桅式結(jié)構(gòu)

桅桿結(jié)構(gòu)是高次超靜定的空間體系，桿身為承受軸向壓力和橫向力的彈性支 座連續(xù)梁(見梁的基本理論)，纖繩為斜拉于桿身的預(yù)應(yīng)力柔索，纖繩與桿身連接的結(jié)點(diǎn)形成非線性支座，受力較為復(fù)雜。常用的桅桿靜力計(jì)算方法有兩種:彈性支座連續(xù)梁法和矩陣位移法。

彈性支座連續(xù)梁法 一種簡化的方法。纖繩與桿身分別獨(dú)立計(jì)算，利用每層纖繩的變形協(xié)調(diào)條件和結(jié)點(diǎn)平衡條件，分別計(jì)算各層纖繩拉力，結(jié)點(diǎn)位移和結(jié)點(diǎn)剛度。然后按多跨彈性支座連續(xù)梁計(jì)算桿身，利用各結(jié)點(diǎn)支座的連續(xù)條件和平衡條件計(jì)算結(jié)點(diǎn)彎矩、結(jié)點(diǎn)反力和結(jié)點(diǎn)位移，再用結(jié)點(diǎn)反力重新計(jì)算每層纖繩，重復(fù)上述計(jì)算直至兩次計(jì)算結(jié)果接近為止。這種方法只適用于纖繩對稱布置的結(jié)構(gòu)。

矩陣位移法 適用于纖繩任意布置的桅桿。這種方法考慮空間荷載、纖繩結(jié)點(diǎn)的非線性特征、桿身軸向變形和扭轉(zhuǎn)變形的影響，用矩陣位移法建立正則方程。可把纖繩結(jié)點(diǎn)間的桿身作為梁單元，或把空間桁架的桿件作為桿單元，建立單元剛度矩陣，纖繩也作為特殊的有橫向荷載的桿單元。這兩種方法都能反映纖繩和桿身的共同作用，滿足其變形的連續(xù)條件。后者較精確，但計(jì)算工作量也較大。此外，還可考慮大位移的影響，對剛度矩陣不斷作出修正，得到更為精確的結(jié)果。采用矩陣位移法時，一般需編制標(biāo)準(zhǔn)程序，用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算。

在風(fēng)荷載或地震作用下，桿身和纖繩都發(fā)生振動，兩者相互影響，使桅桿形成一個復(fù)雜的動力體系。桅桿的自振周期和相應(yīng)的振型，可按多自由度體系考慮空間振動進(jìn)行計(jì)算，即將每層纖繩質(zhì)量歸并到該層結(jié)點(diǎn)上，與桿身合成一個集中質(zhì)量，按力法或位移法列出桅桿自由振動方程，使方程的系數(shù)行列式為零，求得自振頻率和相應(yīng)的振型曲線。

剛度和穩(wěn)定 桅桿的剛度應(yīng)根據(jù)工藝要求確定，根據(jù)靜力計(jì)算得到的桅桿結(jié)點(diǎn)最大水平位移，一般不超過結(jié)點(diǎn)所在高度的百分之一。

桅桿的穩(wěn)定分局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定。局部穩(wěn)定包括組合構(gòu)件中壓桿的穩(wěn)定，單根鋼管筒壁的壓屈穩(wěn)定，纖繩結(jié)點(diǎn)間桿身的偏心受壓穩(wěn)定等;局部穩(wěn)定可依靠選用合適的橫截面得到保證。整體穩(wěn)定有兩種計(jì)算方法:①將桿身作為多跨彈性支座壓彎桿件，以結(jié)點(diǎn)位移為未知數(shù)，推導(dǎo)出結(jié)點(diǎn)平衡方程組，其系數(shù)是軸向力函數(shù)。使方程組的系數(shù)行列式為零，從而求出桅桿整體穩(wěn)定的臨界力，臨界力與實(shí)際力的比值為安全系數(shù)。一般情況下，安全系數(shù)不小于1.5~2.5。由于桿身的軸向力與外荷載不成正比關(guān)系，此法有一定誤差。②以前述矩陣位移法為基礎(chǔ)，在解方程組時，以大于1的系數(shù)k乘外荷載作用在桅桿上，如迭代過程收斂，說明桅桿在這種荷載作用下保持整體穩(wěn)定。然后，再逐步增大k值,直到迭代過程發(fā)散為止。發(fā)散前一次的k值,就是桅桿整體穩(wěn)定安全系數(shù)。

