可立可倒式風(fēng)桿設(shè)計(jì)方案研究

劉彥章

（河北省石家莊水文水資源勘測(cè)局，石家莊052560）

風(fēng)向、風(fēng)速儀支架桿（簡(jiǎn)稱風(fēng)桿）一般多采用固定的豎直鐵管、用拉絲穩(wěn)固的方式，由于拉絲的影響使觀測(cè)場(chǎng)外觀形象顯得雜亂不美觀，又由于風(fēng)桿是固定的，對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速儀維修及風(fēng)桿上漆維護(hù)很不方便。于是，在北中山旱情試驗(yàn)站建設(shè)過(guò)程中設(shè)計(jì)出一種方便豎立又容易放倒且無(wú)拉絲穩(wěn)固的風(fēng)桿。

可立、可倒風(fēng)桿的底部設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)。風(fēng)桿材料下部為外徑75mm的無(wú)縫鋼管，壁厚8mm，長(zhǎng)3.5m，上部為外徑60mm的鍍鋅焊管，壁厚4mm，長(zhǎng)7.0m，兩根管子結(jié)合處以焊管套裝在無(wú)縫管內(nèi)20cm并打孔固定。設(shè)計(jì)采用兩種方案使風(fēng)桿豎立和放倒：①用千斤頂頂支風(fēng)桿根部使其豎立倒放；②在風(fēng)桿中部某一部位斜拉卷?yè)P(yáng)使其豎立倒放。

1 千斤頂頂支方案

要將風(fēng)桿順利豎立或放倒需要多大力量即需多大型號(hào)千斤頂，千斤頂放置于何處、如何放置是設(shè)計(jì)方案分析的主要內(nèi)容。

風(fēng)桿結(jié)構(gòu)及頂支過(guò)程受力示意如圖1。

圖1 風(fēng)桿受力示意圖

圖1中，O為風(fēng)桿轉(zhuǎn)軸，OP為風(fēng)桿處于某一位置，與水平方向夾角為β，將千斤頂放置于A，對(duì)風(fēng)桿的作用力為F，放置升頂方向與水平方向夾角為α，B為風(fēng)桿豎立或放倒過(guò)程中千斤頂對(duì)風(fēng)桿力的作用點(diǎn)，G1、G2、G3分別為無(wú)縫管、焊管、風(fēng)速風(fēng)向儀及其固定附件重量，分別為46，38，3kg，依上述條件及力學(xué)原理，可以建立如下關(guān)系：

通過(guò)式（1）可知，F(xiàn)是α、β及OA的函數(shù)?？紤]到一般民用小型千斤頂?shù)捻斏熳畲缶嚯x小于0.25m，這就決定著千斤頂必須放在離轉(zhuǎn)軸O較近的地方，暫確定OA=0.2m，由此推算出不同α、β下所需千斤頂頂力F大小。圖2是當(dāng)α=15°，30°，45°，60°，75°時(shí)F與β關(guān)系曲線。

圖2 F～α～β關(guān)系曲線

通過(guò)圖2可以看出：一定α下，千斤頂在水平位置時(shí)需要較大的頂力，因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)桿的力矩最大，當(dāng)α=15°，30°，45°，60°，75°對(duì)應(yīng)的所需頂力分別為8.25，4.27，3.02，2.46，2.21t，如果要將風(fēng)桿頂起，千斤頂所提供的頂力必須等于大于以上相應(yīng)值。隨著β的加大，所需頂力逐步變??；α越小，所需千斤頂頂力越大，所要求千斤頂?shù)捻敵蹋ㄗ畲箜斏炀嚯x）較小，反之α越大，所需頂力越小，所要求的頂程較大。

在上述分析中沒有考慮千斤頂頂程限制，認(rèn)為其可頂伸的距離無(wú)限，直至頂?shù)截Q直狀態(tài)，實(shí)際上是做不到的，尤其是當(dāng)α很大時(shí)，將風(fēng)桿頂至豎直狀態(tài)所要求的頂伸距離很大，一般小型千斤頂達(dá)不到其要求，經(jīng)測(cè)量小型千斤頂頂程范圍一般在0.15～0.25m之間，從圖1中的A點(diǎn)起頂，頂?shù)揭欢ń嵌染晚敳粍?dòng)了，因此，要將頂程考慮進(jìn)去。圖1中，千斤頂頂伸距離為AB，AB小于等于頂程，AB同α、β的關(guān)系為：

