摘  要：每次臺風(fēng)來(lái)臨，戶(hù)外路燈燈桿都需要面臨一次抗風(fēng)考驗，隨著(zhù)城市現代化的推進(jìn)，金屬桿路燈已取代了水泥桿路燈，其已成為了主流的道路照明設施，路燈線(xiàn)路也由架空線(xiàn)轉向地埋電纜敷設。建設地埋管線(xiàn)的金屬桿路燈對路燈的基礎施工有比較嚴格的強度要求，涉及到基礎螺桿、基礎混凝土本身強度、基礎周?chē)鷩翂簩?shí)度等幾個(gè)方面的安全性驗算。本文針對路燈基礎螺桿的設計尺寸和設計強度進(jìn)行安全性校驗計算，同時(shí)對當前普遍存在的路燈傾斜原因進(jìn)行系統分析。

關(guān)鍵詞：城市照明 抗風(fēng)強度 路燈安全校驗 路燈傾斜

   在城市照明施工圖設計中，通常會(huì )根據道路的等級、路面材料、結構形式、道路長(cháng)度選定照明設計標準值包括平均照度、照度均勻度、功率密度、環(huán)境比等，根據這些標準值選定燈桿類(lèi)型、光源類(lèi)型和光源功率、布燈方式、設計間距、電纜類(lèi)型等，然后通過(guò)平均照度的計算、功率密度的計算、線(xiàn)路壓降的計算等驗算是否達到照明設計標準，其中涉及到燈桿詳細結構、基礎配套設計、燈具配套設計等都是按照通用配套定制，這其中涉及的燈桿強度、基礎強度、基礎螺桿強度、地基土質(zhì)等均沒(méi)有做很詳細的安全性校核。本文針對路燈基礎螺桿的強度進(jìn)行受力分析并驗算基礎安全性，并對路燈施工中常見(jiàn)的燈桿歪斜原因進(jìn)行分析。

一、運行條件假設

我們假定一套常規單彎臂路燈，燈高10米（燈具中心線(xiàn)到基礎法蘭平面的垂直高度），要求抗風(fēng)等級為12級臺風(fēng)?；A為無(wú)錫標準1.4米常規基礎，燈桿法蘭尺寸360*360mm，基礎法蘭尺寸410*410mm,基礎螺桿為4*M20，螺桿中心距為?290mm，燈桿、基礎螺桿均為Q235鋼，燈桿底部外直徑?180，頂部直徑?68。另假設燈桿無(wú)彈性變形，燈桿和基礎混凝土本身均能滿(mǎn)足12級臺風(fēng)極限下不發(fā)生變形或破壞的強度要求，燈桿法蘭和基礎法蘭均能在極限條件下不發(fā)生變形破壞，基礎基坑穩固。燈桿和基礎詳細結構圖如下：

二、燈桿受力分析

1、受力圖簡(jiǎn)化

根據材料力學(xué)分析，我們可以看出，燈桿在未發(fā)生傾斜前，基礎法蘭接觸面上四個(gè)固定螺桿均承受了單一拉伸力，在燈桿發(fā)生傾斜后才會(huì )在基礎螺桿上產(chǎn)山扭矩和剪力。受力的極限情況是在氣流順著(zhù)挑臂的方向水平通過(guò)。挑臂和燈具重量導致的傾覆力矩對燈桿基礎的影響很小暫時(shí)不予考慮?？梢钥闯鰺魲U受力的支點(diǎn)在燈桿下方的法蘭邊緣，圖中用三角形標識，燈桿受到的風(fēng)力為均布載荷，基礎螺桿承受的拉力為均等受力。燈桿受力圖簡(jiǎn)化如下：

2、受力分析

按照抗12級臺風(fēng)設計，風(fēng)速V=36.9m/s，風(fēng)壓為P=V2/1.6=851.01N/m2.燈桿為錐形燈桿，迎風(fēng)面積S1=（D+d）*H/2=(0.18+0.068)*10/2=1.24m2。燈具迎風(fēng)面積約為S2=0.3m2。臺風(fēng)氣流對燈桿的扭矩隨燈桿截面不同和高度不同而動(dòng)態(tài)變化，這里采用近似計算。風(fēng)力對基礎的著(zhù)力點(diǎn)近似為上下迎風(fēng)面積相等的位置受力，根據計算得出此位置離燈桿基礎法蘭的距離為L1=2.93m，燈具受風(fēng)力影響作用距離為L2=10m，假設每個(gè)螺桿受到的拉力為F，根據作用力與反作用力，螺桿對法蘭產(chǎn)生的拉力也為F，可以得到如圖4的受力分析圖，其中Fa=Fb=F。

3、基礎螺桿受力計算

   風(fēng)力在燈桿上產(chǎn)生的力矩為M風(fēng)=F1*L1=P*S1*L1=851.01*1.24*2.93=3091.89N·m

   風(fēng)力在燈具上產(chǎn)生的力矩為M燈=F2*L2=P*S2*L2=851.01*0.3*10=2553.03N·m

   螺桿對燈桿法蘭的拉力矩為M螺桿=2Fa*La+2Fb*Lb=2Fa*0.2825+2Fb*0.0747

根據力矩平衡，M螺桿=M風(fēng)+M燈

根據受力分析，螺桿受力均等，Fa=Fb

得出最終單根螺桿的受力F=7901.62N

三、基礎螺桿實(shí)際受力極限計算

   根據條件，基礎螺桿材質(zhì)Q235，設計抗拉強度取215MPa，查詢(xún)設計手冊，M20小徑為17.29mm，可算出M20螺桿有效截面積為πr2=234.79mm2，所以許用拉力為

