新型高杆灯的总体设计理念

摘 要：从电动升降式高杆灯的总体设计入手 ,论 述了高杆灯几大部件的设计概况。指出目前国 内高杆灯照明技术中一些值得商榷的问题。 关键词: 灯杆 整基斜率 灯盘 升降系统 1 灯杆综合高层建筑① 的有关资料及高杆灯设计制作 的个例 ,灯杆的造型以圆台形为佳 ,也可做成正 12棱 台形。圆台形杆体的风阻系数为 0. 7左右 ,正 12棱台 形的风阻系数为 0. 96,且杆体截面积相同的圆台形 与正任何边形的棱台形杆体相比 ,风阻系数最小。 但正12棱台形杆体适合于做成套接式灯杆 ,省去了各 节灯杆间的焊接组合 ,但也因套接增加了整体灯杆的 实际总长度 ( 30m高杆灯 ,做成三节灯杆、二处套接 , 实际增长杆体 1. 5～ 2. 0m) ,这样既增大了成本 ,也增 长了杆根的负荷 ,有利有弊。 

在灯杆的整体设计时 ,应以科学的风荷载测算为 依据。 参照拟定的高杆灯的抵抗风速、经受的风荷载 作用力、各节灯杆杆根处的风荷载弯矩、杆根处的抵 抗矩、应力等参数 ,复核验算各节灯杆上、下端的外径 ,壁厚和基础承载情况 ,牵涉到整基高杆灯的稳定程度、整体灯杆的斜率和杆体钢材的安全系数。 

一般 要求:

( 1)整基高杆灯地上部分的重心在风荷载作用时 的位移 XGO小于灯杆杆根处底板的半径 R; 

( 2)灯杆的整体斜率 tgα在 0. 0055～ 0. 007之 间 ,即 0. 0055≤ tgα≤ 0. 007。灯盘的自重越大 , tgα的 值越接近上限值; 

( 3)各节灯杆钢材的安全系数 β。原则上 ,最下面 一节灯杆的安全系数 β 1 不小于 1. 64,且依次向上各 节灯杆钢材的安全系数值呈 β 4> β 3> β 2> β 1> 1. 64。 笔者从手头掌握的有关高杆灯资料发现 ,国内有 些高杆灯的设计似乎颇注重增大杆体的壁厚 ,却忽视 了 tgα的合理性。 而有的壁厚合理了 , tgα的值又偏 小 ,表现为杆根外径偏小。这些问题值得商榷 ,壁厚过 大 ,杆体的自重增大 ,既不经济 ,对基座的压强也增 大 ,高杆灯受风荷载作用时因杆体的扰度而带来的附 加弯矩也增大 ,势必增大了基础预埋螺栓的轴向拉 力。对灯杆的制作、安装、基础的修建和安全使用都有 诸多不利; tgα值偏小 ,杆根外径必然小 ,对整基高杆 灯的自重稳定程度 ,杆根截面的抵抗矩等一系列情况 必然带来影响 ,同时也可能隐伏着患害。 笔者设 计的 30m 高 杆灯 , 设计最 大风 速为 33. 5m /s;基本风压 ω0= 0. 7014kN /m2;灯盘自重 G0 ≤ 750kg;灯盘的直径 D≤ 3. 5m,三节灯杆的壁厚分 别为 5、 6、 8mm。 tgα= 0. 0058,杆梢 350mm,杆体的 钢材选用 Q235A型② ,则各节灯杆杆根处的安全系 数分别为 3. 21、 1. 94、 1. 68,实践表明较理想。如果这 台高杆灯要求能经受的最大风速为 36m /s以上 ,灯 盘的直径、重量 ,灯杆的上、下端的外径都不变的话 , 则三节灯杆的壁厚则需分别取 6、 8、 10mm,其杆根处 钢材的安全系数为 1. 64;而设计抗风速为 45m /s,灯 盘的情况不变 ,灯杆壁厚仍然取 6、 8、 10mm,钢材的 型号也依旧 ,要保证杆根处钢材的安全系数大于 1. 64,则要重新调整 tgα的值 ,并且增大杆根处的外 径。 由此可以看到 ,在不同地区、不同抗风速要求 ,即 使同样高度、同样灯盘情况的高杆灯 ,其整体灯杆的 斜率、各节灯杆的壁厚和灯杆上、下端处的外径不一 定相同。 在此 ,我们不妨核算一下有些高杆灯生产厂 1999年第 2期 15 中 国 照 明 电 器 C HINA LIGHT & LIGHTIN G ①② Q235A型钢材的屈服点为 235M Pa,设计使用值 206 M Pa。 30m及以上高度的高杆灯应视为高层建筑处理。

       生产厂家提供的 30m 高杆灯 ,上杆梢直径 350mm;下杆梢 直径 650mm;整杆斜率 tgθ= 0. 005;灯盘的重量 G直 达 1 200kg以上;直径 3. 5m。如果灯盘的造型为满足 装饰型需求做蘑菇形、牵牛花形的话 ,那么对设计抗 风速为 45m /s,杆体钢材也仅是选用 Q235A型 ,是否 欠佳 ,值得探讨。 2 灯盘鉴于高杆灯使用场所不同 ,灯盘造型可分为满足 现场照明需求为主的功能型和富有审美情味的装饰 型。 功能型灯盘整体表现为简洁明了的框架结构形 式;装饰型灯盘则是在完成主结构造型的支撑下 ,装 饰成款式繁多的牵牛花形、蘑菇形、圆盘形、飞碟形等 等。但无论如何 ,以风荷载计算及制作、使用的实践来 看 ,灯盘能小则小 ,漏孔系数能大则尽量大。 这样 ,相 应的风荷载作用就越小 ,对杆体和基座的威胁也越 小。基于这一点 ,有些厂家用钢管把灯盘做成圆环状 , 照明灯具均匀地安装在圆环上。沪宁高速公路上的高 杆灯就是这种方式。而飞碟形灯盘巧妙地集功能和审 美于一体 ,一则造型美观 ,线条流畅;二则当它悬挂在 杆顶经受风荷载作用时 ,由于其科学的整体造型及空 气动力学原理 ,无形中受到一个向上的举力 (此举力 当然小于灯盘的重力 ) ,从而减轻了灯杆和基座的负 荷。 这两种灯盘值得借鉴、推广。 在制作灯盘时 ,也有些人为了追求美观 ,学着飞 碟形灯盘全封闭的款式 ,用铝板或其它材料把圆盘 形、椭圆形灯盘的周围与底面封闭起来 ,但这样适得 其反。 

