劉彥章

（河北省石家莊水文水資源勘測局，石家莊052560）

風向、風速儀支架桿（簡稱風桿）一般多采用固定的豎直鐵管、用拉絲穩(wěn)固的方式，由于拉絲的影響使觀測場外觀形象顯得雜亂不美觀，又由于風桿是固定的，對風向、風速儀維修及風桿上漆維護很不方便。于是，在北中山旱情試驗站建設過程中設計出一種方便豎立又容易放倒且無拉絲穩(wěn)固的風桿。

可立、可倒風桿的底部設計為轉軸結構。風桿材料下部為外徑75mm的無縫鋼管，壁厚8mm，長3.5m，上部為外徑60mm的鍍鋅焊管，壁厚4mm，長7.0m，兩根管子結合處以焊管套裝在無縫管內(nèi)20cm并打孔固定。設計采用兩種方案使風桿豎立和放倒：①用千斤頂頂支風桿根部使其豎立倒放；②在風桿中部某一部位斜拉卷揚使其豎立倒放。

1 千斤頂頂支方案

要將風桿順利豎立或放倒需要多大力量即需多大型號千斤頂，千斤頂放置于何處、如何放置是設計方案分析的主要內(nèi)容。

風桿結構及頂支過程受力示意如圖1。

圖1 風桿受力示意圖

圖1中，O為風桿轉軸，OP為風桿處于某一位置，與水平方向夾角為β，將千斤頂放置于A，對風桿的作用力為F，放置升頂方向與水平方向夾角為α，B為風桿豎立或放倒過程中千斤頂對風桿力的作用點，G1、G2、G3分別為無縫管、焊管、風速風向儀及其固定附件重量，分別為46，38，3kg，依上述條件及力學原理，可以建立如下關系：

通過式（1）可知，F(xiàn)是α、β及OA的函數(shù)。考慮到一般民用小型千斤頂?shù)捻斏熳畲缶嚯x小于0.25m，這就決定著千斤頂必須放在離轉軸O較近的地方，暫確定OA=0.2m，由此推算出不同α、β下所需千斤頂頂力F大小。圖2是當α=15°，30°，45°，60°，75°時F與β關系曲線。

圖2 F～α～β關系曲線

通過圖2可以看出：一定α下，千斤頂在水平位置時需要較大的頂力，因為此時風桿的力矩最大，當α=15°，30°，45°，60°，75°對應的所需頂力分別為8.25，4.27，3.02，2.46，2.21t，如果要將風桿頂起，千斤頂所提供的頂力必須等于大于以上相應值。隨著β的加大，所需頂力逐步變小；α越小，所需千斤頂頂力越大，所要求千斤頂?shù)捻敵蹋ㄗ畲箜斏炀嚯x）較小，反之α越大，所需頂力越小，所要求的頂程較大。

在上述分析中沒有考慮千斤頂頂程限制，認為其可頂伸的距離無限，直至頂?shù)截Q直狀態(tài)，實際上是做不到的，尤其是當α很大時，將風桿頂至豎直狀態(tài)所要求的頂伸距離很大，一般小型千斤頂達不到其要求，經(jīng)測量小型千斤頂頂程范圍一般在0.15～0.25m之間，從圖1中的A點起頂，頂?shù)揭欢ń嵌染晚敳粍恿?，因此，要將頂程考慮進去。圖1中，千斤頂頂伸距離為AB，AB小于等于頂程，AB同α、β的關系為：

以某一型號實測頂程0.19m為控制，結合式（2）對式（1）進行修正，當AB大于0.19m時，令F=0，F(xiàn)=0不意味著升立風桿不需要力量了，以F=0僅代表此時已超出千斤頂使用范圍。修正后的F與α、β關系曲線如圖3所示。由圖3可見，當α=15°時，千斤頂可將風桿頂至70°位置，但需要千斤頂提供的頂力較大約8t，這意味著需選用較大型號千斤頂；當α=75°時，需要千斤頂提供的頂力較小僅約2t，這意味著只需選用較小型號千斤頂即可，但是此時卻僅能將風桿頂至50°位置，離豎直位置還差很多，這說明α=15°，75°都不宜采用。α=30°，45°時，需要千斤頂提供的頂力約3～4t，小型千斤頂都能滿足要求，可頂起的角度60°～65°，已接近豎直位置，這兩種放置角度應作為可考慮范圍。

圖3 F～α～β關系曲線（考慮頂程）

基于儀器檢修及風桿上漆維護考慮，風桿不需要完全放置到水平位置，比如放到β=10°時就可以進行各種維修維護，因為此時風桿頂端距離地面僅約1.8m，這樣千斤頂放置位置可抬高10°，可頂起的角度也就更高一些。以α=45°、起頂角度10°、放置點OA仍為0.2m重新分析。

