25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析

本科生毕业论文 毕业论文题目 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 6 月 4 日 摘 要 随着社会的发展与进步，各种大型广场、车站、 公路立交桥、港口以及机场 等陆续建成，这些区域对大面积照明的需求推动了高杆灯的发展。而随着高杆灯越来越广泛的应用，它的结构强度和成本也逐渐成为了社会关注的焦点。高杆灯的设计制作是多门学科 交错渗透的综合体 ,其深刻的机理自有着它的严密性和科学性。 本课题主要运用了 ANSYS大型商用有限元软件，对 25米高杆路灯灯杆结构在风载、雪载以及自身重力的作用下，进行了有限元分析，得出灯杆各部件的应力与变形的大致分布情况，分析路灯灯杆结构的强度是否符合设计的要求。并且在此基础上进行改进设计，通过进一步减小杆壁的厚度、调整法兰孔及螺栓尺寸、减小地基体积等方法成功地降低了高杆灯的重量与成本。 关键词：高杆灯，有限元分析， ANSYS软件，应力 Abstract With the development and progress of society, many of the large square, station, port and airport, highway overpasses are built,these regional demand for large area lighting to promote the development of the high pole lamp.And with the more and more extensive application of the high pole lamp, its structural strength and cost has gradually become the focus of the social concern.The designing of Lamp is a complex of the multi-discipline, its deep mechanism has its own rigor and science. This topic is using ANSYS which is the large commercial finite element software makes the finite element calculation of 25 meters high rod lamp when it under wind load, snow load and its gravity,we get the stress and deformation distribution and analyse the strength of the structure and the stiffness of the street lamp to know whether it accord with the requirements of the design.And on this basis to improve the design,by further reducing the thickness of rod wall, adjust the flange hole and bolt size, reducing the ground volume method successfully reduce the weight and cost high pole lamp. Keywords: High pole lamp， the finite element analysis, ANSYS software, stress 目录 摘要 Abstract 第一章 绪 论 . 5 1.1 引言 . 1 1.2 高杆路灯的国内外研究状况 . 4 1.3 高杆灯杆体强度 分析以及变形 . 6 1.3.1 高杆灯杆体的力学计算 . 6 1.3.2 高杆灯杆体壁厚沿杆体高度的合理布置 . 