3 灯盘的升降系统 灯盘的升降系统即卷扬机有电器控制、电动机、 减速机、传动齿轮、轮轴、钢索和滑轮组成。 设计制作 好升降系统并保障其正常运作 ,是高杆灯技术中的一 个重大问题。 这里要注重两个方面的内容。 

3. 1 理性地设法减小电动机的功率和选择好配 套工作的减速机及其输出力矩 ,及减小体积 ,便于在 杆根内部安装作业。 ①利用动滑轮省力一半 (但不省功 )的原理 ,在许 可的灯盘提升时间及减速机能够承受的输出力矩之 内 ,可大幅度缩减电动机的功率。 ②把装饰型灯盘尽 可能做成分解式 ,卷扬机只提升其装置灯具的一部 分 ,另一部分固定在灯杆的杆顶上 ,从而减小提升负 荷。 ③科学地构思灯盘的主结构 ,从整体上减轻灯盘 的重量 ,减小提升力。 

3. 2 升降系统的安全保护措施 ①利用行程开关 ,有效地控制好灯盘安全升降的 行程 ,以免发生灯盘上升冲顶或下降结束时撞毁的可 能。 ②选择具有自锁功能的减速机 ,使升降系统在运 转中 ,因突发意外时 ,减速机能迅速自锁。③分管升降 动作的两只交流接触器采用线路互锁或直接选择机 械互锁式 ,避免升降操作中错按升降按钮而损坏控制 电路。在此需说明的是 ,目前国内高杆灯盘在升降系统 动力选择时 ,电机功率 P0 不要超出实际需求功率的 ± 5% ,更不要出现大马拉小车的现象。 否则 ,在灯盘 上升至杆顶或下降结束时 ,行程开关一旦失灵 ,有可 能撞毁灯盘。 

4 灯盘的挂、脱钩装置 综观国内外一些大同小异的高杆灯灯盘返转式 的挂脱钩装置 ,应该说是成功的 ,但存在着一个共同 的缺点 ,即灯盘上升到杆顶处 ,很易导制三只挂钩未 能顺利返转而无法理想挂钩 ,主要原因是灯盘不平衡 引起返转时间差移 ,使其中一只挂钩无法完成返转而 造成的。 为此 ,不得不反复升降灯盘 ,以完成挂钩动 作。有些厂家只好在产品说明书上规定 ,如遇有风日 , 不能上挂灯盘 (因有风时 ,灯盘受风荷载作用较大 ,更 易引起灯盘的不平衡 );而有些厂家为避免上述情况 则直接用钢索把一些自重尚不是太大的灯盘直接悬 吊在杆顶区 ,这在行家看来是可行的 ,但未免欠安全。 为此笔者和所在单位的技术人员研制了电磁阀挂、脱 钩装置。用电磁力促使三只挂钩具有相同的返转时间 并加大返转力度 ,可在非正常气象条件下 ,实现灯盘 一次性挂、脱钩成功。 两年来的高杆灯制作安装实践 表明 ,这一技术是成熟、可靠的。 

5 高杆灯的电器控制 高杆灯的电器控制包括照明控制和升降系统的 电器控制两大部分。 将两者有机地结合在一起 ,做成 控制箱组装在杆根部 ,便于控制管理。 

( 1) 96%以上的高杆灯照明为所有照明灯具在一 根照明电缆的管控下或采用时控、光控、手控等三相 四线制照明 ,整基高杆灯线路功率因数要求≥ 85%。 

( 2)少数高杆灯为了分批分时启用照明灯具 ,使 用两根照明电缆 ,这是不妥的。 因两根照明电缆和三 根提升的分钢索在很有限的高杆灯灯杆管体内 ,升降时 ,极易绞在一起而引发意外。 其实只要用一根电缆 引入灯盘后先安装一些灯具 ,再通过时间控制器和交 流接触器控制另一部灯具的照明启闭时间 ,就能达到 照明要求。 

( 3)升降系统的电器控制参见本文 3. 2节。 

6 高杆灯的底座和基础 高杆灯的底座 ,这里指环形底板和地脚紧固螺 栓。 环形底板一般用 δ25～ δ30厚的钢板制成 ,通过 杆根外围的支撑板和杆根焊接成一体 ,以增加杆根处 的强度。 环形底板的圆环面积尽可能做大些 ,以增加与基 础的接触面积 ,增大整基高杆灯地上部分的稳定角 , 减小对基础的压强。 地脚紧固螺栓为制作基础时预埋 ,一般取 12～ 16只 ,其直径和钢材型号的选择必须通过杆根处整 基高杆灯风荷载总弯矩∑ M 的计算以及它对地脚螺 栓所产生的轴向拉力 F的测算方可决定。 预制的高杆灯地面以下的基础 ,必须符合 GB J7 - 89建筑地基基础设计规范承载的计算。