灯杆基础抗风强度计算与路灯倾斜因素分析

摘  要：随着城市现代化的推进，金属杆路灯已取代了水泥杆路灯，其已成为了主流的道路照明设施，路灯线路也由架空线转向地埋电缆敷设。建设地埋管线的金属杆路灯对路灯的基础施工有比较严格的强度要求，涉及到基础螺杆、基础混凝土本身强度、基础周围围土压实度等几个方面的安全性验算。本文针对路灯基础螺杆的设计尺寸和设计强度进行安全性校验计算，同时对当前普遍存在的路灯倾斜原因进行系统分析。

关键词：城市照明 抗风强度 安全校验 路灯倾斜

在城市照明施工图设计中，通常会根据道路的等级、路面材料、结构形式、道路长度选定照明设计标准值包括平均照度、照度均匀度、功率密度、环境比等，根据这些标准值选定灯杆类型、光源类型和光源功率、布灯方式、设计间距、电缆类型等，然后通过平均照度的计算、功率密度的计算、线路压降的计算等验算是否达到照明设计标准，其中涉及到灯杆详细结构、基础配套设计、灯具配套设计等都是按照通用配套定制，这其中涉及的灯杆强度、基础强度、基础螺杆强度、地基土质等均没有做很详细的安全性校核。本文针对路灯基础螺杆的强度进行受力分析并验算基础安全性，并对路灯施工中常见的灯杆歪斜原因进行分析。

一、            运行条件假设

我们假定一套常规单弯臂路灯，灯高10米（灯具中心线到基础法兰平面的垂直高度），要求抗风等级为12级台风。基础为无锡标准1.4米常规基础，灯杆法兰尺寸360*360mm，基础法兰尺寸410*410mm,基础螺杆为4*M20，螺杆中心距为ø290mm，灯杆、基础螺杆均为Q235钢，灯杆底部外直径ø180，顶部直径ø68。另假设灯杆无弹性变形，灯杆和基础混凝土本身均能满足12级台风极限下不发生变形或破坏的强度要求，灯杆法兰和基础法兰均能在极限条件下不发生变形破坏，基础基坑稳固。灯杆和基础详细结构图如下：

二、灯杆受力分析

1、受力图简化

根据材料力学分析，我们可以看出，灯杆在未发生倾斜前，基础法兰接触面上四个固定螺杆均承受了单一拉伸力，在灯杆发生倾斜后才会在基础螺杆上产山扭矩和剪力。受力的极限情况是在气流顺着挑臂的方向水平通过。挑臂和灯具重量导致的倾覆力矩对灯杆基础的影响很小暂时不予考虑。可以看出灯杆受力的支点在灯杆下方的法兰边缘，图中用三角形标识，灯杆受到的风力为均布载荷，基础螺杆承受的拉力为均等受力。灯杆受力图简化如下：

2、受力分析

按照抗12级台风设计，风速V=36.9m/s，风压为P=V2/1.6=851.01N/m2.灯杆为锥形灯杆，迎风面积S1=（D+d）*H/2=(0.18+0.068)*10/2=1.24m2。灯具迎风面积约为S2=0.3m2。台风气流对灯杆的扭矩随灯杆截面不同和高度不同而动态变化，这里采用近似计算。风力对基础的着力点近似为上下迎风面积相等的位置受力，根据计算得出此位置离灯杆基础法兰的距离为L1=2.93m，灯具受风力影响作用距离为L2=10m，假设每个螺杆受到的拉力为F，根据作用力与反作用力，螺杆对法兰产生的拉力也为F，可以得到如图4的受力分析图，其中Fa=Fb=F。

3、基础螺杆受力计算

   风力在灯杆上产生的力矩为M风=F1*L1=P*S1*L1=851.01*1.24*2.93=3091.89N·m

   风力在灯具上产生的力矩为M灯=F2*L2=P*S2*L2=851.01*0.3*10=2553.03 N·m

   螺杆对灯杆法兰的拉力矩为M螺杆=2Fa*La+2Fb*Lb=2Fa*0.2825+2Fb*0.0747

根据力矩平衡，M螺杆=M风+M灯

根据受力分析，螺杆受力均等，Fa=Fb

得出最终单根螺杆的受力F=7901.62N

三、基础螺杆实际受力极限计算

根据条件，基础螺杆材质Q235，设计抗拉强度取215MPa，查询设计手册，M20小径为17.29mm，可算出M20螺杆有效截面积为πr2=234.79mm2，所以许用拉力为

F许=215*234.79=50.480KN，即作用在单根螺杆上的拉力超过F许就可能由弹性变形转变成塑性变形，从而在最薄弱位置出现颈缩，颈缩达到一定程度就会产生断裂破坏。对灯杆基础来说，在发生塑性变形的瞬间，基础螺杆的受力由单一拉伸变成拉弯组合，会加快螺杆破坏的进度。

四、基础螺杆安全性鉴定

根据以上计算，路灯在遭受12级台风的情况下，基础单根螺杆实际受到的瞬间拉力远小于基础螺杆的许用拉力F许，即F