F許=215*234.79=50.480KN，即作用在單根螺桿上的拉力超過(guò)F許就可能由彈性變形轉變成塑性變形，從而在最薄弱位置出現頸縮，頸縮達到一定程度就會(huì )產(chǎn)生斷裂破壞。對燈桿基礎來(lái)說(shuō)，在發(fā)生塑性變形的瞬間，基礎螺桿的受力由單一拉伸變成拉彎組合，會(huì )加快螺桿破壞的進(jìn)度。

四、基礎螺桿安全性鑒定

   根據以上計算，路燈在遭受12級臺風(fēng)的情況下，基礎單根螺桿實(shí)際受到的瞬間拉力遠小于基礎螺桿的許用拉力F許，即F<F許，在路燈燈桿本身不發(fā)生變形破壞、基礎混凝土強度足夠、基礎坑壓實(shí)度達到安全要求的前提下，是安全的。這里未考慮動(dòng)載荷對基礎螺桿的影響，未考慮風(fēng)載在燈桿上不均勻平衡分布的情況。從安全系數的角度考慮，路燈燈桿安全系數S=F許/F=6.39，遠大于1.3的安全系數設計值。因道路照明對燈桿安全性設計未做詳細要求，就需要我們在以后的研究中逐漸完善這一個(gè)指標。

五、常見(jiàn)路燈傾斜原因分析

通過(guò)多個(gè)城市的路燈調研，我們常常會(huì )發(fā)現，原先建設階段均調試到位的路燈經(jīng)過(guò)一兩年的運行后，常常出現燈桿傾斜的現象，在燈桿傾斜到一定程度后基本就看不出繼續擴大的跡象，除非遇到惡劣天氣的影響會(huì )進(jìn)一步傾斜甚至出現燈桿傾倒現象。但是建設在高架擋墻的路燈從來(lái)沒(méi)有出現傾斜的現象，甚至燈桿被撞折斷了燈桿法蘭根部依然牢牢的固定在基礎法蘭上。分析原因，不外乎以下幾個(gè)方面。

1、地基原因。我們知道，通常道路照明工程都是跟著(zhù)道路工程同步建設的，新建道路在機非分隔帶或中央綠化帶一般需要經(jīng)過(guò)土方開(kāi)挖外運和綠化土回填的過(guò)程，新回填的綠化土一般只做整平，不做壓實(shí)處理，而路燈燈位設計一般都會(huì )選擇這兩個(gè)地方，這就導致新的路燈基坑開(kāi)挖和基礎制作完成（無(wú)論是預制的還是現澆的）后，基礎周邊的土質(zhì)壓實(shí)度不能滿(mǎn)足要求，而且一般路燈施工很少會(huì )對基礎位置泥土進(jìn)行充分壓實(shí)處理，這就導致路燈安裝到位后，隨著(zhù)基礎周?chē)嗤恋某两岛吐窡羰茱L(fēng)力影響不斷搖晃，燈桿開(kāi)始慢慢向一側傾斜。在人行道或有鋪裝的路面安裝的路燈，因人行道路基均進(jìn)行了一定的壓實(shí)處理，鋪裝完成后也會(huì )對基礎周?chē)鹨欢ǖ姆€固作用，所以這些地方安裝的路燈很少發(fā)生歪斜的現象。

2、基礎原因。由于基礎本身的混凝土強度不夠導致基礎開(kāi)裂、螺桿在基礎混凝土中出現松動(dòng)，基礎墊片固定不牢導致跑位，這些都會(huì )導致基礎螺桿出現松動(dòng)、旋轉甚至被拔出的現象。

3、螺桿原因?；A螺桿導致的燈桿歪斜較少， 一般原因是螺桿螺母緊固不到位或未按要求設置墊片和雙螺母，還有的情況是野蠻施工導致其中一個(gè)或兩個(gè)螺桿斷裂后未做補救措施，極少是因為螺桿設計強度不夠導致螺桿拉斷的，但是個(gè)別建設或施工單位為節省投資使用了過(guò)細的螺桿或者劣質(zhì)的螺桿，加上后期維護保養不到位，螺桿銹蝕嚴重，會(huì )帶來(lái)燈桿在受到?jīng)_擊力的情況下瞬間倒地造成嚴重后果。

4、基礎法蘭原因。這種原因也比較多見(jiàn)，表現為基礎法蘭盤(pán)厚度不夠，未達到設計尺寸或砂漿包封過(guò)多沒(méi)過(guò)基礎法蘭，這些都會(huì )造成燈桿失穩。

六、對基礎螺桿受力分析的意義

經(jīng)過(guò)路燈基礎螺桿進(jìn)行受力分析，我們可以從設計角度出發(fā)，引入安全系數的概念，通過(guò)查詢(xún)機械設計手冊或相關(guān)工具書(shū)，可以很快的選取合適的螺桿設計尺寸，在保障設計質(zhì)量的同時(shí)，確保路燈的運行安全。同時(shí)，針對不是很高的路燈燈桿基礎設計，可以在驗算了安全性的前提下，選用小號的螺桿尺寸，從而節省建設成本，減少資源浪費，尤其在小區庭院燈的基礎設計上，意義更大。當然，僅對路燈螺桿的強度進(jìn)行驗算還遠遠不能保證路燈運行的安全，還需要對路燈基礎尺寸和混凝土強度進(jìn)行驗算，保證基礎本身能滿(mǎn)足安全運行的要求，同時(shí)要對基礎地基和基坑周?chē)靥钔恋膲簩?shí)度進(jìn)行計算，給出明確的基礎周?chē)鷫簩?shí)度要求及不能滿(mǎn)足的情況下的基礎加固措施，從而指導施工。有著(zhù)這三類(lèi)安全計算，照明設計的施工圖會(huì )更豐滿(mǎn)、更全面、更安全。

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