9 1.3.3 杆体选用不同材料对杆体参数确定的影响 . 10 1.4 高杆灯系统的受力分析和强度校核 . 10 1.5 本章小结 . 11 第二章 高杆灯的总体设计 . 12 2.1 灯杆设计 . 12 2.2 光源及灯具配置 . 13 2.2.1 光源的选择 . 13 2.2.2 灯具的选择 . 13 2.3 灯盘及升降机构 . 14 2.4 基础设计与修建 . 16 第三章 25米高杆路灯杆灯有限元分析的建模过程 . 18 3.1 相关软件介绍 . 18 3.1 Solid Works 简介 . 18 3.2 25 米高杆灯的主要内 容和参数 . 25 3.3 ansys 软件简介 . 27 3.4 软件模型处理过程 . 27 3.5 25 米高杆灯的有限元模型 . 28 3.6 解决的问题 . 28 第四章 25米高杆路灯灯杆的有限元分析和优化设计 . 30 4.1 单一载荷下的有限元分析 . 30 4.1.1 风载 . 30 4.1.2 雪载 . 33 4.2 多重载荷下的有限元分析和优化设计 . 36 4.2.1 有限元分析 . 36 4.2.2 结论分析 . 40 4.2.3 结构优化 . 41 4.2.4 优化建议 . 45 结 论 . 46 参考文献 . 47 致 谢 . 46 1 第一章 绪 论 1.1 引言 近年来 ,伴随着国内照明技术的不断提高和引进国外的先进照明装置 ,高杆灯照明越来越受到人们的欢迎和广泛重视。如 1996 年 9 月完工的沪宁高速公路 ,就采用了英国的 CU公司的照明技术 ;比如 1997年 7月完工的南京禄口国际机场专用高速公路也采用了英国的科艺公司的照明技术。国内外的高杆照明技术正在向实用化、功能化的方向发展。灯杆由圆柱等径向多边形的锥体发展，灯盘结构由装饰型向框架 功能型发展，升降机构由单筒向多筒发展，光源由 400W 钠灯向 1000W 钠灯发展 ,电器控制由人工的向时控及光控等自动控制方向发展。除此之外 ,灯杆表面的防腐处理工艺、挂钩结构、电器控制等很多方面也向高技术方向发展。再比如高杆灯的杆体也正由等径柱体加芯接式向多面锥体分段套接式方向发展，杆材也由过去的 A3中碳钢向 Q235A 低碳钢方向发展。高杆灯表面防腐工艺呢，也由过去的热喷铝工艺向内外热浸锌工艺方向发展 ,这就是是高杆照明技术的一大进步。灯杆的焊接容积深度要大于 0.8,否则会危及使用安全。焊接的工艺适宜采用自动氩气保护 电弧焊或者自动埋弧焊焊接工艺。灯杆的臂厚应该根据使用环境条件和自身的结构强度要求取定 ,臂厚太厚了不经济、浪费材料 ,若太薄了又不能满足强度和安全要求 ,同时还要考虑到安装、运输过程中的变形问题。对于国内钢材特点 ,30m 以下的高杆灯杆体宜卷压折弯成 12 边形以下 ,因为不这样灯杆外形将失去外形轮廓美感。灯杆的内外适宜采用热浸锌工艺处理 ,镀锌层厚度要求大于 86Lm、 610g/m2。上面述说的灯杆结构和防腐工艺克服了传统等径柱体加芯焊接结构的许多缺陷。比如 :接口处易生锈挂铁锈斑迹，易生锈层层剥离 ,内臂防腐性能差等等。新型 结构防腐效果比较好 ,安装也相对方便简单。 高杆灯一般是指 25米以上的大功率组合式灯架和钢 制柱型灯杆构成的新型的照明装置。它是由杆体、升降机构灯座、内部灯具电气、及基础部分组成的 1。因为 高杆灯具有挺拔且高耸的外形和十分出色的照明效果，所以被越来越广泛地用于城市码头、公路、车站、体育场、立交桥等很多户外大面积的照明场所。 与普通路灯比较，它具有照明灯具功率大、灯具数量多、灯杆高度高、照射范围大的特点。在这 2 些公共地方使用大型的灯具，安全性是很重要的。尤其是在一些恶劣的天气中，有时可能会发生高杆灯的倒塌事故，倒塌 的原因大部分是高杆灯灯杆的强度不够，很多厂家在进行高杆灯的设计时，并没有进行强度校核或者以低于 10级大台风的要求进行校核。有关高杆灯灯杆结构强度的验算，我国目前还没有具体的详细规范。 目前 ,在国内安装使用的高杆灯杆体 ,常见的有正 12棱台型套接式和圆台型焊接式两种。前者是在安装的现场分节起吊 ,逐步套接安装 ;后者呢是在安装现场把多节圆台型的杆体当场焊接成型 ,然后整杆起吊安装。