摘  要：每次臺風來臨，戶外路燈燈桿都需要面臨一次抗風考驗，隨著城市現(xiàn)代化的推進，金屬桿路燈已取代了水泥桿路燈，其已成為了主流的道路照明設施，路燈線路也由架空線轉(zhuǎn)向地埋電纜敷設。建設地埋管線的金屬桿路燈對路燈的基礎施工有比較嚴格的強度要求，涉及到基礎螺桿、基礎混凝土本身強度、基礎周圍圍土壓實度等幾個方面的安全性驗算。本文針對路燈基礎螺桿的設計尺寸和設計強度進行安全性校驗計算，同時對當前普遍存在的路燈傾斜原因進行系統(tǒng)分析。

關鍵詞：城市照明 抗風強度 路燈安全校驗 路燈傾斜

   在城市照明施工圖設計中，通常會根據(jù)道路的等級、路面材料、結(jié)構形式、道路長度選定照明設計標準值包括平均照度、照度均勻度、功率密度、環(huán)境比等，根據(jù)這些標準值選定燈桿類型、光源類型和光源功率、布燈方式、設計間距、電纜類型等，然后通過平均照度的計算、功率密度的計算、線路壓降的計算等驗算是否達到照明設計標準，其中涉及到燈桿詳細結(jié)構、基礎配套設計、燈具配套設計等都是按照通用配套定制，這其中涉及的燈桿強度、基礎強度、基礎螺桿強度、地基土質(zhì)等均沒有做很詳細的安全性校核。本文針對路燈基礎螺桿的強度進行受力分析并驗算基礎安全性，并對路燈施工中常見的燈桿歪斜原因進行分析。

一、運行條件假設

我們假定一套常規(guī)單彎臂路燈，燈高10米（燈具中心線到基礎法蘭平面的垂直高度），要求抗風等級為12級臺風?；A為無錫標準1.4米常規(guī)基礎，燈桿法蘭尺寸360*360mm，基礎法蘭尺寸410*410mm,基礎螺桿為4*M20，螺桿中心距為?290mm，燈桿、基礎螺桿均為Q235鋼，燈桿底部外直徑?180，頂部直徑?68。另假設燈桿無彈性變形，燈桿和基礎混凝土本身均能滿足12級臺風極限下不發(fā)生變形或破壞的強度要求，燈桿法蘭和基礎法蘭均能在極限條件下不發(fā)生變形破壞，基礎基坑穩(wěn)固。燈桿和基礎詳細結(jié)構圖如下：

二、燈桿受力分析

1、受力圖簡化

根據(jù)材料力學分析，我們可以看出，燈桿在未發(fā)生傾斜前，基礎法蘭接觸面上四個固定螺桿均承受了單一拉伸力，在燈桿發(fā)生傾斜后才會在基礎螺桿上產(chǎn)山扭矩和剪力。受力的極限情況是在氣流順著挑臂的方向水平通過。挑臂和燈具重量導致的傾覆力矩對燈桿基礎的影響很小暫時不予考慮。可以看出燈桿受力的支點在燈桿下方的法蘭邊緣，圖中用三角形標識，燈桿受到的風力為均布載荷，基礎螺桿承受的拉力為均等受力。燈桿受力圖簡化如下：

2、受力分析

按照抗12級臺風設計，風速V=36.9m/s，風壓為P=V2/1.6=851.01N/m2.燈桿為錐形燈桿，迎風面積S1=（D+d）*H/2=(0.18+0.068)*10/2=1.24m2。燈具迎風面積約為S2=0.3m2。臺風氣流對燈桿的扭矩隨燈桿截面不同和高度不同而動態(tài)變化，這里采用近似計算。風力對基礎的著力點近似為上下迎風面積相等的位置受力，根據(jù)計算得出此位置離燈桿基礎法蘭的距離為L1=2.93m，燈具受風力影響作用距離為L2=10m，假設每個螺桿受到的拉力為F，根據(jù)作用力與反作用力，螺桿對法蘭產(chǎn)生的拉力也為F，可以得到如圖4的受力分析圖，其中Fa=Fb=F。

3、基礎螺桿受力計算

   風力在燈桿上產(chǎn)生的力矩為M風=F1*L1=P*S1*L1=851.01*1.24*2.93=3091.89N·m

   風力在燈具上產(chǎn)生的力矩為M燈=F2*L2=P*S2*L2=851.01*0.3*10=2553.03N·m

   螺桿對燈桿法蘭的拉力矩為M螺桿=2Fa*La+2Fb*Lb=2Fa*0.2825+2Fb*0.0747

根據(jù)力矩平衡，M螺桿=M風+M燈

根據(jù)受力分析，螺桿受力均等，Fa=Fb

得出最終單根螺桿的受力F=7901.62N

三、基礎螺桿實際受力極限計算

   根據(jù)條件，基礎螺桿材質(zhì)Q235，設計抗拉強度取215MPa，查詢設計手冊，M20小徑為17.29mm，可算出M20螺桿有效截面積為πr2=234.79mm2，所以許用拉力為

