高杆灯受力性能计算与分析报告

高杆灯受力性能计算与分析报告
作者：叶烨
来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》2012年第02期
摘要：高杆灯受力分析是比较复杂的工程，本文章对高杆灯受力进行了详细分析及阐述，也提出了高杆灯受损以后的加固措施。

关键词：高杆灯受力分析高杆灯加固措施
1 工程概况
该高杆灯于2006年开始工作，灯杆由上下两部分结构组成为：下部分从砼基础顶至地面2m高处为Φ630x10钢管，上部分从2m 至25m高处为Φ406x8钢管，材质均为Q235B。

上下两部分用法兰连接，灯具及其顶部的避雷针详图见甲方提供的设计图。

2009年1月发生断裂，断裂发生在该高杆灯2.15m高变截面靠近法兰处。

破坏情况如下附图一：
2 计算（计算软件为midas Gen730）
2.1 高杆灯荷载计算
高杆灯的垂直荷载主要是灯杆杆体和灯具自重；水平荷载主要是风荷载。

根据灯杆加工图纸：灯具自重：4.65kN。

风荷载计算结果见表：
2.2 高杆灯内力分析
高杆灯的钢支杆是按底端固定、顶端自由的悬臂杆件计算，内力分析比较明确。

但由于竖向单悬臂杆件受水平向风荷载作用，使杆件产生挠曲弹性变形后，使杆身与灯头自重的竖向力对杆轴线处产生二次弯矩。

灯头挡风投影面积为：3.3x0.49x0.9=1.46m2
各项系数近似地取25m高度处系数。

灯头集中风力Pw=1.2x1.46=1.75kN
2.2.1 计算结果见表
2.2.2 钢支杆底端初级弯矩M=1.4x136.64=191.29kN·m
底端水平剪力vo=47.07kN
灯杆弹性变位产生的附加弯矩：
WT=4.65×1.2＝5.58kN
Me=WTe0+PWd0=5.58x0.025＋1.75x0.75=1.45kN·m
Mg(δ)=■[60MeH(2H-z)+20H×PW(3H2-z2)+PW(15H4-5Hz3+z4)]=9.31kN·m(z=22.55m) Kδ=■1.04
Mg(δ)——由于灯杆产生弹性变形后，灯头重t在计算截面，处引起的附加弯矩
Kδ——由于灯杆产生弹性变形的灯头重量引起的附加弯矩
高阶影响系数。

总附加弯矩：1.04x9.31=9.65kN·m
总弯矩：191.29＋9.65=200.94kN·m
2.2.3 截面特性
Φ406x8钢管：A=100.028cm2
IX=19814.107cm4
W1X=■×2=■×2=976.1cm3
2.2.4 钢支杆强度验算
计算：正应力：
σ=■?芎■=■?芎■=-208.55MPa
剪应力：τ=0.012MPa
主应力：σ0=■=208.55
计算满足要求。

2.2.5 验算弯距作用平面内的稳定：
λx=■=322.6>[λ]=150
φA=0.82（见《钢结构设计规范》P132页）；
NBA=■=■=19521.8kN
■+■=■+■=209.14
满足计算要求。

参见《高耸结构计算手册》国外的高杆灯杆径均较细，λ值均在200以上。

λ>250的钢支杆，并没有发生失稳破坏，因此高杆灯的钢支杆λ需进一步探讨。

3 高杆灯断裂原因分析
3.1 依据我们的计算分析及中国科学院金属研究所失效分析中心出具的《高杆灯灯杆断裂分析报告》中对灯杆断面的检测分析，其断口为疲劳断口；可能是灯杆由于受风荷载引起共振，产生疲劳破坏。

3.2 依据《钢结构设计规范》建议常年工作温度在-20℃～-40℃的灯杆材质最好选择
Q235C。

4 加固措施：建议采用下述方法
方法一：在原灯杆变截面处外贴钢板；
方法二：在原灯杆底部灌注混凝土；
方法三：使原灯杆变截面处的加劲肋加高，提高灯杆的惯性矩。

据现场实际情况及各种因素决定，方法一比较可行。

方法一计算如下：
外贴钢板厚t=8mm；A0=100.028+3×■×0.8×(40.6+0.8×2)=153.03cm2
I0=19814.107+11362.5=31176.64cm4
W1X=■×2=■×2=1477.6cm3
强度验算：
σ1=■-■=■-■
=-137.08
σ2=■+■=■+■=136
稳定验算：
λx=■=317.5
φx=0.083
NEA=■=■=3083.3KN
■+■=■+
■=157.2＜f=215
疲劳分析：
△σ=-137.8-136=273.8
△σ——应力幅
假设△σ为容许应力幅[△σ]；
[ △σ]=（■）■
查表：c=861×1012；β=4；
算得：n=153203次（n——应力循环次数）
根据midas Gen计算灯杆周期T=1.5338；
一天24小时内算得n0=56176次
所以满足要求。

假设外贴钢板贴0.75m高：
M＝1/2×0.18×21.82+1/2×2/3×(0.49-0.18)×21.82+1.75×22.55=131.34KNm M0=1.4×131.34=183.9KNm
Mg(δ)=9.90KNm
M总=183.9+9.90=193.8KNm
强度、稳定达到限值时计算出弯矩M=232KNm>193.8KNm
所以满足要求。

综上所述：
通过对高杆灯加固后强度、稳定、疲劳的计算，使其加固后在正常维护（防腐蚀）下满足理论使用寿命50年年限。