这仅仅是表面上的区别。从抗风荷载的本质特性和建筑力学来分析 ,两者抗风荷载的情况和静力学特征有着明显的差异。正 12棱台灯杆体形风压系数是 1.1464，而圆台型灯杆体形风压系数才 0.8；换句话说 ,同一高度横截积相等的两种样式的高杆灯 ,它们在同样的风速作用下 ,正 12棱台灯杆受到的风荷载作用力是圆台型灯杆的 1.433倍。在这情况下 ,为了让这两种造型的灯杆有相同的抗风荷载能力和一样的安全系数 ,那么正 12 棱台型灯杆杆体的钢板壁厚、相同高度处的截面积、还有地脚紧固螺栓的直径等必须比圆台型杆体来得大 ,所以高杆灯整体耗材也大。正 12棱台型灯杆虽然省去了安装现场焊接的麻烦 ,但是杆体间的多节套接 ,同时也增加了杆体的实际长度。就比如 30m 的高杆灯 ,做成三节套节式杆体 ,实际增加的杆体长度为 1.8-2.0m。增加了成本的同时又增加了自重和杆根处的负载。再者 ,正 12棱台套节式的灯杆各分套节成型 ,是预先裁切的钢板料在大功率的折弯机上弯折出 12条棱线后 ,再由自动焊接机焊接为正 12棱台型分节钢筒。钢板在形变时 ,刚度必受受损。圆台型灯杆的杆体横截面是一个圆 ,圆的刚度比正 12边形大很多 ,所以同样截面积的圆台型灯杆会比起正 12棱台型灯杆的抗风荷载能力大。但也有人曾怀疑圆台型的分节杆体在高杆灯安装的过程中 ,各个分节之间的对接碰焊在抗风荷载中的强度有问题。实际上 ,在各分节对接碰焊处的杆体内 ,内衬小段钢环 ,使它同时焊连在碰焊缝内侧的杆体上 ,然后再加上电焊烧结的理化特点 ,碰焊缝处的刚度和强度会大大增强 2。 高杆灯的 外形形态各异， 它们的共同之处是灯盘硕大、灯杆细长。作用于杆体上的力有：冰雪载荷、风载荷、杆体自重、灯盘重量。其中，风载荷对杆体的挠度值和应力所起的作用最大。风载荷是动力载荷，有不稳定的、稳定的两种。稳定的风可以视为静力作用，而不稳定的风除产生静力作用外，还会产生动力作用。相对 3 于刚度大的结构，其实风的动力影响很小，只考虑风压静力作用即可，但对于高的灯杆结构，由于其刚度小，自振频率低， 结构容易在突发的阵风作用下产生弹性振动。对于高杆灯杆体来说，除了计算风的静力作用之外，还需计算风振。灯盘的样式对杆体的挠度、强度起着决定性的作用。高杆灯在风速很大的地区安装时，应尽量采用迎风面积小点的功能型灯盘，节省杆体的截面，从而减少杆体材料的用量，降低高杆灯生产成本。高杆灯的杆体比较常见的有三种主要型式：三角柱杆、梢杆、直杆。和三角柱杆相比较，三角柱杆的自重和刚度较大。梢杆和直杆的力学特性有所不同，对于具有相同杆体壁厚和相同的底部直径的梢杆和直杆，当它们处于各种风速下，在杆体中产生的杆体的最大挠度值和最 大应力不同。在它们的杆体中，为了减轻杆体的重量，一般是将杆体壁厚由根部到顶部逐步减小。因为杆体过长，在实际制造中，宜将杆体分成三段或四段来制造，现场安装的时候再连接在一起。各段杆体壁厚不同，其分布按杆体的分段自然形成。在杆体的设计过程中，其强度不能满足要求时，一般采用增加杆体壁厚或增大杆体根部直径这两种方法 3。 一般来说 ,在港口、高速公路的露天站口、在海岛等气候条件比较差以及自然地理环境复杂的地域 ,适合选用圆台形型焊接灯杆。在市内广场、大院之内的高杆灯 ,由于场地风速较小 ,场地的四周建筑不方便整根灯杆同时 起吊安装 ,就可以采用正 12棱台型套节灯杆。综合高杆灯设计制作个例和高层建筑 (30米以上的高杆灯视为高层建筑处理 )的有关文献资料 ,灯杆的造型以圆台形为佳 ,也可以做成正十二棱台形。正十二棱台形的风阻系数为 0.96,圆台形的杆体风阻系数为 0.8,且杆体截面积一样的正多边棱台形和圆台形杆体相比 ,风阻系数大。但正十二棱台形杆体适宜做成套接式 ,从而省去了各节灯杆之间的焊接 4。 总的来说，国内高杆照明技术渐渐走向成熟 ,由于目前国家并没有颁布规范的高杆照明技术相关细节 ,很多城市的高杆灯存在问题，比如灯盘的外观与周围环境 极不相称、不能满足高杆照明的功能性和装饰需求、光源灯具的配置不合理、灯杆内外表面防腐处理工艺差、运行存在安全和质量隐患 ,事故频发等等。 基于这种情况，本课题以 ANSYS软件为主要工具，对 25米的高杆路灯灯杆在风载、雪载和自身重力作用下进行有限元分析，并进行优化设计。 