此時仍將其歸納到水平位置時起頂考慮。在β=10°射線上在OA=0.2m的A點作α=45°的斜線，交水平線于A′點，這樣相當于千斤頂放置于A′點并在此點開始起頂。經(jīng)計算，AA′=0.05m，相當于頂程較原來增加了0.05m；OA′=0.23m，相當于放置點較原來遠離了O點0.03m。經(jīng)重新整理計算，起頂點提高10°，相同頂程下可頂起的角度也提高10°，此時可頂起角度達70°，而且，起始頂力減少為2.58t。

當風桿角度β達70°時，已很接近豎直位置了，此時風桿所具有的轉動力矩為0.9×0.23×sin45°=0.15t·m，如果兩人在風桿上距離O點1.5m的地方用力就能將風桿推至豎直位置，之后，將銷子或螺絲鎖緊固定風桿。

通過以上分析，選用多大型號千斤頂、千斤頂放置于何處、如何放置的基本輪廓為：千斤頂選用3～5t的，放置在風桿與水平夾角10°左右離轉軸0.18～0.25m處，頂力方向與水平夾角為30°～45°。按這樣的要求進行建設施工就能達到順利升立和放倒目的。需要說明，千斤頂宜采用齒輪式的而不用油壓式的，因為千斤頂需要傾斜放置，而傾斜放置對于油壓式千斤頂可能影響其性能的發(fā)揮，此外，油壓式在風桿放倒過程中可能由于放油開關掌握不好造成下降忽快忽慢速度不穩(wěn)易出危險，而齒輪式就不存在這種問題，擺動搖桿則升或降，不搖則不動，安全系數(shù)高。

2 斜拉卷揚方案

要將風桿斜拉起來需要多大力量，相應卷揚部件如何配置是此設計方案分析的主要內(nèi)容。

圖4是斜拉卷揚方案風桿受力示意圖。圖中，B為斜拉繩索作用點，A為卷揚部件位置，F(xiàn)為繩索拉力，其他同前述。結合前面分析，有如下關系：

圖4 斜拉式風桿受力示意圖

如果卷揚部件在豎直方向上設置在高出O點位置，拉升風桿時會更省力。高出高度為h，重新分析整理得到如下關系：

式（3）、式（4）是式（5）、式（6）在h=0m時的特例。繩索斜拉作用點設置在無縫管和焊管接合處，即OB=3.5m，受本站場地限制，卷揚部件設置在距O點8m處，OA=8m。由此可計算出風桿不同位置時所需拉力，F(xiàn)～β關系見圖5。

圖5 F～α～β關系曲線（斜拉式）

由圖5可見，在h=0m和h=0.5m時拉起風桿（風桿起始位位置按β=10°考慮）斜拉繩索需要提供的最大拉力為0.99，0.73t。

卷揚部件設計：卷揚器可借用貨運汽車緊線器，卷揚筒半徑4cm，卷揚時人所能提供的最大臂力按40kg考慮，斜拉繩索最大拉力按0.99t考慮，則卷揚臂半徑為4×990/40=99cm。近1m的卷揚臂半徑計算結果似乎很難操作，假若h=0m為地面，以h=0m進行操作，則還要向下挖1m的深坑才能施展開卷揚臂轉動，因此，不宜采用h=0m的方案。按h=0.5m考慮，斜拉繩索拉力還需要再次減力，在B點可設一滑輪，按動滑輪結構卷揚，在h=0.5m時，卷揚筒上的繩索拉力減小一半為0.37t，若其他條件不變，則卷揚臂半徑為37cm。

通過以上計算，斜拉卷揚方案有關數(shù)據(jù)確立，即以動滑輪形式卷揚，動滑輪設置于風桿上距轉軸點3.5m處，繩索長度最少23m；卷揚部件放置于水平距離距風桿轉軸點8m處，豎直位置在風桿轉軸O點以上0.5m處，卷揚臂半徑37cm。

這一方案的繩索一般情況下是不掛在風桿上，只有需要升降風桿時才臨時連起來，平時收卷在卷筒上，使風桿整體美觀。

3 兩種方案比較

千斤頂頂支方案結構緊湊，施工難度大，尤其是千斤頂如何固定是施工中必須要考慮的內(nèi)容，而且齒輪式千斤頂不易購得，造價高。斜拉卷揚方案結構分散，但容易施工，各個部件容易購得，造價低。在結構美觀上前者應好于后者。經(jīng)綜合比較，在實際施工時采用了后者。