以某一型號(hào)實(shí)測(cè)頂程0.19m為控制，結(jié)合式（2）對(duì)式（1）進(jìn)行修正，當(dāng)AB大于0.19m時(shí)，令F=0，F(xiàn)=0不意味著升立風(fēng)桿不需要力量了，以F=0僅代表此時(shí)已超出千斤頂使用范圍。修正后的F與α、β關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可見，當(dāng)α=15°時(shí)，千斤頂可將風(fēng)桿頂至70°位置，但需要千斤頂提供的頂力較大約8t，這意味著需選用較大型號(hào)千斤頂；當(dāng)α=75°時(shí)，需要千斤頂提供的頂力較小僅約2t，這意味著只需選用較小型號(hào)千斤頂即可，但是此時(shí)卻僅能將風(fēng)桿頂至50°位置，離豎直位置還差很多，這說(shuō)明α=15°，75°都不宜采用。α=30°，45°時(shí)，需要千斤頂提供的頂力約3～4t，小型千斤頂都能滿足要求，可頂起的角度60°～65°，已接近豎直位置，這兩種放置角度應(yīng)作為可考慮范圍。

圖3 F～α～β關(guān)系曲線（考慮頂程）

基于儀器檢修及風(fēng)桿上漆維護(hù)考慮，風(fēng)桿不需要完全放置到水平位置，比如放到β=10°時(shí)就可以進(jìn)行各種維修維護(hù)，因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)桿頂端距離地面僅約1.8m，這樣千斤頂放置位置可抬高10°，可頂起的角度也就更高一些。以α=45°、起頂角度10°、放置點(diǎn)OA仍為0.2m重新分析。

此時(shí)仍將其歸納到水平位置時(shí)起頂考慮。在β=10°射線上在OA=0.2m的A點(diǎn)作α=45°的斜線，交水平線于A′點(diǎn)，這樣相當(dāng)于千斤頂放置于A′點(diǎn)并在此點(diǎn)開始起頂。經(jīng)計(jì)算，AA′=0.05m，相當(dāng)于頂程較原來(lái)增加了0.05m；OA′=0.23m，相當(dāng)于放置點(diǎn)較原來(lái)遠(yuǎn)離了O點(diǎn)0.03m。經(jīng)重新整理計(jì)算，起頂點(diǎn)提高10°，相同頂程下可頂起的角度也提高10°，此時(shí)可頂起角度達(dá)70°，而且，起始頂力減少為2.58t。

當(dāng)風(fēng)桿角度β達(dá)70°時(shí)，已很接近豎直位置了，此時(shí)風(fēng)桿所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為0.9×0.23×sin45°=0.15t·m，如果兩人在風(fēng)桿上距離O點(diǎn)1.5m的地方用力就能將風(fēng)桿推至豎直位置，之后，將銷子或螺絲鎖緊固定風(fēng)桿。

通過(guò)以上分析，選用多大型號(hào)千斤頂、千斤頂放置于何處、如何放置的基本輪廓為：千斤頂選用3～5t的，放置在風(fēng)桿與水平夾角10°左右離轉(zhuǎn)軸0.18～0.25m處，頂力方向與水平夾角為30°～45°。按這樣的要求進(jìn)行建設(shè)施工就能達(dá)到順利升立和放倒目的。需要說(shuō)明，千斤頂宜采用齒輪式的而不用油壓式的，因?yàn)榍Ы镯斝枰獌A斜放置，而傾斜放置對(duì)于油壓式千斤頂可能影響其性能的發(fā)揮，此外，油壓式在風(fēng)桿放倒過(guò)程中可能由于放油開關(guān)掌握不好造成下降忽快忽慢速度不穩(wěn)易出危險(xiǎn)，而齒輪式就不存在這種問(wèn)題，擺動(dòng)搖桿則升或降，不搖則不動(dòng)，安全系數(shù)高。

2 斜拉卷?yè)P(yáng)方案

要將風(fēng)桿斜拉起來(lái)需要多大力量，相應(yīng)卷?yè)P(yáng)部件如何配置是此設(shè)計(jì)方案分析的主要內(nèi)容。

圖4是斜拉卷?yè)P(yáng)方案風(fēng)桿受力示意圖。圖中，B為斜拉繩索作用點(diǎn)，A為卷?yè)P(yáng)部件位置，F(xiàn)為繩索拉力，其他同前述。結(jié)合前面分析，有如下關(guān)系：

圖4 斜拉式風(fēng)桿受力示意圖

如果卷?yè)P(yáng)部件在豎直方向上設(shè)置在高出O點(diǎn)位置，拉升風(fēng)桿時(shí)會(huì)更省力。高出高度為h，重新分析整理得到如下關(guān)系：

式（3）、式（4）是式（5）、式（6）在h=0m時(shí)的特例。繩索斜拉作用點(diǎn)設(shè)置在無(wú)縫管和焊管接合處，即OB=3.5m，受本站場(chǎng)地限制，卷?yè)P(yáng)部件設(shè)置在距O點(diǎn)8m處，OA=8m。由此可計(jì)算出風(fēng)桿不同位置時(shí)所需拉力，F(xiàn)～β關(guān)系見圖5。