4 1.2 高杆路灯的国内外研究状况 高杆照明是指照明的装置安装高度大于 20 米的杆状照明设备 ,近年来，由于它采用了新光源 ,以及在结构上的改进 ,在国外应用正逐渐扩大 ,目前除了常用汽车停车场、广场、公路交叉区作大面积照明外 ,也渐渐用于商业区街道、 自来水厂、铁路编组场等处。在国内 ,高杆照明虽然近年来、有采用 ,但例子少 ,偶而用作汽车停车场或者广场体育场照明。 国外运用概况： 汽车停车场照明：迈阿密国际机场 1978 年客运量超过 160。万人次，其汽车停车场可容纳 47000辆汽车。该机场原设有 398 根普通高度的照明杆，每杆装有 2只40。瓦水银灯，其中停车场占 250根，这为数可观的电杆不仅缩小停车场面积，影响美观，而且照明质量差，有阴影和暗区，维修困难，费用亦大。 1976 年后机场决定采用高杆照明 (图 1-1)，杆高 30.5米 (100 英尺 )，间距 30.5米，每杆顶 部安装一组包括 6只 1000瓦金属卤化物灯的照明装置，成功地对 155500米： (2000000英尺2)的区域实现了均匀照明，测得的最小地面照度达 53.8勒 (lx)，这样，机场及停车场的面貌焕然一新，行车也增加了安全性。 图 1-1 迈阿密国际机场停车场的高杆照明系统的结构示意 公路交叉区照明：高杆照明有照明面积大、炫光低、照度均匀等优点，在美国 5 用作公路交叉区照明。俄亥俄州阿克郎商业区的公路交叉区，采用了每杆带有 4个1000瓦金属卤化物灯并且设有升降装置的高杆照明，设计采用了对称、不对称的杆射器。 铁 路编组场照明：美国路易斯维尔枢纽站新建的自动化调车场采用了 36根高杆照明 ,杆高 15.3、 30.5 米 ,杆距 252.4-182.9 米 ,每杆装有 12只 1000 瓦的金属卤化物灯 ,调车场长 6.436公里 ,最宽处约 305米 ,高杆照明使缓行器区和调车场分别达到54勒 .21勒的总照度水平。借助高杆内的提升缆索及其上的灯盘可降至地面进行清理和更换灯泡。美国南方铁路系统斯彭塞编组场占地 1.52平方公里 ,采用了高杆照明与普通高度相结合的照明方式 ,全部采用高压钠灯。设计中包括 18座高度为 30.5、36.6米的高杆照明 ,其上采用 1000瓦照明装置 ,此外再以编组场周围电杆上的 250瓦路灯照明作为补充 ,获得的全场平均水平照度为 11勒 ,平均照度与最小照度之比 4:l,炫光很低 ,电能相当节约 ,照明消耗功率低于 0.22 瓦每平方米。该设计曾获美国 1980年地区性照明设计奖和 Edwin.F.Gut五功绩纪念奖。 日本京王线路线的调布车站南口广场上，出现了一盏使用太阳能的路灯。这盏路灯是京都的一家专门厂商研制的。它的结构是：在高骊的灯杆顶上装两块聚热板(57cm 80cm)，它们白天吸收太阳能，为太阳电池充电。天暗下来后，开始自动通电，点亮 20瓦的荧光 灯。电池的能力是，暗天时，每天可储蓄供 24 小时用的电能。这盏路灯的寿命长，可以使用 10年以上，不需调换。它的另一个优点是，在发生灾害而停电时，也能使用。 国内运用概况： 广场照明： 1975 年建成的上海体育馆，其正门入口处广场采用了 2座高杆照明，杆高 30米，杆距 100 米，其外形如图 1-2。杆上套有可动式灯盘，上设 18只 100。瓦钠蛇锢灯，灯杆下部为地下机房，藉机房内的卷扬电动机通过杆内钢索控制灯盘升降，照明电源由地下机房通过杆内送至杆顶再借助软电缆送至灯盘，软电缆可随盘升降，当上升至顶盘时，电缆围盘在 灯盘上，当需要更换灯泡或维修线路时，软电缆及灯盘可下降至离地 l米左右，以便在地面维修。 停车场照明：上海公交汽车六场的停车场占地 2万平方米，采用了 l座高杆照明就获得了所需照度。杆高 28米上设 LD一 400 日光色摘灯 20只，杆下的地下机房 6 内有 4千瓦电动机一台，以控制灯盘升降。它与上海体育馆的一个不同之处，为电源不以软电缆引至灯盘，而是通过灯杆内壁的固定配线将机房内的电源引至顶盖上的静触头，当灯盘上升至杆顶，灯盘上的动触头与顶盖上的静触头接触时，接通电源 .