关于雷达天线风荷载的几个问题概要

关于雷达天线风荷载的几个问题
摘要：参照建筑结构物风压计算的有关公式，着重就地面雷达天线的风压及设计风速时距问题提出推荐性意见，并简要讨论天线结构的抗风问题。

关键词：雷达天线；风荷载；问题
1 引言
对于天线来说，最主要的荷载是风压。

风荷载是一种具有随机性的动荷载，在某一地点，它们是时间t和坐标x（高度）的随机函数，而且往往具有非平稳性。

近几年来，国内外利用随机函数理论来研究随机荷载作用下结构的振动，但因为随机性相当复杂，在解决实际问题时不得不予以适当简化。

文章主要就雷达天线承受的荷载、天线系统风速值的确定和天线结构设计需注意的几个问题进行讨论。

2 建筑物及天线承受的荷载计算
通常认为随机荷载q(x,t)=q(x)ξ(t)=q(x)〔ξ0(t)+mξ(t)〕，其中，q(x)是x的非随机函数，mξ(t)为随机过程ξ(t)的数学期望（平均值），而ξ0(t)为其中心化随机过程。

这时，荷载可分解为两部分：第一部分q(x)ξ0(t)是数学期望恒等于零的随机荷载，第二部分
q(x)mξ(t)是非随机荷载。

第一部分称为脉动风压，是动荷载；第二部分称为平均风压（稳定风压），是静荷载。

稳定风压的计算式q静=k1k2q0，其中q0为基本风压，可由稳态风速计算得到；k1为构件风压体型系数，可由风洞试验测定；k2为风压高度变化系数。

脉动风压的计算式q动=rq静
ξ(t)，式中r为不同高度处脉动风压的标准离差与平均风压之比，高度小于20m，r=0.12～
0.16；高度大于20m时，为平均值mξ=0标准离差σξ=1的平稳过程。

对于自振周期较短以及高度较低的结构，其脉动风压在结构中引起的反应极小。

因此，一般只考虑稳定风压的静力作用，按静力方法计算即可。

但是，对于自振周期较长以及高耸的结构则必须考虑脉动风压的动力作用。

由于风压的随机性以及结构外形的特殊，精确的动力计算是比较困难的，一般均采取简化的办法，按单质点系或折算成单质点系，将动力折算成静力来计算，即用一个风压脉动增值来计入脉动风压的动力作用。

风压脉动增值β可以参照建筑结构设计常用公式计算：β=1+mξ，式中ξ为与结构自振周期T和阻尼对数缩减有关的动力系数，m为风压脉动系数。

工业与民用建筑荷载规范已对ξ 、m值有规定，详见表1和表2。

对于天线转动线速度较大的情况，应计入附加风速的影响。

3 天线系统风速值的确定
无论计入或不计入动力作用的风压值，结构计算时均取决于稳定风压的数值，而稳定风
压值又决定于基本风压值，基本风压值决定于标准稳态风速值。

因此，风速标准值的选取就显得特别重要。

尽管会提出设计风速的要求，但是，用何种时距计算基本风压，同样存在选取问题。

工业与民用建筑荷载规范把三十年一遇、离地十米高度处的十分钟平均风速作为计算基本风压的风速。

这种规定，对于绝大多数建筑结构来说是适合的。

因为最大瞬时风速的作用时间极短，在平稳过程中出现的概率也极小，由于结构的惯性，结构对瞬时风压的反应是不易发生的。

建筑结构质量较大，阻尼也大，呈现动力反映的时间也较长，故取十分钟时距是可以的。

实践证明，十分钟平均风速的大小与建筑物的被毁有明显的关系，而与最大瞬时风速无太大的关系。

例如，1966年8月28日，塘沽地区记载瞬时风速达48.7m/s，未造成事故。

而1967年7月15日瞬时风速为37.8m/s，却产生严重风灾。

原因是：前者十分钟平均风速为
15m/s，后者却为21m/s。

又如，1967年6月30日，汕头地区瞬时风速30.6m/s产生风灾，1970年9月14日瞬时风速为37.3m/s未发生风灾。

原因是：前者十分钟平均风速为21.5m/s，后者为16.5m/s。

根据有关资料可以说明，十分钟平均风速为反映平稳随机过程的数学期望，时距过小则不真实，过大则塌平了。

可是，这种时距对于雷达天线结构来说是否适合，特别是考虑到天线的抗倾覆，就值得探讨了。

因为天线结构较之房屋建筑结构来说，一般质量均小一些，呈现动力特性的时间会短一些；加之，倾覆不一定出现在呈现动力特性的时候。

迄今为止，世界各国对于风速时距的选取也是不一致的。

如日本取瞬时风速作为计算标准，美国取半分钟至1分钟时距，澳大利亚取3秒钟等等。

到底取多大时距为合适，则应通过实际测定来研究。

其方法是在实际风速情况下，把记载的瞬时风速与结构相应的应力测定联系起来，找出两者的关系，从而分析出多大时距能够反应出真实的情况。

当然，这需要做大量的试验工作，但这也是非常有意义的。

在得出适合于较轻型结构的风速计算时距之前，天线刚度强度计算可按十分钟时距稳态风速计算风压，再计入动力影响，并考虑到时距不一定合适的可能超荷情况，再乘以一个适当的超荷系数。

为安全计，天线系统的倾覆和滑动稳定计算可按瞬时风速计算风压。

4 天线结构设计需注意的几个问题
既然风压是天线结构的主要荷载，那么尽量减小对结构的风压值就是结构设计的一个重要任务。

通常，通过风洞试验尽量使结构的气动力系数（六自由度）小一些，但这不够理想。

对于较大型天线，还应在可能条件下，当天线静止时，能在风力矩作用下自动偏转，使天线以风阻力系数较小的方位迎风，这将有效地提高天线结构的抗风能力。

某雷达天线就是采用气动力补偿装置（天线转动时基本不增加风力矩）这种方法而取得较好的抗风效果的。

此外，在天线结构设计时，一般只注意到工作状态的风压和水平向的风，而对于倒架状态的风压以及地面风随地形起伏而引起风速改变，即天线受到了与水平束流所不同的动压，所谓的“爬山风”实质上是受到了较高的动压，这很容易对天线造成严重后果。

这就是不同地形地貌对气流产生“干扰”，所以在设计和试验时必须认真考虑。

因为雷达天线处于各种工况中工作，它并非完全处于理想流体中的所谓平直流中工作。

5 结束语
以上所谈到的几个问题，只是在工作实践中的一点体会，是很肤浅的，期待能有一个完整的雷达天线结构的风荷载规范，以便能够统一执行。

参考文献
1 王光远. 建筑结构的振动. 北京：科学出版社, 1982
2 朱瑞兆. 风压计算的研究. 北京：科学出版社, 1981
3 叶尚辉. 天线结构设计. 西安：西北电讯工程学院出版社, 1986
4 吴风高. 天线座结构设计. 西安：西北电讯工程学院出版社, 1973
5 403室编. 天线结构设计. 西北电讯工程学院. 1973。