桅桿的整體穩(wěn)定與桿身縱向力和結(jié)點(diǎn)剛度有關(guān)，縱向力過大或結(jié)點(diǎn)剛度不足，容易失穩(wěn)。一些工程實(shí)踐證明:桅桿喪失整體穩(wěn)定的原因,大多是結(jié)點(diǎn)剛度偏小,特別是中間結(jié)點(diǎn)剛度不足，造成桿身彎曲而產(chǎn)生附加彎矩，從而導(dǎo)致整體失穩(wěn)。若增加纖繩初應(yīng)力，雖然能提高結(jié)點(diǎn)剛度，但同時會增加桿身縱向力。因此，每一個桅桿結(jié)構(gòu)方案都要通過分析比較，才能找出最合適的加強(qiáng)整體穩(wěn)定和改善結(jié)構(gòu)受力的措施。

分為整體安裝和分散安裝。

將桿身節(jié)段在安裝點(diǎn)附近地面臥拼，在基礎(chǔ)處設(shè)一桅桿支座鉸，利用卷揚(yáng)機(jī)和把桿，將桅桿繞支座鉸整體豎起來。對于較小的桅桿也可用起重機(jī)把桿起吊一次就位。這種方法由于把拼裝工作放到地面上進(jìn)行，施工比較方便，質(zhì)量易于保證，但需要增加起重設(shè)備，還要特別注意安全，避免在吊裝過程中桅桿失穩(wěn)。

利用爬行起重機(jī)或把桿將桿身節(jié)段和纖繩逐節(jié)由下向上安裝，起重機(jī)或把桿附在桿身上，隨著安裝而升高。另一種方法為倒裝法,在地面設(shè)安裝架,先裝上段再裝下段，逐段安裝逐段頂升，并用臨時纖繩保持穩(wěn)定。分散安裝法設(shè)備簡單、安全可靠，因此得到廣泛采用。

桅式結(jié)構(gòu)

構(gòu)造:桅式結(jié)構(gòu)由纖繩、桿身和基礎(chǔ)組成。

纖繩:纖繩層數(shù)一般隨桅桿高度增大而加多，纖繩結(jié)點(diǎn)間距以使桿身長細(xì)比等于80~100左右為宜,可等

距或不等距布置。不等距布置時，宜從下到上逐層加大間距，使桿身各層應(yīng)力大致相等，結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)。一般每層按等交角布置三根或四根纖繩，其傾角為30°~60°，以45°較好。同一立面內(nèi)所有纖繩可相互平行，每根纖繩有一地錨基礎(chǔ);或交于一點(diǎn)，共用一地錨基礎(chǔ)。纖繩常用高強(qiáng)鍍鋅鋼絲繩，用花籃螺絲預(yù)加應(yīng)力，以增強(qiáng)桅桿的剛度和整體穩(wěn)定性。

桿身:按材料可分為鋼、木和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)桿身常采用單根鋼管或組合構(gòu)件，單根鋼管可用無縫鋼管或卷板焊接鋼管。組合構(gòu)件為三邊形或四邊形空間桁架結(jié)構(gòu)(圖2)。 其弦桿和腹桿由角鋼、圓鋼、鋼管或薄壁型鋼制成,其中圓形截面風(fēng)阻較小,采用較多。對于四邊形截面的桅桿要每隔一定高度布置橫膈，以防截面變形。組合構(gòu)件之間常用焊接以簡化構(gòu)造。為了便于制造、運(yùn)輸和安裝，桿身可劃分成若干等長度的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，節(jié)段兩端用法蘭盤或拼接板相互連接。節(jié)段長度根據(jù)所用材料、施工和經(jīng)濟(jì)條件確定。木結(jié)構(gòu)桿身采用單根圓木或組合木構(gòu)件，用拼接鋼板連接。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用離心式灌筑的預(yù)制管柱構(gòu)件，以法蘭盤連接。 桅式結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ):基礎(chǔ)分桿身下面的中央基礎(chǔ)和固定纖繩的地錨基礎(chǔ)。中央基礎(chǔ)為圓的或方的階梯形基礎(chǔ)，承受桿身傳來的力。地錨基礎(chǔ)承受纖繩拉力，有重力式、擋土墻式和板式。重力式地錨依靠結(jié)構(gòu)自重抵抗纖繩拉力，耗用材料較多。擋土墻式地錨埋入地下，依靠自重、水平板上的土重，以及豎向墻板上的被動土壓抵抗纖繩拉力。板式地錨深埋土中，由與纖繩同向的拉桿和垂直于拉桿的鋼筋混凝土板組成，地錨受拉時，板上產(chǎn)生被動土壓抵抗纖繩拉力。這種地錨比較經(jīng)濟(jì)。在巖石地基中，地錨基礎(chǔ)做成錨樁形式。