据估计，如用普通路灯代替则需 32根电杆，杆上装设 1000瓦 高压水银灯或设 40。瓦日光色摘灯，用电量为 12.8、 32千瓦，而高杆照明仅为 8千瓦。 我国北京华基电脑公司研制出一太阳能为能源的系列路灯。太阳能路灯是由光电板、储能电池、灯具、控制系统和安装杆等五部分组成，白天用太阳能板吸收光能，给蓄电池充电，晚上则自动使等发光。 图 1-2 上海体育馆入口处广场的高杆照明 1.3 高杆灯杆体强度与挠度分析以及变形 1.3.1 高杆灯杆体的力学计算 1、计算内容 1）杆体强度：杆体的最大应力及其所处的位置。 2）杆体挠度：杆体的最大挠度。当在高杆灯上安装摄像头时，还 需计算摄像头安装处的挠度。 7 3）杆体根部受力：杆体根部的垂直力、水平力、弯矩。 4）杆体的自振周期 2、风速的选取 高杆灯一旦在现场安装完毕，就常年处于工作状态。在进行杆体的力学计算时，风速应选取高杆灯安装所在地区的最大风速。当高杆灯上安装有摄像头时，还需计算摄像头工作时的最大风速情况下杆体在摄像头安装处的挠度。 3、高杆灯杆体的受力 作用于杆体上的力有：杆体自重、灯盘重量、冰雪载荷、风载荷。这其中，风载荷对杆体的应力与挠度值所起的作用最大 8。 风载荷是一种动力载荷，有稳定的和不稳定的两种。稳定的风可视 为静力作用，不稳定的风除产生静力作用外，还产生动力作用。对于刚度大的结构，风的动力影响很小，可只考虑风压静力作用，但对于高耸的灯杆结构，由于刚度小，自振频率低，在突发的阵风脉动作用下，易使结构产生弹性振动。因此，对于高杆灯杆体来说，除计算风的静力作用外，还需计算风振 9。 高耸结构在风振时的风载荷计算公式如下： AqKCFh (N) 其中： 与结构型式和自振周期有关的风振系数； C 风载体型系数； hK 风压高度变化系数； q 标准风压 （ Pa ） ； A 结构垂直于风向的迎风面积（ 2m ）； （注：风压 q与风速 v 的关系式为：6.12vq （ Pa ），风速 v 的单位 m/s）。 4、高杆灯灯盘型式对杆体强度、挠度的影响 由于造型和照明功能上的不同要求，高杆灯的灯盘具有很多型式。常见的 形式有：功能型、单面照型、框架型、牵牛花型。由图 3可看出，各种型式灯盘的迎风面积是不同的。虽然灯盘的迎风面积与灯具的个数、每个灯具的迎风面积、灯具 8 支撑结构架的迎风面积有关 ，但从总体上来说，功能型灯盘的迎风面积最小，单面照型灯盘的迎风面积最大，框架型和牵牛花型灯盘的迎风面积相近，均仅次于单面照型灯盘。灯盘上的风载荷位于杆体的顶端，因此其风载高度系数大、相对杆体根部的力臂大，对杆体的应力、挠度的影响也很大。为了比较不同型式的灯盘对杆体强度与挠度的影响程度，分别对安装有功能型灯盘和单面照型灯盘的灯杆进行了计算。计算结果表明：当单面照型灯盘的迎风面积为功能型灯盘的迎风面积的 4倍时，前者灯杆中的最大应力约为后者的 1.75倍，最大挠度约为后者的 1.82倍 10。 由上可知，灯盘的型式 对杆体强度和挠度起着决定性的因素。当高杆灯安装在风速很大的地区时，应尽量采用迎风面积小的功能型灯盘，以节省杆体的截面，进而减少杆体钢材的用量，降低高杆灯的生产成本 6。 5、高杆灯杆体型式对杆体强度、挠度的影响 高杆灯杆体常见的主要型式有三种：梢杆、直杆、三角柱杆。梢杆的根部直径大于顶部直径；直杆的根部与顶部直径相同；三角柱杆为空间桁架结构，主肢为三根布置在三角型截面上的直杆，中间用横杆连缀。上述三种型式的杆体由于自身的特点，它们的迎风面积、风载荷、刚度、自重均不相同 ，如表 1-1所示 。其中三角柱杆的刚度在 三种型式的杆体中最大，因此它适用于风速大的地区，或者适用于对高杆灯挠度要求高的场合。与三角柱杆相比较，梢杆和直杆的自重和刚度均较小。但梢杆和直杆的力学特性又有所不同。对于具有相同底部直径、相同杆体壁厚的梢杆和直杆，当处于各种风速时，在杆体中产生的最大应力及杆体的最大挠度值不同。以 35米牵牛花型升降式高杆灯为例，梢杆和直杆的基本参数如下： 梢杆：灯杆下口径为 700mm，上口径为 420mm，壁厚从灯杆底部至顶部依次为 12mm、 10mm、 8mm、 6mm。灯盘与灯具的迎风面积为 3.5 2m ，灯杆迎风面积为 19.6 2m ，灯盘加灯具的重量约为 7000N，灯杆的重量为 5000N，灯盘直径为 4500mm，灯盘高度为 1500mm。 