摘  要：每次臺風(fēng)來臨，戶外路燈燈桿都需要面臨一次抗風(fēng)考驗，隨著城市現(xiàn)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(shè)施，路燈線路也由架空線轉(zhuǎn)向地埋電纜敷設(shè)。建設(shè)地埋管線的金屬桿路燈對路燈的基礎(chǔ)施工有比較嚴(yán)格的強(qiáng)度要求，涉及到基礎(chǔ)螺桿、基礎(chǔ)混凝土本身強(qiáng)度、基礎(chǔ)周圍圍土壓實度等幾個方面的安全性驗算。本文針對路燈基礎(chǔ)螺桿的設(shè)計尺寸和設(shè)計強(qiáng)度進(jìn)行安全性校驗計算，同時對當(dāng)前普遍存在的路燈傾斜原因進(jìn)行系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：城市照明 抗風(fēng)強(qiáng)度 路燈安全校驗 路燈傾斜

   在城市照明施工圖設(shè)計中，通常會根據(jù)道路的等級、路面材料、結(jié)構(gòu)形式、道路長度選定照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值包括平均照度、照度均勻度、功率密度、環(huán)境比等，根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)值選定燈桿類型、光源類型和光源功率、布燈方式、設(shè)計間距、電纜類型等，然后通過平均照度的計算、功率密度的計算、線路壓降的計算等驗算是否達(dá)到照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其中涉及到燈桿詳細(xì)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)配套設(shè)計、燈具配套設(shè)計等都是按照通用配套定制，這其中涉及的燈桿強(qiáng)度、基礎(chǔ)強(qiáng)度、基礎(chǔ)螺桿強(qiáng)度、地基土質(zhì)等均沒有做很詳細(xì)的安全性校核。本文針對路燈基礎(chǔ)螺桿的強(qiáng)度進(jìn)行受力分析并驗算基礎(chǔ)安全性，并對路燈施工中常見的燈桿歪斜原因進(jìn)行分析。

一、運行條件假設(shè)

我們假定一套常規(guī)單彎臂路燈，燈高10米（燈具中心線到基礎(chǔ)法蘭平面的垂直高度），要求抗風(fēng)等級為12級臺風(fēng)?；A(chǔ)為無錫標(biāo)準(zhǔn)1.4米常規(guī)基礎(chǔ)，燈桿法蘭尺寸360*360mm，基礎(chǔ)法蘭尺寸410*410mm,基礎(chǔ)螺桿為4*M20，螺桿中心距為?290mm，燈桿、基礎(chǔ)螺桿均為Q235鋼，燈桿底部外直徑?180，頂部直徑?68。另假設(shè)燈桿無彈性變形，燈桿和基礎(chǔ)混凝土本身均能滿足12級臺風(fēng)極限下不發(fā)生變形或破壞的強(qiáng)度要求，燈桿法蘭和基礎(chǔ)法蘭均能在極限條件下不發(fā)生變形破壞，基礎(chǔ)基坑穩(wěn)固。燈桿和基礎(chǔ)詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如下：

二、燈桿受力分析

1、受力圖簡化

根據(jù)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(chǔ)法蘭接觸面上四個固定螺桿均承受了單一拉伸力，在燈桿發(fā)生傾斜后才會在基礎(chǔ)螺桿上產(chǎn)山扭矩和剪力。受力的極限情況是在氣流順著挑臂的方向水平通過。挑臂和燈具重量導(dǎo)致的傾覆力矩對燈桿基礎(chǔ)的影響很小暫時不予考慮?？梢钥闯鰺魲U受力的支點在燈桿下方的法蘭邊緣，圖中用三角形標(biāo)識，燈桿受到的風(fēng)力為均布載荷，基礎(chǔ)螺桿承受的拉力為均等受力。燈桿受力圖簡化如下：

2、受力分析

按照抗12級臺風(fēng)設(shè)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態(tài)變化，這里采用近似計算。風(fēng)力對基礎(chǔ)的著力點近似為上下迎風(fēng)面積相等的位置受力，根據(jù)計算得出此位置離燈桿基礎(chǔ)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(shè)每個螺桿受到的拉力為F，根據(jù)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(chǔ)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(jù)力矩平衡，M螺桿=M風(fēng)+M燈

根據(jù)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(chǔ)螺桿實際受力極限計算

   根據(jù)條件，基礎(chǔ)螺桿材質(zhì)Q235，設(shè)計抗拉強(qiáng)度取215MPa，查詢設(shè)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F許就可能由彈性變形轉(zhuǎn)變成塑性變形，從而在最薄弱位置出現(xiàn)頸縮，頸縮達(dá)到一定程度就會產(chǎn)生斷裂破壞。對燈桿基礎(chǔ)來說，在發(fā)生塑性變形的瞬間，基礎(chǔ)螺桿的受力由單一拉伸變成拉彎組合，會加快螺桿破壞的進(jìn)度。

