路灯设计趋势及静力学设计

陈庚 成都石室中学北湖校区

1.路灯设计概述

路灯在设计时应该考虑材料、成本、工艺、美观、功能性、维修性、耐用性等实际因素，而最后的路灯实施方案，是这些因素平衡综合平衡的结果；同时，路灯在设计时要考虑实际的应用环境。由于使用的广泛性，路灯工作环境比较复杂，受到不同温度、湿度、水雾雨水、沙尘大风等自然条件的影响，时间一长就会导致严重的问题，所以在设计路灯的时候要考虑外部环境因素对灯的影响，提高使用的耐用性。

路灯由于长期连续工作，还需考虑在散热方式，材料选择方面应该注意外壳和散热器的设计。一般选用铝或铝合金，以及导热性良好的其他合金。散热有空气对流散热，强风冷却散热和热管散热。选择什么样的散热方式，对灯具有直接影响，要综合考虑，材料的力学特性要同时考虑进来。灯罩的设计取材也是至关重要的。目前使用的是透明有机玻璃，PC材料等。传统的灯罩是透明的玻璃制品，一般来说户外的灯具都采用玻璃制品的，因为玻璃灯罩的寿命和抗腐蚀能力

是最强的，另一方面，玻璃的透光性很好，而塑料灯罩只能安装在室内，因为塑料灯罩会在恶劣的环境中受到很大的影响，例如尘沙，光照和雨水等因素使灯罩老化严重，而且难以清洗，减少光线输出。

路灯的布置是整体效果中重点考虑的问题，单侧布置—适用于比较窄的路，这种方式要求灯具的安装高度等于或大于路面宽度。优点是成本较低，施工相对简单，缺点是不设置灯一侧的路面亮度，比设置灯的一侧低。

交错布置—要求灯具的安装高度不小于路面有效宽度的0.7倍。缺点是亮度纵向均匀度较差，路面光线过渡不够柔和优点是美观，照度很好。对称布置要求灯具的安装高度不小于路面有效宽度的一半。

2.路灯力学设计原则

路灯的力学设计需是要考虑的关键问题，力学合理性同时也影响到安全性，影响力学稳定性的因素包括路灯安装高度—重心、悬臂长度及仰角—扭转力矩的合理选择。

2.1 悬臂长度不宜超过安装高度的1/4

悬臂过长带来的影响：

（1）降低装灯一侧人行道及路缘石的亮度（照度）。

（2）悬臂的机械强度要求变高，影响使用寿命。

（3）影响美观，造成悬臂与灯杆之间的比例不协调。

（4）造价会增高。

2.2 仰角：灯具的仰角不宜超过15度

灯具的安装仰角是为了增加灯具对路面横向的照射范围。过大会造成增加眩光，慢车道和人行道的亮度降低。

3.智能化发展趋势

智能化已经成为科技发展的潮流与趋势，商家们总是不断的进行技术改进，以便用更高科技、更加便捷化操作的智能化产品吸引我们，如今，随处可见的智能工具，大大的方便了我们的生活，提高了我们的生活质量，于是智能化产品就更加受消费者追捧。路灯智能化设计延伸了提供照明的。于是，路灯除了最基本的照明功能外，还集合了LED节能灯、Wi-Fi、智能摄像头、LED显示屏、报警系统等装备，形成了除了照明之外的综合化功能。

路灯的设计集成了越来越多的功能。体现在其能够收集各类型的城市数据等扩展化应用,例如天气资料收集一天内的微气候变换可以被监测,交通资料收集则有助于调控交通信号灯、利于疏导人流车流等,无线网络功能可提供WiFi热点及5G小基站等。这就大大扩展了路灯设计的领域。

由此看来，智能路灯设计与应用是社会范畴，它关乎着提高城市或国家公共服务的效率与便民性，展示着国家精神的面貌。

4. 抗风设计

力学上除了静态时的稳定性，还要考虑非常常见的有风干扰时的力学稳定性。按照抗风设计原则，风速及风压为都要考虑。灯杆的形状会对迎风面积产生影响，不同的形状，其面积也不一样。大风产生的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。假设灯的截面是几何对称的，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，灯受地面的作用力表示为F2与F3，灯罩与灯的重力为F1，假设每个灯杆受到的重力为F，根据作用力与反作用力，地面对灯在竖直方向上的反作用力也为F，可以得到如下的受力分析方程：