直杆：灯杆下口径为 700mm，上口径为 700mm，壁厚从灯杆底部至顶部依次为 12mm、10mm、 8mm、 6mm。灯盘与灯具的迎风面积为 3.5，灯杆迎风面积为 24.8，灯盘加灯具的重量约为 7000N，灯杆的重量为 60000N，灯盘直径为 4500mm，灯盘高度为 1500mm。 9 表 1-1 梢杆、直杆、三角柱杆各项性 能指标等级对比表 杆体形式 迎风面积 风载荷 刚度 自重 梢杆 最小 最小 最小 最小 直杆 中等 中等 中等 中等 三角柱杆 最大 最大 最大 最大 梢杆和直杆的最大应力和最大挠度对比值参见表 1-2。 由于直 杆的杆体迎风面积与自重均较梢杆大，因此其最大应力比梢杆的最大应力大，但其刚度也比梢杆大。直杆可用于对刚度要求较高的场合，如安装有摄像头的灯杆。 表 1-2 梢杆、直杆最大应力和最大挠度对比表 风速 风力等级 梢杆最大应力 直杆最大应力 梢杆对大挠度 直杆最大挠度 （ m/s） （ Kg/cm2） （ Kg/cm2） （ cm） （ cm） 7.9 四级风 -105 -124 6.3 4.9 13.8 六级风 -293 -346 20.0 15.7 16.0 七级风 -385 -454 26.7 20.9 20.7 八级风 -632 -745 44.6 35.1 33.0 十二级风 -1574 -1858 113.2 89.2 1.3.2 高杆灯杆体壁厚沿杆体高度的合理布置 在梢杆或直杆的杆体中，为减轻杆体重量，通常将杆体壁厚由根部到顶部逐步减薄。 由于杆体过长的原因，高杆灯在实际制造中，将杆体分为三段或四段制造，现场安装时再连接在一起。每段杆体具有不同的壁厚，亦即壁厚的分布按杆体的分段自然形成。 在杆体的有限元计算中，当杆体壁厚分布位置欠佳时，杆体中的最大应力并非出现在杆体根部，而是发生在杆体上的某一薄弱断面 6。 以 30m高杆灯的杆体强度计算为例：灯杆为梢杆，下口径为 650mm，上口径为 10 350mm，壁厚从灯杆底部至顶部依次为 12mm、 10mm、 8mm，灯盘与灯具的迎风面积为3.5m2，灯杆迎风面积为 15.0m2，灯盘加灯具的重量为 7000N，灯杆的重量为 37000N。 俞晓红等 7采用了有限元程序计算高杆灯在其自重及风力（六级风， 13.8m/s）影响下的杆体强度。计算可知杆体内最大应力为 -25.04 PaM ，出现在杆体根部稍上位置，而杆体根部的的应力为 -22.11MPa。 以上结果表明，当杆体壁厚自下到上呈阶梯状分段 分布时，杆体内的最大应力并非像只有一种壁厚的杆体那样出现在杆体的根部，而是出现在其它的薄弱截面上。当发生这种现象且杆体内的最大应力与根部的应力值相差较大时，则应适当调整杆体的壁厚分布。 1.3.3 杆体选用不同材料对杆体参数确定的影响 杆体材料通常选用碳素结构钢 Q235和低合金结构钢 16Mn，它们的力学性能如表 3所示。 表 3 Q235与 16Mn力学性能对比表 16Mn钢的综合力学性能、焊接性能良好。与 Q235钢相比，强度提高近 50%，耐大气腐蚀能力提高 20 38%，而市场价格很接近 11。 在杆体设计过程中，当杆体的强度不能满足要求时，通常采用加大杆体根部直径或增加杆体壁厚这两种方法。这是因为在加大根部直径的同时，也加大了杆体的迎风面积，除非根部直径的增加幅度很大，才能收到预期效果。在风速高、杆体高度大、灯盘迎风面积大的应用场合下，较为理想的方法是选用 16Mn钢，即可减小杆体的壁厚、减轻杆体的重量，又可降低制造成本。 1.4 高杆灯系统的受力分析和强度校核 整个照明系统的受力分析和强度效核是一个十分有必要的过程，同时也是合理利用资源的表现。因为在整个路灯照明系统中，结构所受的外力大部 分是风力作用 11 在灯盘组件迎风面所产生的压力和作用在灯杆的弯矩应力。高杆照明系统的受力分析和强度效核按照整个结构的受力作用主要分为几大部分：第一部分是灯盘组件安装支架的抗风受力；第二是底座法兰的焊缝处抗拉受力；第三部分是组件安装架受力所产生在灯杆部分的结构受力，也就是灯杆部分的的受力。 