塔一般均簡化為靜態(tài)進(jìn)行分析，對于風(fēng)、斷線、地震等 動荷載，通常在靜力分析的基礎(chǔ)上，分別乘以風(fēng)振系數(shù)、斷線沖擊系數(shù)、地震力反應(yīng)系數(shù)來考慮動力作用。

輸電線路塔的內(nèi)力計(jì)算，與塔式結(jié)構(gòu)和桅式結(jié)構(gòu)相同，但須考慮下列兩個問題:

①導(dǎo)線風(fēng)荷載對塔的作用。由于導(dǎo)線的支點(diǎn)間距較大(一般為200~800米)而橫向擺動的周期較長(一般為5秒左右),故應(yīng)考慮風(fēng)沿導(dǎo)線的不均勻分布及導(dǎo)線對塔的動力效應(yīng)。20世紀(jì)60年代初，許多國家的電力部門曾用實(shí)際的試驗(yàn)線路來測定導(dǎo)線在大風(fēng)作用下的最大響應(yīng)，并據(jù)此制訂了實(shí)用計(jì)算法，其中有的已納入本國的規(guī)程，但是由于受地形、測量儀器的精度、分析水平等各種因素的限制，這些實(shí)用計(jì)算方法還不能精確反映出真實(shí)情況。70年代中期，開始應(yīng)用隨機(jī)振動理論分析陣風(fēng)作用于導(dǎo)線對塔引起的動力響應(yīng)，這種建立在實(shí)測資料基礎(chǔ)上并用統(tǒng)計(jì)概念及譜分析估計(jì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的概率峰值的方法，比較符合風(fēng)的特點(diǎn)。

②斷線力對塔的作用。導(dǎo)線突斷時對塔的沖擊荷載在極短的時間內(nèi)達(dá)到峰值，并且各個部位的相對值大小不一，是一種復(fù)雜的瞬態(tài)強(qiáng)迫振動，要作理論計(jì)算比較困難。一般是根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)獲得沖擊力的峰值，并據(jù)此制定出實(shí)用的"斷線沖擊系數(shù)"，其值為 1.0~1.3，視電壓的高低、塔的類型、不同的部位而定。

發(fā)射或接收無線電波所用的塔式結(jié)構(gòu)和桅式結(jié)構(gòu)，用來作無線電發(fā)射天線的輻射器或發(fā)射和接受天線的支持物。主要用于通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測遙控等方面。通信和廣播主要用長波、中波、短波(通信也可用微波)傳遞信號;電視用超短波和微波傳遞信號;導(dǎo)航主要用中波傳遞信號。

用于長波、中波和短波的無線電塔高取決于波長(頻率)、地導(dǎo)系數(shù)、傳播距離等因素;用于超短波和微波的無線電塔高取決于傳播距離。超短波和微波的傳播距離等于發(fā)射天線沿地表面切線直至接收天線之間的距離。對于較平坦或稍有丘陵起伏的地形，傳播距離可按下式計(jì)算(公里)式中HT為發(fā)射天線高度;HR為接收天線高度(米)。當(dāng)實(shí)際距離大于上式所求得的傳播距離時，需在中間設(shè)置中繼塔。