鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：避雷塔屬于高聳輕柔結構，風荷載在所有設計荷載中是主要控制荷載。在某工程中，采用了的拉線式避雷方案，避雷線及塔-線組合等受力狀態的計算與分析成為工程設計的關鍵。本文主要介紹了避雷塔的風荷載計算、抗風分析、基礎及避雷線等關鍵工況或構件的設計過程，以期能夠對相關類似工程提供參考。
關鍵詞：避雷塔；高聳結構；風荷載；避雷線
1.概況
某避雷塔用于特種鋼結構塔架的雷電防護，采用避雷線與避雷塔組成聯合防護網，塔高120m，設三層矩形避雷線，高度分別為115m、104m(90%H)、92m(80%H)，如下圖所示。避雷塔共四座，間距分別為101m、109m。避雷塔為正方形空間管桁架結構，底部邊長15m，邊長隨高度呈近似的二次曲線逐漸收至115米高度處的1.5m，頂部設高度5m的避雷針。
圖1 避雷線豎向布局示意圖(高聳避雷塔抗風分析)
根據地質勘查報告，土層分布為①細砂，②珊瑚碎屑砂，③中～微風化花崗巖。地下水位至自然地表，地下水對混凝土結構具有中等腐蝕性，對混凝土中的鋼筋具有強腐蝕性。建筑場地類別為Ⅱ類，基本風壓取值1.05KN/㎡，地面粗糙度類別：A類，地震烈度為7度（0.15g，第一組），結構設計使用年限為50年。
圖2 避雷塔平面布局圖 (高聳避雷塔抗風分析)
2 風荷載計算
避雷塔屬于高聳結構。在其各類荷載中，起控制作用的是風荷載。在風荷載標準值計算中，體型系數和風振系數的計算較為復雜。根據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）和《高聳結構設計規范》（GB50135-2006），風荷載標準值計算公式：
式中， 
為高度z處的風振系數，
為體型系數，
為高度變化系數，
為基本風壓。
2.1 高度變化系數
為了工程設計的方便，我國將地貌按地面粗糙度分為A、B、C、D四類，本工程建設地點位于海邊，屬于A類。塔體各計算高度處的高度系數為：
表1 高度變化系數列表
2.2 體型系數
分別按2種迎風面進行計算，由于體型系數與擋風系數有關，而避雷塔各節間的擋風系數均不相同，故其體型系數也隨計算高度發生變化。根據荷載規范，按塔架迎風角度①和角度②進行考慮，如采用圓管構件，則塔架體型系數按角鋼塔架進行折減。
根據上述計算方法，計算每一節的體型系數。
2.3 風振系數
風荷載包含了平均風和脈動風。平均風的性質相當于靜力作用，脈動風則隨時間按隨機規律變化，其性質相當于動力作用。為了便于工程實際應用，我國規范中引入一個等效靜態放大系數，即為風振系數，將靜力作用和動力作用一并考慮在內。《建筑結構荷載規范》和《高聳結構設計規范》給出了風振系數的不同取值公式。荷載規范中，采用脈動增大系數、影響系數、振型系數和高度系數來進行表達。
而在高聳規范中，引入了2個綜合系數，
為脈動和高度影響系數，
為陣型及外形影響系數。
本工程中，分別按上述兩種算法進行了計算，結果基本一致，表明在本質上兩種規范里所考慮的風振因素是一致的。
表2 風振系數計算列表（部分）
3 避雷塔抗風分析
由于風荷載起決定作用，計算作用在塔上的荷載時，首先要假定塔架個部分尺寸及其迎風面積，因此需要先用簡化方法分析，待塔架尺寸、桿件截
面都認為合適后再用精確的整體空間桁架法進行計算。避雷塔屬于空間桁架結構，計算時都假定桁架所有桿件連接節點為鉸接。計算模型如圖2、3所示。
本工程依據簡化空間桁架法，編制了用于簡化計算的Excel表格程序，用于截面和桿件優化。在水平荷載作用下，塔柱內力 和斜桿內力 按下列公式計算：
式中，
為在塔段底部繞
軸作用的彎矩；
為在塔段底部繞
軸作用的剪力；
為斜桿同橫桿的夾角；
為塔柱同水平面的夾角；
為塔面同水平面的夾角；
為塔段底部外接圓直徑；
為計算系數。
位移計算采用共軛梁法，將塔架視為直立的懸臂梁，任一截面處的抗彎剛度為：
式中，
，所計算塔層的塔柱截面積；
，塔柱主軸至塔架平截面中和軸的距離；
，塔柱截面對其形心軸的慣性矩。
避雷塔的三維模型精確計算以PKPM-SPASCAD軟件為主，同時采用SAP2000軟件進行了校核。基本設計參數與主要計算結果如下所示。
表4 主要計算結果列表
圖3 SPASCAD軟件計算模型 圖4 SAP2000軟件計算模型
4 基礎抗傾覆驗算
計算結果顯示，結構自身的抗傾覆驗算無法滿足要求，只能依靠基礎提供抗傾覆彎矩。由于作用點高，在水平風荷載的力矩大，造成塔架底部受拉，基礎設計必須解決抗拔的問題。基礎設計必須考慮以下幾種因素：
①地基存在液化土層，必須采用樁基礎解決受壓的問題，同時要求樁基礎能夠抗拔；
②基礎還存在地下水，地下水位至自然地坪，浮力的作用致使結構自重的效率大大降低；
③上部圖層為砂性土，水量豐富，基礎深埋或大開挖需要止水、圍護，施工難度大，造價高。
圖5 方案一：獨立式樁基承臺方案
圖6 方案二：整體式樁基承臺方案(高聳避雷塔抗風分析)
經過計算分析與比較，擬選擇抗拔樁與配重結合的方式解決塔體傾覆問題。表5列出了不同基礎方案下的各項指標對比。
表5 方案對比列表
5 避雷線設計
根據工藝需求，塔架之間的拉線僅用于傳導雷電，設計中應盡量減小其對塔體結構的不利影響，而在所有參數中，避雷線的撓度影響最大。由于避雷線重量較輕，安裝及更換時可不考慮上人作業。
參照避雷設施的設計要求，取正常使用狀態的撓度為1/25，即最大變形約為4m；當自重與風荷載組合作用時，最大撓度約為1/18。避雷線采用Ø10鍍鋅鋼絲繩，破斷力不小于85kn。
6 結 論
在某工程場區的雷擊防護首次采用了避雷線與避雷塔組合的方式，這種方式對高聳避雷塔的設計中不但要考慮風荷載作用，還要考慮線—塔耦合等作用的影響。在臺風登陸區進行高聳避雷塔結構設計時，必須充分考慮風荷載的作用，一方面是上部結構的變形、強度要符合相關規范的要求；另一方面，水平風荷載引起的底部抗傾覆彎矩必須由基礎來承擔。該工程作為發射場的地面設施直接為塔架服務，在設計和建設過程中，必須保證安全、可靠。
參考文獻
[1] 中華人民共和國國家標準.建筑結構荷載規范(GB50009-2001).北京:中國建筑工業出版社.
[2] 中華人民共和國國家標準.高聳結構設計規范(GB50135-2006). 北京:中國計劃出版社.
[3] 沈之容.鋼結構通信塔設計與施工.北京:機械工業出版社.2006
[4] 王肇民.高聳結構設計手冊.北京:中國建筑工業出版社 1997
（總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）
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