1.5 本章小结 本章 对高杆灯的国内外研究状况、研究内容、研究方法作了简单的介绍。并且讨论了高杆灯壁厚、壁型的选择问题以及材料等因素对高杆灯受力、强度挠度的影响。总结了过去的研究成果，给出了本文研究的内容。既运用 ANSYS 软件对各种载荷下的高杆灯进行有限元分析，并且研究了多重载荷下高杆灯的受力状况和强度挠度分析。通过计算得到各个部件的受力分布云图等，进一步分析来优化部件的结构和地基大小及杆壁厚薄，从而得到符合要求的最优设计。 12 第二章 高杆灯的总体设计 2.1 灯杆设计 灯杆的整体设计时 ,必须以风荷载计算为依据。参照高杆灯安装现场所在地区的50 年一遇的最大风速下 ,所经受到的最大风荷载作用 ,(个别地方 ,还须考虑周围气雾的影响 ) 复核计算拟定的高杆灯杆根处应承受的总风荷载弯矩 (也叫倾覆力 矩 ) 及各分节杆体的力学特征 ,同时更应该测算高杆灯底板的直径和底板上地脚紧固螺栓孔的个数 ,以及螺栓孔中心圆的直径 ,这里必须整体把握好以下个几个主要指标： 灯杆的整体斜率 tg ,一般控制在 0. 0055 0. 007 为宜。灯盘的直径和自重越大 , tg 的值越接近上限值。 杆根处钢材的安全系数不得小于 1. 64 ,且自杆稍处向下各节的安全系数呈现 1 2 n 1. 64。 整基高灯地上部分的重心在最大 风荷载作用的位移应小于杆根处的底板半径。 上述三项指标总的体现在各节杆体的壁厚和灯杆的整体斜率 tg 上 。壁厚过大 ,其实并不一定牢固。因直接造成的灯杆自重大幅度增加 ,使基础的负荷也陡增 ,同时高杆灯经受最大风荷载时的倾覆力矩也同时增大。且对制作成本、运输安装、基础建造都会带来诸多不利 ;而整体斜率过小 ,整基高杆灯稳度不够。 tg 无论过大、过小 ,还影响到整体造型的美观。所以灯杆的整体斜率 tg 、各 分节杆体的壁厚 ,上、下端口径的选择是以杆高 ,灯盘的大小、重量 ,抗最大风速 ,钢材的安全系数及整基高杆灯的稳定度而决定的。我们知道的高杆灯整体强度与外形、材料等因素有关，合理调整这些因素，可以有效提高灯杆的整体强度。如灯杆截面形状可以采用阶梯式的截面体，多面棱柱，椭圆形等多种形式或加大灯杆的横截面积，减少灯盘荷载 (灯具的数量 )都以影响灯杆的整体强度。 13 2.2 光源及灯具配置 2.2.1 光源的选择 高压钠灯的光效高，可达 120-140LM/W，寿命长 18000(国产 ) 24000(进口 )h，透雾性好 ，只是显色指数低 Ra=25;低压钠灯的光效也高，但国内用得少 ;高压汞灯光效低，仅 30-4OLM/W，已逐渐不用了 ;金卤灯光效高，显色指数高，但寿命比钠灯短近一半，也贵得多，所以在路灯中用得少，为提高诱导性，我认为可在重要的交叉路口用一点。 2.2.2 灯具的选择 灯具的选择应根据照明水平，眩光控制的要求和配光特性来选择。选择灯具还应注意以下几点 : 1)尽可能选择一体化灯具，即镇流器、触发器、电容器都安装在灯具内，以避免镇流器等配件被盗。最重要的是应选择配光曲线好，效率高的产品，好灯具的效率高，好灯具每公 里使用的数量在相同照明水平上要比效率差的灯具少用很多，虽单价高些，但节省了灯杆及附属设施，从节能、维修费等运行费上也可以节省，所以每公里综合造价并不会高，即性价比高。 2)防护等级要高。湖南雨量充足，雨季也长，一般应在 IP64及以上为宜，前面的 6代表尘密，即无尘埃进人，用久了灯底部不会有一层黑一灰尘和小沙虫的沉积，后面的 4 表示防溅水，任何方向溅水无有害影响。有关防护等级的分类可见国标 GB7001-86灯具外壳防护等级分类。 3)外壳颜色与灯杆及外部环境协调。 4)一条道路最好统一用一种型号式样的灯具，即作到一街一景 ，除美观外，也起到提高方向诱道性的作用。 光源和灯具的选择是高杆照明设计的关键环节。以单基高杆灯照明为例，地面平均照度 E 由下式计算： A KUNE S 式中：S 灯具内光源的光通量； 14 灯具光束效率，一般取 0.30.7； N 投光灯具数量； U 投光灯具效率，一般取 0.450.8 K 维护系数，取 0.650.75； A= R2； R 投光照明半径。 2.3 灯盘及升降机构 灯盘是高杆灯的一灯之冠 ,优美得体的灯盘不仅可以减轻对灯杆的风荷载负荷 ,而且与周围建筑物的谐和也是现代化城镇的一道风景线。