可立可倒式风杆设计方案研究

刘彦章

（河北省石家庄水文水资源勘测局，石家庄052560）

风向、风速仪支架杆（简称风杆）一般多采用固定的竖直铁管、用拉丝稳固的方式，由于拉丝的影响使观测场外观形象显得杂乱不美观，又由于风杆是固定的，对风向、风速仪维修及风杆上漆维护很不方便。于是，在北中山旱情试验站建设过程中设计出一种方便竖立又容易放倒且无拉丝稳固的风杆。

可立、可倒风杆的底部设计为转轴结构。风杆材料下部为外径75mm的无缝钢管，壁厚8mm，长3.5m，上部为外径60mm的镀锌焊管，壁厚4mm，长7.0m，两根管子结合处以焊管套装在无缝管内20cm并打孔固定。设计采用两种方案使风杆竖立和放倒：①用千斤顶顶支风杆根部使其竖立倒放；②在风杆中部某一部位斜拉卷扬使其竖立倒放。

1 千斤顶顶支方案

要将风杆顺利竖立或放倒需要多大力量即需多大型号千斤顶，千斤顶放置于何处、如何放置是设计方案分析的主要内容。

风杆结构及顶支过程受力示意如图1。

图1 风杆受力示意图

图1中，O为风杆转轴，OP为风杆处于某一位置，与水平方向夹角为β，将千斤顶放置于A，对风杆的作用力为F，放置升顶方向与水平方向夹角为α，B为风杆竖立或放倒过程中千斤顶对风杆力的作用点，G1、G2、G3分别为无缝管、焊管、风速风向仪及其固定附件重量，分别为46，38，3kg，依上述条件及力学原理，可以建立如下关系：

通过式（1）可知，F是α、β及OA的函数。考虑到一般民用小型千斤顶的顶伸最大距离小于0.25m，这就决定着千斤顶必须放在离转轴O较近的地方，暂确定OA=0.2m，由此推算出不同α、β下所需千斤顶顶力F大小。图2是当α=15°，30°，45°，60°，75°时F与β关系曲线。

图2 F～α～β关系曲线

通过图2可以看出：一定α下，千斤顶在水平位置时需要较大的顶力，因为此时风杆的力矩最大，当α=15°，30°，45°，60°，75°对应的所需顶力分别为8.25，4.27，3.02，2.46，2.21t，如果要将风杆顶起，千斤顶所提供的顶力必须等于大于以上相应值。随着β的加大，所需顶力逐步变小；α越小，所需千斤顶顶力越大，所要求千斤顶的顶程（最大顶伸距离）较小，反之α越大，所需顶力越小，所要求的顶程较大。

在上述分析中没有考虑千斤顶顶程限制，认为其可顶伸的距离无限，直至顶到竖直状态，实际上是做不到的，尤其是当α很大时，将风杆顶至竖直状态所要求的顶伸距离很大，一般小型千斤顶达不到其要求，经测量小型千斤顶顶程范围一般在0.15～0.25m之间，从图1中的A点起顶，顶到一定角度就顶不动了，因此，要将顶程考虑进去。图1中，千斤顶顶伸距离为AB，AB小于等于顶程，AB同α、β的关系为：

以某一型号实测顶程0.19m为控制，结合式（2）对式（1）进行修正，当AB大于0.19m时，令F=0，F=0不意味着升立风杆不需要力量了，以F=0仅代表此时已超出千斤顶使用范围。修正后的F与α、β关系曲线如图3所示。由图3可见，当α=15°时，千斤顶可将风杆顶至70°位置，但需要千斤顶提供的顶力较大约8t，这意味着需选用较大型号千斤顶；当α=75°时，需要千斤顶提供的顶力较小仅约2t，这意味着只需选用较小型号千斤顶即可，但是此时却仅能将风杆顶至50°位置，离竖直位置还差很多，这说明α=15°，75°都不宜采用。α=30°，45°时，需要千斤顶提供的顶力约3～4t，小型千斤顶都能满足要求，可顶起的角度60°～65°，已接近竖直位置，这两种放置角度应作为可考虑范围。

图3 F～α～β关系曲线（考虑顶程）

基于仪器检修及风杆上漆维护考虑，风杆不需要完全放置到水平位置，比如放到β=10°时就可以进行各种维修维护，因为此时风杆顶端距离地面仅约1.8m，这样千斤顶放置位置可抬高10°，可顶起的角度也就更高一些。以α=45°、起顶角度10°、放置点OA仍为0.2m重新分析。