F許=215*234.79=50.480KN，即作用在單根螺桿上的拉力超過F許就可能由彈性變形轉(zhuǎn)變成塑性變形，從而在最薄弱位置出現(xiàn)頸縮，頸縮達到一定程度就會產(chǎn)生斷裂破壞。對燈桿基礎來說，在發(fā)生塑性變形的瞬間，基礎螺桿的受力由單一拉伸變成拉彎組合，會加快螺桿破壞的進度。

四、基礎螺桿安全性鑒定

   根據(jù)以上計算，路燈在遭受12級臺風的情況下，基礎單根螺桿實際受到的瞬間拉力遠小于基礎螺桿的許用拉力F許，即F<F許，在路燈燈桿本身不發(fā)生變形破壞、基礎混凝土強度足夠、基礎坑壓實度達到安全要求的前提下，是安全的。這里未考慮動載荷對基礎螺桿的影響，未考慮風載在燈桿上不均勻平衡分布的情況。從安全系數(shù)的角度考慮，路燈燈桿安全系數(shù)S=F許/F=6.39，遠大于1.3的安全系數(shù)設計值。因道路照明對燈桿安全性設計未做詳細要求，就需要我們在以后的研究中逐漸完善這一個指標。

五、常見路燈傾斜原因分析

通過多個城市的路燈調(diào)研，我們常常會發(fā)現(xiàn)，原先建設階段均調(diào)試到位的路燈經(jīng)過一兩年的運行后，常常出現(xiàn)燈桿傾斜的現(xiàn)象，在燈桿傾斜到一定程度后基本就看不出繼續(xù)擴大的跡象，除非遇到惡劣天氣的影響會進一步傾斜甚至出現(xiàn)燈桿傾倒現(xiàn)象。但是建設在高架擋墻的路燈從來沒有出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象，甚至燈桿被撞折斷了燈桿法蘭根部依然牢牢的固定在基礎法蘭上。分析原因，不外乎以下幾個方面。

1、地基原因。我們知道，通常道路照明工程都是跟著道路工程同步建設的，新建道路在機非分隔帶或中央綠化帶一般需要經(jīng)過土方開挖外運和綠化土回填的過程，新回填的綠化土一般只做整平，不做壓實處理，而路燈燈位設計一般都會選擇這兩個地方，這就導致新的路燈基坑開挖和基礎制作完成（無論是預制的還是現(xiàn)澆的）后，基礎周邊的土質(zhì)壓實度不能滿足要求，而且一般路燈施工很少會對基礎位置泥土進行充分壓實處理，這就導致路燈安裝到位后，隨著基礎周圍泥土的沉降和路燈受風力影響不斷搖晃，燈桿開始慢慢向一側(cè)傾斜。在人行道或有鋪裝的路面安裝的路燈，因人行道路基均進行了一定的壓實處理，鋪裝完成后也會對基礎周圍起一定的穩(wěn)固作用，所以這些地方安裝的路燈很少發(fā)生歪斜的現(xiàn)象。

2、基礎原因。由于基礎本身的混凝土強度不夠?qū)е禄A開裂、螺桿在基礎混凝土中出現(xiàn)松動，基礎墊片固定不牢導致跑位，這些都會導致基礎螺桿出現(xiàn)松動、旋轉(zhuǎn)甚至被拔出的現(xiàn)象。

3、螺桿原因。基礎螺桿導致的燈桿歪斜較少， 一般原因是螺桿螺母緊固不到位或未按要求設置墊片和雙螺母，還有的情況是野蠻施工導致其中一個或兩個螺桿斷裂后未做補救措施，極少是因為螺桿設計強度不夠?qū)е侣輻U拉斷的，但是個別建設或施工單位為節(jié)省投資使用了過細的螺桿或者劣質(zhì)的螺桿，加上后期維護保養(yǎng)不到位，螺桿銹蝕嚴重，會帶來燈桿在受到?jīng)_擊力的情況下瞬間倒地造成嚴重后果。

4、基礎法蘭原因。這種原因也比較多見，表現(xiàn)為基礎法蘭盤厚度不夠，未達到設計尺寸或砂漿包封過多沒過基礎法蘭，這些都會造成燈桿失穩(wěn)。

六、對基礎螺桿受力分析的意義

經(jīng)過路燈基礎螺桿進行受力分析，我們可以從設計角度出發(fā)，引入安全系數(shù)的概念，通過查詢機械設計手冊或相關工具書，可以很快的選取合適的螺桿設計尺寸，在保障設計質(zhì)量的同時，確保路燈的運行安全。同時，針對不是很高的路燈燈桿基礎設計，可以在驗算了安全性的前提下，選用小號的螺桿尺寸，從而節(jié)省建設成本，減少資源浪費，尤其在小區(qū)庭院燈的基礎設計上，意義更大。當然，僅對路燈螺桿的強度進行驗算還遠遠不能保證路燈運行的安全，還需要對路燈基礎尺寸和混凝土強度進行驗算，保證基礎本身能滿足安全運行的要求，同時要對基礎地基和基坑周圍回填土的壓實度進行計算，給出明確的基礎周圍壓實度要求及不能滿足的情況下的基礎加固措施，從而指導施工。有著這三類安全計算，照明設計的施工圖會更豐滿、更全面、更安全。

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