四、基礎(chǔ)螺桿安全性鑒定

   根據(jù)以上計算，路燈在遭受12級臺風(fēng)的情況下，基礎(chǔ)單根螺桿實際受到的瞬間拉力遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)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(chǔ)混凝土強(qiáng)度足夠、基礎(chǔ)坑壓實度達(dá)到安全要求的前提下，是安全的。這里未考慮動載荷對基礎(chǔ)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(shù)的角度考慮，路燈燈桿安全系數(shù)S=F許/F=6.39，遠(yuǎn)大于1.3的安全系數(shù)設(shè)計值。因道路照明對燈桿安全性設(shè)計未做詳細(xì)要求，就需要我們在以后的研究中逐漸完善這一個指標(biāo)。

五、常見路燈傾斜原因分析

通過多個城市的路燈調(diào)研，我們常常會發(fā)現(xiàn)，原先建設(shè)階段均調(diào)試到位的路燈經(jīng)過一兩年的運行后，常常出現(xiàn)燈桿傾斜的現(xiàn)象，在燈桿傾斜到一定程度后基本就看不出繼續(xù)擴(kuò)大的跡象，除非遇到惡劣天氣的影響會進(jìn)一步傾斜甚至出現(xiàn)燈桿傾倒現(xiàn)象。但是建設(shè)在高架擋墻的路燈從來沒有出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)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(chǔ)法蘭上。分析原因，不外乎以下幾個方面。

1、地基原因。我們知道，通常道路照明工程都是跟著道路工程同步建設(shè)的，新建道路在機(jī)非分隔帶或中央綠化帶一般需要經(jīng)過土方開挖外運和綠化土回填的過程，新回填的綠化土一般只做整平，不做壓實處理，而路燈燈位設(shè)計一般都會選擇這兩個地方，這就導(dǎo)致新的路燈基坑開挖和基礎(chǔ)制作完成（無論是預(yù)制的還是現(xiàn)澆的）后，基礎(chǔ)周邊的土質(zhì)壓實度不能滿足要求，而且一般路燈施工很少會對基礎(chǔ)位置泥土進(jìn)行充分壓實處理，這就導(dǎo)致路燈安裝到位后，隨著基礎(chǔ)周圍泥土的沉降和路燈受風(fēng)力影響不斷搖晃，燈桿開始慢慢向一側(cè)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)行了一定的壓實處理，鋪裝完成后也會對基礎(chǔ)周圍起一定的穩(wěn)固作用，所以這些地方安裝的路燈很少發(fā)生歪斜的現(xiàn)象。

2、基礎(chǔ)原因。由于基礎(chǔ)本身的混凝土強(qiáng)度不夠?qū)е禄A(chǔ)開裂、螺桿在基礎(chǔ)混凝土中出現(xiàn)松動，基礎(chǔ)墊片固定不牢導(dǎo)致跑位，這些都會導(dǎo)致基礎(chǔ)螺桿出現(xiàn)松動、旋轉(zhuǎn)甚至被拔出的現(xiàn)象。

3、螺桿原因?；A(chǔ)螺桿導(dǎo)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(shè)置墊片和雙螺母，還有的情況是野蠻施工導(dǎo)致其中一個或兩個螺桿斷裂后未做補救措施，極少是因為螺桿設(shè)計強(qiáng)度不夠?qū)е侣輻U拉斷的，但是個別建設(shè)或施工單位為節(jié)省投資使用了過細(xì)的螺桿或者劣質(zhì)的螺桿，加上后期維護(hù)保養(yǎng)不到位，螺桿銹蝕嚴(yán)重，會帶來燈桿在受到?jīng)_擊力的情況下瞬間倒地造成嚴(yán)重后果。

4、基礎(chǔ)法蘭原因。這種原因也比較多見，表現(xiàn)為基礎(chǔ)法蘭盤厚度不夠，未達(dá)到設(shè)計尺寸或砂漿包封過多沒過基礎(chǔ)法蘭，這些都會造成燈桿失穩(wěn)。

六、對基礎(chǔ)螺桿受力分析的意義

經(jīng)過路燈基礎(chǔ)螺桿進(jìn)行受力分析，我們可以從設(shè)計角度出發(fā)，引入安全系數(shù)的概念，通過查詢機(jī)械設(shè)計手冊或相關(guān)工具書，可以很快的選取合適的螺桿設(shè)計尺寸，在保障設(shè)計質(zhì)量的同時，確保路燈的運行安全。同時，針對不是很高的路燈燈桿基礎(chǔ)設(shè)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(jié)省建設(shè)成本，減少資源浪費，尤其在小區(qū)庭院燈的基礎(chǔ)設(shè)計上，意義更大。當(dāng)然，僅對路燈螺桿的強(qiáng)度進(jìn)行驗算還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能保證路燈運行的安全，還需要對路燈基礎(chǔ)尺寸和混凝土強(qiáng)度進(jìn)行驗算，保證基礎(chǔ)本身能滿足安全運行的要求，同時要對基礎(chǔ)地基和基坑周圍回填土的壓實度進(jìn)行計算，給出明確的基礎(chǔ)周圍壓實度要求及不能滿足的情況下的基礎(chǔ)加固措施，從而指導(dǎo)施工。有著這三類安全計算，照明設(shè)計的施工圖會更豐滿、更全面、更安全。

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