此时仍将其归纳到水平位置时起顶考虑。在β=10°射线上在OA=0.2m的A点作α=45°的斜线，交水平线于A′点，这样相当于千斤顶放置于A′点并在此点开始起顶。经计算，AA′=0.05m，相当于顶程较原来增加了0.05m；OA′=0.23m，相当于放置点较原来远离了O点0.03m。经重新整理计算，起顶点提高10°，相同顶程下可顶起的角度也提高10°，此时可顶起角度达70°，而且，起始顶力减少为2.58t。

当风杆角度β达70°时，已很接近竖直位置了，此时风杆所具有的转动力矩为0.9×0.23×sin45°=0.15t·m，如果两人在风杆上距离O点1.5m的地方用力就能将风杆推至竖直位置，之后，将销子或螺丝锁紧固定风杆。

通过以上分析，选用多大型号千斤顶、千斤顶放置于何处、如何放置的基本轮廓为：千斤顶选用3～5t的，放置在风杆与水平夹角10°左右离转轴0.18～0.25m处，顶力方向与水平夹角为30°～45°。按这样的要求进行建设施工就能达到顺利升立和放倒目的。需要说明，千斤顶宜采用齿轮式的而不用油压式的，因为千斤顶需要倾斜放置，而倾斜放置对于油压式千斤顶可能影响其性能的发挥，此外，油压式在风杆放倒过程中可能由于放油开关掌握不好造成下降忽快忽慢速度不稳易出危险，而齿轮式就不存在这种问题，摆动摇杆则升或降，不摇则不动，安全系数高。

2 斜拉卷扬方案

要将风杆斜拉起来需要多大力量，相应卷扬部件如何配置是此设计方案分析的主要内容。

图4是斜拉卷扬方案风杆受力示意图。图中，B为斜拉绳索作用点，A为卷扬部件位置，F为绳索拉力，其他同前述。结合前面分析，有如下关系：

图4 斜拉式风杆受力示意图

如果卷扬部件在竖直方向上设置在高出O点位置，拉升风杆时会更省力。高出高度为h，重新分析整理得到如下关系：

式（3）、式（4）是式（5）、式（6）在h=0m时的特例。绳索斜拉作用点设置在无缝管和焊管接合处，即OB=3.5m，受本站场地限制，卷扬部件设置在距O点8m处，OA=8m。由此可计算出风杆不同位置时所需拉力，F～β关系见图5。

图5 F～α～β关系曲线（斜拉式）

由图5可见，在h=0m和h=0.5m时拉起风杆（风杆起始位位置按β=10°考虑）斜拉绳索需要提供的最大拉力为0.99，0.73t。

卷扬部件设计：卷扬器可借用货运汽车紧线器，卷扬筒半径4cm，卷扬时人所能提供的最大臂力按40kg考虑，斜拉绳索最大拉力按0.99t考虑，则卷扬臂半径为4×990/40=99cm。近1m的卷扬臂半径计算结果似乎很难操作，假若h=0m为地面，以h=0m进行操作，则还要向下挖1m的深坑才能施展开卷扬臂转动，因此，不宜采用h=0m的方案。按h=0.5m考虑，斜拉绳索拉力还需要再次减力，在B点可设一滑轮，按动滑轮结构卷扬，在h=0.5m时，卷扬筒上的绳索拉力减小一半为0.37t，若其他条件不变，则卷扬臂半径为37cm。

通过以上计算，斜拉卷扬方案有关数据确立，即以动滑轮形式卷扬，动滑轮设置于风杆上距转轴点3.5m处，绳索长度最少23m；卷扬部件放置于水平距离距风杆转轴点8m处，竖直位置在风杆转轴O点以上0.5m处，卷扬臂半径37cm。

这一方案的绳索一般情况下是不挂在风杆上，只有需要升降风杆时才临时连起来，平时收卷在卷筒上，使风杆整体美观。

3 两种方案比较

千斤顶顶支方案结构紧凑，施工难度大，尤其是千斤顶如何固定是施工中必须要考虑的内容，而且齿轮式千斤顶不易购得，造价高。斜拉卷扬方案结构分散，但容易施工，各个部件容易购得，造价低。在结构美观上前者应好于后者。经综合比较，在实际施工时采用了后者。