圖5 F～α～β關(guān)系曲線（斜拉式）

由圖5可見，在h=0m和h=0.5m時(shí)拉起風(fēng)桿（風(fēng)桿起始位位置按β=10°考慮）斜拉繩索需要提供的最大拉力為0.99，0.73t。

卷?yè)P(yáng)部件設(shè)計(jì)：卷?yè)P(yáng)器可借用貨運(yùn)汽車緊線器，卷?yè)P(yáng)筒半徑4cm，卷?yè)P(yáng)時(shí)人所能提供的最大臂力按40kg考慮，斜拉繩索最大拉力按0.99t考慮，則卷?yè)P(yáng)臂半徑為4×990/40=99cm。近1m的卷?yè)P(yáng)臂半徑計(jì)算結(jié)果似乎很難操作，假若h=0m為地面，以h=0m進(jìn)行操作，則還要向下挖1m的深坑才能施展開卷?yè)P(yáng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，不宜采用h=0m的方案。按h=0.5m考慮，斜拉繩索拉力還需要再次減力，在B點(diǎn)可設(shè)一滑輪，按動(dòng)滑輪結(jié)構(gòu)卷?yè)P(yáng)，在h=0.5m時(shí)，卷?yè)P(yáng)筒上的繩索拉力減小一半為0.37t，若其他條件不變，則卷?yè)P(yáng)臂半徑為37cm。

通過(guò)以上計(jì)算，斜拉卷?yè)P(yáng)方案有關(guān)數(shù)據(jù)確立，即以動(dòng)滑輪形式卷?yè)P(yáng)，動(dòng)滑輪設(shè)置于風(fēng)桿上距轉(zhuǎn)軸點(diǎn)3.5m處，繩索長(zhǎng)度最少23m；卷?yè)P(yáng)部件放置于水平距離距風(fēng)桿轉(zhuǎn)軸點(diǎn)8m處，豎直位置在風(fēng)桿轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)以上0.5m處，卷?yè)P(yáng)臂半徑37cm。

這一方案的繩索一般情況下是不掛在風(fēng)桿上，只有需要升降風(fēng)桿時(shí)才臨時(shí)連起來(lái)，平時(shí)收卷在卷筒上，使風(fēng)桿整體美觀。

3 兩種方案比較

千斤頂頂支方案結(jié)構(gòu)緊湊，施工難度大，尤其是千斤頂如何固定是施工中必須要考慮的內(nèi)容，而且齒輪式千斤頂不易購(gòu)得，造價(jià)高。斜拉卷?yè)P(yáng)方案結(jié)構(gòu)分散，但容易施工，各個(gè)部件容易購(gòu)得，造價(jià)低。在結(jié)構(gòu)美觀上前者應(yīng)好于后者。經(jīng)綜合比較，在實(shí)際施工時(shí)采用了后者。

4 基座設(shè)計(jì)

4.1 風(fēng)桿風(fēng)荷載計(jì)算

考慮風(fēng)力對(duì)風(fēng)桿的影響，設(shè)計(jì)一定尺寸的混凝土基座，以確保風(fēng)桿不被吹倒。

風(fēng)桿受風(fēng)的作用力可按3部分考慮：下部的無(wú)縫管、中部的焊管、頂部的儀器支撐件。

經(jīng)伯努利方程推導(dǎo)，自由氣流的風(fēng)速提供的單位面積上的風(fēng)壓力為：

式中 wp為風(fēng)壓（kN/m2）；ρ為空氣密度（kg/m3）；v為風(fēng)速（m/s）。

空氣密度ρ和重度r的關(guān)系為r=ρ·g，因此有ρ=r/g。代入式（7），得到標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式：

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（氣壓為1013hPa，溫度為15 ℃），空氣重度r=0.01225kN/m3。緯度為45°處的重力加速度g=9.8m/s2，再整理得到：

由于風(fēng)壓與大氣壓邊界層內(nèi)地表粗糙度和高度有關(guān)，又考慮到多數(shù)建筑物都是非流線體，當(dāng)氣流繞過(guò)建筑物時(shí)會(huì)產(chǎn)生分離、匯合等現(xiàn)象，引起建筑物表面壓力分布不均勻。為了反映建筑結(jié)構(gòu)上平均風(fēng)壓受到各種因素和情況影響，我國(guó)荷載規(guī)定把結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)壓計(jì)算公式規(guī)定為：

