,假设风为西风,则风压力 F、重力G的受力支点在避雷塔基础最东端。即风压力力臂为 15 m,重力力臂为 2 m。则风荷载力矩:

图 1 受力示意

由此可知,重力力矩M2>风荷载力矩M1,避雷塔所受合力矩M3为 816.18KN·m,方向朝地面向下,与重力 G成一夹角α,α≈ 2°(arctan(28.65/815.68))。所以避雷塔不会被风荷载掀翻。

5 结语

①在实际设计、安装避雷塔、风塔等柔性构筑物时,必须考虑风荷载的影响。对避雷塔风荷载进行认真分析,是科学设计避雷塔基础的前提。只要风荷载分析准确,保证避雷塔不会被风荷载掀翻,可灵活设计避雷塔基础,为实际安装节约人力、物力,达到最佳“性价比”。

②一地避雷塔所受风荷载的大小,主要取决于该地基本风压的大小。而基本风压的大小主要取决于该地一定重现期内 10min平均最大风速。所以避雷塔所受风荷载的大小主要取决于该地一定重现期内 10min平均最大风速。风速越大,风荷载越大。

③挡风系数的计算比较复杂,用挡风系数查算风载体型系数时,本例为了简化计算,直接取挡风系数为 0.5。在实际操作中,应参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》进行计算,以使风载体型系数的取值更加准确。

[1] GB50009—2001.建筑结构荷载规范[S].

[2] 朱瑞兆,谭冠日,王石立 .应用气候学概论[M].北京:气象出版社,2005.

[3] JGJ130—2001.建筑施工扣件式脚手架安全技术规范[S].

T M862

B

1003-6598(2011)01-0052-02

2011-01-05

舒兴武 (1974-),男,工程师,主要从事公共气象服务业务及其管理工作。