4 基座设计

4.1 风杆风荷载计算

考虑风力对风杆的影响，设计一定尺寸的混凝土基座，以确保风杆不被吹倒。

风杆受风的作用力可按3部分考虑：下部的无缝管、中部的焊管、顶部的仪器支撑件。

经伯努利方程推导，自由气流的风速提供的单位面积上的风压力为：

式中 wp为风压（kN/m2）；ρ为空气密度（kg/m3）；v为风速（m/s）。

空气密度ρ和重度r的关系为r=ρ·g，因此有ρ=r/g。代入式（7），得到标准风压公式：

在标准状态下（气压为1013hPa，温度为15 ℃），空气重度r=0.01225kN/m3。纬度为45°处的重力加速度g=9.8m/s2，再整理得到：

由于风压与大气压边界层内地表粗糙度和高度有关，又考虑到多数建筑物都是非流线体，当气流绕过建筑物时会产生分离、汇合等现象，引起建筑物表面压力分布不均匀。为了反映建筑结构上平均风压受到各种因素和情况影响，我国荷载规定把结构的平均风压计算公式规定为：

式中 P为作用在结构单位面积上的风载荷（风压）；Kz为重现期调整系数，一般取1；β为风振系数，根据《高耸结构设计手册》的规定，将风振系数取为1.3；μ为风载体型系数，平面迎风体取为1.2，圆滑面迎风体取为0.8；ω2为建筑物所在地区的基本风压，按抗10～11级风考虑（风速按30m/s计）。

经计算作用在风杆上的风力为：

下部的无缝管部分：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

顶部的仪器附件部分：F3=1.3×1.2×30×30/1600×0.04×1.0=0.035kN

其中，顶部的仪器支撑件为宽0.04m，长1.0m的角钢。

4.2 风杆风荷载对基座产生的弯矩

初步拟定基座混凝土尺寸0.5m×0.5m×0.5m，混凝土密度按2400kg/m3计。

则风杆各部分风荷载对基座的弯矩相应地为：

下部M1=0.154×（1.75+0.5）=0.347kN·m

中部M2=0.246×（6.5+0.5）=1.722kN·m

顶部M3=0.035×（10.5+0.5）=0.385kN·m

风荷载对风杆基座的倾翻弯矩为：M1+M2+M3=2.454kN·m。

4.3 抵抗风荷载力矩

抵抗风荷载力矩分为两部分：①基座自重和风杆自重产生的力矩；②基座侧面土壤对其产生的抗倾翻力矩。

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

侧面土壤抗倾翻力矩通过实验数据推求。取1根宽3.5cm、长1m、厚15mm的扁钢，在一端焊一横梁（长约1m），将扁钢埋入土中50cm，在埋的过程中边埋边用铁锨柄杵砸，使土壤相对密实。在横梁一端悬挂重物并逐渐增加，当扁钢处的土壤开始明显变形，或扁钢和横梁组成的部件倾翻时，记下悬挂重量和悬挂点据焊接点处的距离，即可求出土壤侧面抗倾翻弯矩。经多次试验，宽度为0.035m，深度为0.5m的侧面土壤抗倾翻弯矩（平均值）为0.235kN·m，同时土壤测试环境为：土壤质地为壤土，扁钢周围土壤干容重1.58g/cm3，重量含水率18%。改变土壤测试环境，降水后土壤抗倾覆能力减弱，当出现一次50～60mm降雨几小时后，用同样方法测试，结果为平均弯矩0.176kN·m，相应重量含水率24%。以最不利情况考虑，在埋深0.5m情况下，土壤侧面抗倾翻力矩为：每0.035m×0.5m面积按0.176kN·m考虑。由此，用同倍比放大法推出0.5m×0.5m×0.5m基座侧面抗倾翻力矩为M5=2.515kN·m。

4.4 比较风荷载弯矩和基座抵抗倾翻基座产生的弯矩

基座总的抗倾翻力矩为M4+M5=3.463kN·m，大于风荷载弯矩2.454kN·m，说明采用这样的基座是安全的。但是为了慎重起见，实际施工时基座可采用放大脚的形式加以改进，以增大自重抗倾翻弯矩，比如放大脚尺寸设定为0.8m×0.8m×0.2m，这会大大增强风杆抗倾覆能力。

5 结语

本文目的意在引导人们能制作出形式多样的风杆，在制作过程中对可能出现的情况加以考虑，并针对问题加以分析处理。

［1］王路珍.交通指路牌的抗风能力分析［J］.盐城工学院学报（自然科学版），2008，21（2）：19-22.

［2］GB50009—2001，建筑结构荷载规范［S］.

［3］中国气象局.地面气象观测场值班室建设规范［R］.

［4］李廉锟.结构力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］GBJ50010—2002，混凝土结构设计规划［S］.

［6］GB/T19201—2006，热带气旋等级［S］.