式中 P為作用在結(jié)構(gòu)單位面積上的風(fēng)載荷（風(fēng)壓）；Kz為重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)，一般取1；β為風(fēng)振系數(shù)，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的規(guī)定，將風(fēng)振系數(shù)取為1.3；μ為風(fēng)載體型系數(shù)，平面迎風(fēng)體取為1.2，圓滑面迎風(fēng)體取為0.8；ω2為建筑物所在地區(qū)的基本風(fēng)壓，按抗10～11級(jí)風(fēng)考慮（風(fēng)速按30m/s計(jì)）。

經(jīng)計(jì)算作用在風(fēng)桿上的風(fēng)力為：

下部的無(wú)縫管部分：F1=1.3×0.8×30×30/1600×0.07×3.5=0.154kN

中部的焊管部分：F2=1.3×0.8×30×30/1600×0.06×7=0.246kN

頂部的儀器附件部分：F3=1.3×1.2×30×30/1600×0.04×1.0=0.035kN

其中，頂部的儀器支撐件為寬0.04m，長(zhǎng)1.0m的角鋼。

4.2 風(fēng)桿風(fēng)荷載對(duì)基座產(chǎn)生的彎矩

初步擬定基座混凝土尺寸0.5m×0.5m×0.5m，混凝土密度按2400kg/m3計(jì)。

則風(fēng)桿各部分風(fēng)荷載對(duì)基座的彎矩相應(yīng)地為：

下部M1=0.154×（1.75+0.5）=0.347kN·m

中部M2=0.246×（6.5+0.5）=1.722kN·m

頂部M3=0.035×（10.5+0.5）=0.385kN·m

風(fēng)荷載對(duì)風(fēng)桿基座的傾翻彎矩為：M1+M2+M3=2.454kN·m。

4.3 抵抗風(fēng)荷載力矩

抵抗風(fēng)荷載力矩分為兩部分：①基座自重和風(fēng)桿自重產(chǎn)生的力矩；②基座側(cè)面土壤對(duì)其產(chǎn)生的抗傾翻力矩。

自重力矩為：M4=（0.53×2400+87）×9.8×0.25=0.948kN·m。

側(cè)面土壤抗傾翻力矩通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推求。取1根寬3.5cm、長(zhǎng)1m、厚15mm的扁鋼，在一端焊一橫梁（長(zhǎng)約1m），將扁鋼埋入土中50cm，在埋的過(guò)程中邊埋邊用鐵锨柄杵砸，使土壤相對(duì)密實(shí)。在橫梁一端懸掛重物并逐漸增加，當(dāng)扁鋼處的土壤開始明顯變形，或扁鋼和橫梁組成的部件傾翻時(shí)，記下懸掛重量和懸掛點(diǎn)據(jù)焊接點(diǎn)處的距離，即可求出土壤側(cè)面抗傾翻彎矩。經(jīng)多次試驗(yàn)，寬度為0.035m，深度為0.5m的側(cè)面土壤抗傾翻彎矩（平均值）為0.235kN·m，同時(shí)土壤測(cè)試環(huán)境為：土壤質(zhì)地為壤土，扁鋼周圍土壤干容重1.58g/cm3，重量含水率18%。改變土壤測(cè)試環(huán)境，降水后土壤抗傾覆能力減弱，當(dāng)出現(xiàn)一次50～60mm降雨幾小時(shí)后，用同樣方法測(cè)試，結(jié)果為平均彎矩0.176kN·m，相應(yīng)重量含水率24%。以最不利情況考慮，在埋深0.5m情況下，土壤側(cè)面抗傾翻力矩為：每0.035m×0.5m面積按0.176kN·m考慮。由此，用同倍比放大法推出0.5m×0.5m×0.5m基座側(cè)面抗傾翻力矩為M5=2.515kN·m。

4.4 比較風(fēng)荷載彎矩和基座抵抗傾翻基座產(chǎn)生的彎矩

基座總的抗傾翻力矩為M4+M5=3.463kN·m，大于風(fēng)荷載彎矩2.454kN·m，說(shuō)明采用這樣的基座是安全的。但是為了慎重起見，實(shí)際施工時(shí)基座可采用放大腳的形式加以改進(jìn)，以增大自重抗傾翻彎矩，比如放大腳尺寸設(shè)定為0.8m×0.8m×0.2m，這會(huì)大大增強(qiáng)風(fēng)桿抗傾覆能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文目的意在引導(dǎo)人們能制作出形式多樣的風(fēng)桿，在制作過(guò)程中對(duì)可能出現(xiàn)的情況加以考慮，并針對(duì)問(wèn)題加以分析處理。

［1］王路珍.交通指路牌的抗風(fēng)能力分析［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，21（2）：19-22.

［2］GB50009—2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［3］中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)場(chǎng)值班室建設(shè)規(guī)范［R］.

［4］李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］GBJ50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃［S］.

［6］GB/T19201—2006，熱帶氣旋等級(jí)［S］.