基于高杆灯的安装使用场合之别 ,灯盘有满足照明需求的功能型及造型各异的装饰型两类。无论哪种类型、款式的灯盘 ,从风荷载计算 ,还是使用实践来看 ,灯盘的直径能小则小 ,漏空系数能大则大。这样 ,灯盘所受的风荷载作用就小 ,对杆体和基座的 威胁也小。当高层建筑所受的风荷载或外力作用时的倾覆力矩超出建筑物自重形成的稳定力矩时 ,建筑物有倾倒的危险 1。为了保证稳定力矩大于有可能的倾覆力矩 ,防止倾倒现象 ,高杆灯在设计时 ,应控制其宽高之比。为此 ,即使对于被照区域的照明半径大、照度要求高、布灯多的高杆灯 ,设计时灯盘的直径一般不要大于杆高的 1/7;当灯盘的直径大于灯杆高度的 1/6 时 ,应适当放大杆体的外径或增大杆体的斜率 tgA ,也可同时稍微增加杆根部这一分节的壁厚。对于布灯盏数 大于 20 的 (单灯功率 P1000 W),且直径在 5 m左右的又重又大灯盘 ,尽可能分解设计 ,使卷扬机提升系统只提升装置灯具的一部分灯盘 ,另一部分灯盘固定在灯杆的杆顶上 ,从而可减小提升负荷。就灯盘的造型而言 ,蘑菇形、牵牛花形、盘花形、 飞碟型等款式的灯盘成为主流。值得一提的飞碟形灯盘 ,它不仅巧妙地集功能型和视觉审美于一体 ,把照明灯具封闭在整体灯盘内 ,并有效地保护了灯具 ,且整体的流线型造型 ,使它悬挂在杆顶受到一个向上的举力 ,(此举力固然小于灯盘的重力 ),从而也减小了倾覆力矩 ,当然也减轻了杆体和基座的负荷。由于一体 化照明灯具在高杆灯上 ,为灯盘款式的设计拓展了创新的空间。其最大的优势就是灯盘结构简捷明快 , 15 风荷载作用时受风面小 ,还适宜选用一体化灯具。 灯盘的升降系统是由电动机、减速机、传动齿滑轴组组成的卷扬机组。卷扬机组电动升降灯盘的过程和灯盘上照明灯具自动启闭都离不开电气控制。这两部分的自动控制电路组合在一起成为高杆灯的电器控制系统。 卷扬机的主结构见图 2-1。设计制作的指导思想为 :整机装置主杆体内 ,小巧玲珑 ,提升灯盘时力所能及且运输自如。电动机宜选择 4P慢转速的 ,因输出力矩相对快 ,转速电动机大。在选择功率上避免大牛 拉小车的的现象 ,有些高杆灯在初次提升灯盘时就发生冲顶的可怕事故 ,这除电器控制设置欠妥或失灵外 ,跟电动机功率过大也不无关系。 图 2-1 卷扬机主结构图 卷扬机的各组成机械间的动力传递则应符合传递力学的原理。即前级机械输出的力和力矩必须大于后级机械正常运作的力和力矩 ,以及损耗。利用动滑轮省力不省功的原理 ,在许可的灯盘提升时间、减速机能承受的输出力矩之内可大幅度锐减电动机的输出功率。选择具有自锁功能的减速机 ,使升降系统在运行过程中 ,因突发意外或保证灯盘在杆体的任何高度稳妥稳定便于杆体外围实施防护处理时 ,减速机能迅速自行锁定。 电器控制及其它问题： 高杆灯内主电缆要求采用 YC型重型橡套电缆，一般为 2根分别供应灯盘 2组电源， 一组为全夜灯，另一组为半夜灯。电缆截面一般选用 5(4) 4mm2以上；灯盘上灯具至分线盒的连接线一般选用 3(2) 2.5mm2以上 YZ型中型橡套电缆。灯盘上同时设置一只专用维修接线盒，内设专用维修电缆子母插座。高杆灯杆内电缆通过电缆 16 专用子母插头与电器控制 盒连接，使安装维修极为方便。目前为节约高杆灯的投资费用，一般一基高杆灯只设一根电力电缆供电，电力电缆可穿管或直埋敷设接至配电房内低压照明配电柜供电控制。杆内电器控制盒一般由：两路分别控制的电源开关、高杆灯障碍灯开关、半夜灯时控开关、专用维修插座、升降机构开关等组成。低压照明配电柜中设有光控开关。 高杆灯电源供电电力电缆因高强度气体放电灯的回路工作特点如所有光源不可能同时启动、 L 镇流或 LC 镇流的谐波成份使三相供电不可能平衡等要求采用等截面电力电缆供电。高杆灯杆顶设有避雷针与杆体及地基接地网可靠电气连接，确保防雷接地的接地电阻小于 10。 2.4 基础设计与修建 高杆灯的基础设计和修建的最根本标准是保障其在经受安装地区的最大风荷载作用及该地区有可能发生的相当级别的地震中不发生倾倒。 高杆灯底板的地脚紧固螺栓 ,安装使用后的高杆灯在经受最大风荷载作用或相当级别的地