4 基座設計

4.1 風桿風荷載計算

考慮風力對風桿的影響，設計一定尺寸的混凝土基座，以確保風桿不被吹倒。

風桿受風的作用力可按3部分考慮：下部的無縫管、中部的焊管、頂部的儀器支撐件。

經(jīng)伯努利方程推導，自由氣流的風速提供的單位面積上的風壓力為：

式中 wp為風壓（kN/m2）；ρ為空氣密度（kg/m3）；v為風速（m/s）。

空氣密度ρ和重度r的關系為r=ρ·g，因此有ρ=r/g。代入式（7），得到標準風壓公式：

在標準狀態(tài)下（氣壓為1013hPa，溫度為15 ℃），空氣重度r=0.01225kN/m3。緯度為45°處的重力加速度g=9.8m/s2，再整理得到：

由于風壓與大氣壓邊界層內(nèi)地表粗糙度和高度有關，又考慮到多數(shù)建筑物都是非流線體，當氣流繞過建筑物時會產(chǎn)生分離、匯合等現(xiàn)象，引起建筑物表面壓力分布不均勻。為了反映建筑結構上平均風壓受到各種因素和情況影響，我國荷載規(guī)定把結構的平均風壓計算公式規(guī)定為：

式中 P為作用在結構單位面積上的風載荷（風壓）；Kz為重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)，一般取1；β為風振系數(shù)，根據(jù)《高聳結構設計手冊》的規(guī)定，將風振系數(shù)取為1.3；μ為風載體型系數(shù)，平面迎風體取為1.2，圓滑面迎風體取為0.8；ω2為建筑物所在地區(qū)的基本風壓，按抗10～11級風考慮（風速按30m/s計）。

經(jīng)計算作用在風桿上的風力為：

下部的無縫管部分：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

頂部的儀器附件部分：F3=1.3×1.2×30×30/1600×0.04×1.0=0.035kN

其中，頂部的儀器支撐件為寬0.04m，長1.0m的角鋼。

4.2 風桿風荷載對基座產(chǎn)生的彎矩

初步擬定基座混凝土尺寸0.5m×0.5m×0.5m，混凝土密度按2400kg/m3計。

則風桿各部分風荷載對基座的彎矩相應地為：

下部M1=0.154×（1.75+0.5）=0.347kN·m

中部M2=0.246×（6.5+0.5）=1.722kN·m

頂部M3=0.035×（10.5+0.5）=0.385kN·m

風荷載對風桿基座的傾翻彎矩為：M1+M2+M3=2.454kN·m。

4.3 抵抗風荷載力矩

抵抗風荷載力矩分為兩部分：①基座自重和風桿自重產(chǎn)生的力矩；②基座側面土壤對其產(chǎn)生的抗傾翻力矩。

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

側面土壤抗傾翻力矩通過實驗數(shù)據(jù)推求。取1根寬3.5cm、長1m、厚15mm的扁鋼，在一端焊一橫梁（長約1m），將扁鋼埋入土中50cm，在埋的過程中邊埋邊用鐵锨柄杵砸，使土壤相對密實。在橫梁一端懸掛重物并逐漸增加，當扁鋼處的土壤開始明顯變形，或扁鋼和橫梁組成的部件傾翻時，記下懸掛重量和懸掛點據(jù)焊接點處的距離，即可求出土壤側面抗傾翻彎矩。經(jīng)多次試驗，寬度為0.035m，深度為0.5m的側面土壤抗傾翻彎矩（平均值）為0.235kN·m，同時土壤測試環(huán)境為：土壤質地為壤土，扁鋼周圍土壤干容重1.58g/cm3，重量含水率18%。改變土壤測試環(huán)境，降水后土壤抗傾覆能力減弱，當出現(xiàn)一次50～60mm降雨幾小時后，用同樣方法測試，結果為平均彎矩0.176kN·m，相應重量含水率24%。以最不利情況考慮，在埋深0.5m情況下，土壤側面抗傾翻力矩為：每0.035m×0.5m面積按0.176kN·m考慮。由此，用同倍比放大法推出0.5m×0.5m×0.5m基座側面抗傾翻力矩為M5=2.515kN·m。

4.4 比較風荷載彎矩和基座抵抗傾翻基座產(chǎn)生的彎矩

基座總的抗傾翻力矩為M4+M5=3.463kN·m，大于風荷載彎矩2.454kN·m，說明采用這樣的基座是安全的。但是為了慎重起見，實際施工時基座可采用放大腳的形式加以改進，以增大自重抗傾翻彎矩，比如放大腳尺寸設定為0.8m×0.8m×0.2m，這會大大增強風桿抗傾覆能力。

5 結語

本文目的意在引導人們能制作出形式多樣的風桿，在制作過程中對可能出現(xiàn)的情況加以考慮，并針對問題加以分析處理。

［1］王路珍.交通指路牌的抗風能力分析［J］.鹽城工學院學報（自然科學版），2008，21（2）：19-22.

［2］GB50009—2001，建筑結構荷載規(guī)范［S］.

［3］中國氣象局.地面氣象觀測場值班室建設規(guī)范［R］.

［4］李廉錕.結構力學［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［5］GBJ50010—2002，混凝土結構設計規(guī)劃［S］.

［6］GB/T19201—2006，熱帶氣旋等級［S］.