摘  要：避雷塔属于高耸轻柔结构，风荷载在所有设计荷载中是主要控制荷载。在某工程中，采用了的拉线式避雷方案，避雷线及塔-线组合等受力状态的计算与分析成为工程设计的关键。本文主要介绍了避雷塔的风荷载计算、抗风分析、基础及避雷线等关键工况或构件的设计过程，以期能够对相关类似工程提供参考。

关键词：避雷塔；高耸结构；风荷载；避雷线

1.概况

某避雷塔用于特种钢结构塔架的雷电防护，采用避雷线与避雷塔组成联合防护网，塔高120m，设三层矩形避雷线，高度分别为115m、104m(90%H)、92m(80%H)，如下图所示。避雷塔共四座，间距分别为101m、109m。避雷塔为正方形空间管桁架结构，底部边长15m，边长随高度呈近似的二次曲线逐渐收至115米高度处的1.5m，顶部设高度5m的避雷针。

图1 避雷线竖向布局示意图(高耸避雷塔抗风分析)

根据地质勘查报告，土层分布为①细砂，②珊瑚碎屑砂，③中～微风化花岗岩。地下水位至自然地表，地下水对混凝土结构具有中等腐蚀性，对混凝土中的钢筋具有强腐蚀性。建筑场地类别为Ⅱ类，基本风压取值1.05KN/㎡，地面粗糙度类别：A类，地震烈度为7度（0.15g，第一组），结构设计使用年限为50年。

图2 避雷塔平面布局图 (高耸避雷塔抗风分析)

2 风荷载计算

避雷塔属于高耸结构。在其各类荷载中，起控制作用的是风荷载。在风荷载标准值计算中，体型系数和风振系数的计算较为复杂。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）和《高耸结构设计规范》（GB50135-2006），风荷载标准值计算公式：

式中， 为高度z处的风振系数，为体型系数，为高度变化系数，为基本风压。

2.1 高度变化系数

为了工程设计的方便，我国将地貌按地面粗糙度分为A、B、C、D四类，本工程建设地点位于海边，属于A类。塔体各计算高度处的高度系数为：

表1 高度变化系数列表

2.2 体型系数

分别按2种迎风面进行计算，由于体型系数与挡风系数有关，而避雷塔各节间的挡风系数均不相同，故其体型系数也随计算高度发生变化。根据荷载规范，按塔架迎风角度①和角度②进行考虑，如采用圆管构件，则塔架体型系数按角钢塔架进行折减。

根据上述计算方法，计算每一节的体型系数。

2.3 风振系数

风荷载包含了平均风和脉动风。平均风的性质相当于静力作用，脉动风则随时间按随机规律变化，其性质相当于动力作用。为了便于工程实际应用，我国规范中引入一个等效静态放大系数，即为风振系数，将静力作用和动力作用一并考虑在内。《建筑结构荷载规范》和《高耸结构设计规范》给出了风振系数的不同取值公式。荷载规范中，采用脉动增大系数、影响系数、振型系数和高度系数来进行表达。

而在高耸规范中，引入了2个综合系数，

为脉动和高度影响系数，

为阵型及外形影响系数。

本工程中，分别按上述两种算法进行了计算，结果基本一致，表明在本质上两种规范里所考虑的风振因素是一致的。

表2 风振系数计算列表（部分）

3 避雷塔抗风分析

由于风荷载起决定作用，计算作用在塔上的荷载时，首先要假定塔架个部分尺寸及其迎风面积，因此需要先用简化方法分析，待塔架尺寸、杆件截

面都认为合适后再用精确的整体空间桁架法进行计算。避雷塔属于空间桁架结构，计算时都假定桁架所有杆件连接节点为铰接。计算模型如图2、3所示。

本工程依据简化空间桁架法，编制了用于简化计算的Excel表格程序，用于截面和杆件优化。在水平荷载作用下，塔柱内力 和斜杆内力 按下列公式计算：

式中，为在塔段底部绕轴作用的弯矩；为在塔段底部绕轴作用的剪力；为斜杆同横杆的夹角；为塔柱同水平面的夹角；为塔面同水平面的夹角；为塔段底部外接圆直径；为计算系数。

位移计算采用共轭梁法，将塔架视为直立的悬臂梁，任一截面处的抗弯刚度为：

式中，，所计算塔层的塔柱截面积；，塔柱主轴至塔架平截面中和轴的距离；，塔柱截面对其形心轴的惯性矩。

避雷塔的三维模型精确计算以PKPM-SPASCAD软件为主，同时采用SAP2000软件进行了校核。基本设计参数与主要计算结果如下所示。

表4 主要计算结果列表

图3 SPASCAD软件计算模型               图4 SAP2000软件计算模型

4 基础抗倾覆验算

计算结果显示，结构自身的抗倾覆验算无法满足要求，只能依靠基础提供抗倾覆弯矩。由于作用点高，在水平风荷载的力矩大，造成塔架底部受拉，基础设计必须解决抗拔的问题。基础设计必须考虑以下几种因素：

①地基存在液化土层，必须采用桩基础解决受压的问题，同时要求桩基础能够抗拔；

②基础还存在地下水，地下水位至自然地坪，浮力的作用致使结构自重的效率大大降低；

③上部图层为砂性土，水量丰富，基础深埋或大开挖需要止水、围护，施工难度大，造价高。

图5 方案一：独立式桩基承台方案

图6 方案二：整体式桩基承台方案(高耸避雷塔抗风分析)

经过计算分析与比较，拟选择抗拔桩与配重结合的方式解决塔体倾覆问题。表5列出了不同基础方案下的各项指标对比。

表5 方案对比列表

5 避雷线设计

根据工艺需求，塔架之间的拉线仅用于传导雷电，设计中应尽量减小其对塔体结构的不利影响，而在所有参数中，避雷线的挠度影响最大。由于避雷线重量较轻，安装及更换时可不考虑上人作业。

参照避雷设施的设计要求，取正常使用状态的挠度为1/25，即最大变形约为4m；当自重与风荷载组合作用时，最大挠度约为1/18。避雷线采用Ø10镀锌钢丝绳，破断力不小于85kn。

6 结 论

在某工程场区的雷击防护首次采用了避雷线与避雷塔组合的方式，这种方式对高耸避雷塔的设计中不但要考虑风荷载作用，还要考虑线—塔耦合等作用的影响。在台风登陆区进行高耸避雷塔结构设计时，必须充分考虑风荷载的作用，一方面是上部结构的变形、强度要符合相关规范的要求；另一方面，水平风荷载引起的底部抗倾覆弯矩必须由基础来承担。该工程作为发射场的地面设施直接为塔架服务，在设计和建设过程中，必须保证安全、可靠。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范(GB50009-2001).北京:中国建筑工业出版社.

[2] 中华人民共和国国家标准.高耸结构设计规范(GB50135-2006). 北京:中国计划出版社.

[3] 沈之容.钢结构通信塔设计与施工.北京:机械工业出版社.2006

[4] 王肇民.高耸结构设计手册.北京:中国建筑工业出版社 1997

 （总装备部工程设计研究总院，北京 100028）