而灯不发生倾斜徐满足力矩的平衡条件：

假设有风时，风力在灯杆上产生的力矩为M风

则有：

如果发生倾斜而未倾倒，那么仍必须满足静力学平衡，但力量大小发生了变化。

根据力学分析，我们可以看出，灯杆在未发生倾斜前，其静力学平衡，灯的左右两侧受到地面的反作用力，在灯杆发生倾斜后力量发生变化，其扭矩和各力的大小需要同时满足：

力在竖直方向平衡；

力在水平方向平衡；

力矩平衡；

受力的极限情况是力矩不再能够得到平衡，因此达到临界点以后，灯的倾斜程度会加大。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。灯杆受到的风力为均布载荷，灯杆承受的拉力为均匀受力。

5. 灯杆力学稳定性评价

作为合理的近似计算，路灯受风力的情况下，灯杆实际受到的瞬间拉力远小于基础螺杆的许用拉力。假定在路灯灯杆本身不发生变形破坏、基础混凝土强度足够、基础坑压实度达到安全要求的前提下，要求是安全的。那么就要保证一定倾斜程度时仍然力学稳定。

6. 常见路灯倾斜原因力学分析

通过对城市多个路灯的调研，我们常常会发现，原先建设阶段均调试到位的路灯经过一两年的运行后，常常出现灯杆倾斜的现象，在灯杆倾斜到一定程度后基本就看不出继续扩大的迹象，除非遇到恶劣天气的影响会进一步倾斜甚至出现灯杆倾倒现象。但是建设在高架挡墙的路灯从来没有出现倾斜的现象，甚至灯杆被撞折断了灯杆法兰根部依然牢牢的固定在水平地面上。分析原因，不外乎以下几个方面。

6.1 地面力学原因。地面的硬化与灯杆一体固化，产生很大的支撑力，通常道路照明工程都是跟着道路工程同步建设的，新建道路在机非分隔带，或者中央绿化带，通常经过土方开挖然后和绿化土回填的过程，重新回填的绿化土一般只做整平，不做压实处理，而路灯灯位设计一般都会选择这两个地方，这就导致新的路灯基坑开挖和基础制作完成后，基础周边的土质压实度不能满足要求，不能再力学上提供足够的支撑力。

6.2 而且一般路灯施工很少会对基础位置泥土进行充分压实处理，这就导致路灯安装到位后，随着基础周围泥土的沉降和路灯受风力影响不断摇晃，灯杆开始慢慢向一侧倾斜。在人行道或有铺装的路面安装的路灯，因人行道路基均进行了一定的压实处理，铺装完成后也会对基础周围起一定的稳固作用，所以这些地方安装的路灯很少发生歪斜的现象。

6.3 地下力学原因。由于基础本身的混凝土强度不够导致地面以下开裂、地面以下受力出现变化，受力平衡点达到临界的情况，导致力学不稳定而产生移位，这些都会导致灯杆主体出现松动、旋转甚至被拔出的现象。

6.4 灯杆力学原因。安装初期灯杆歪斜较少，一般原因是螺杆螺母紧固到位，各处还未长期受力而发生形变。随着时间的变长，或未按要求设置垫片和双螺母，或则野蛮施工导致其中一个或两个螺杆断裂后未即使修复，或者采用质量较差的螺杆，加上后期维护保养不到位，螺杆锈蚀严重，会带来灯杆在受到冲击力的情况下逐渐失稳，倾斜角度不断扩大，最后完全失去平衡而使灯杆倒地。

6.5 灯杆结构原因。这种原因也比较多见，表现为灯杆结构上的不尽合理，未达到力学设计要求，或者存在力学薄弱环节，这些都会造成灯杆不稳倾斜。

7. 对基础螺杆受力分析的意义

经过路灯灯杆进行受力分析，我们可以从设计角度出发，从最大限度地提高安全系数的角度出发，通过地面路面材料设计加强地面支撑力的设计力度。其次，通过地面以下优化设计，主要包括地面以下的施工材料的强度和耐腐蚀性，以提高使用的时间和可靠性。

主要的设计重点，在于对地面以上的灯杆的力学设计，包括采用轻质材料降低重心减小转动力矩；加强地面以上部分的力学设计，比如灯罩和灯杆之间的重力分配，以及形状设计。

地面采用螺钉紧固，增加螺钉数量，一减轻单个螺钉的受力，防止受力作用在个别螺钉上长期应力造成的破坏，增加螺钉相当于采取了冗余设计，一方面减小了单个的受力大小，也使得单个螺钉的失效对整个力学平衡带来的灾难性影响。

对螺钉受力的分析，可以知道我们更好的优化路灯的设计过程，减少不必要的过设计，同时提高使用的安全性，对力学的认识，也可以创新路灯造型的变化，给城市增添一抹亮色。