监控立杆防风防雷计算设计

1、监控立杆防风防雷计算设计1 设计资料1.1 支臂数据1) 臂长： 0.6(m)2) 支臂外径 D=60(mm)3) 支臂壁厚 T=3.75 (mm)1.2 立柱数据1) 立柱外径 D=(200.00+140.00)/2=170.00(mm)2) 立柱壁厚 T=6.00(mm)2 计算简图见Dwg图纸3 荷载计算3.1 永久荷载1) 支臂重量计算此支臂用LD2型铝合金板制作，其密度为2800.00(kg/mW)计算公式G1= LXp iXg式中：支臂总长度 L=0.6(m)立柱单位长度重量 p仁0.00(kg/m)G仁 LXp 1X g=0.00(N)2) 立柱重量计算计算公式G2=LXp 1X

2、g式中：立柱总长度 L=5(m)立柱单位长度重量 p1=0.00(kg/m)g=9.83) 监控重量计算G3=4) 上部总重计算标志上部结构的总重量G按支臂、监控设备和立柱总重量的110.00%计(考虑有关连接件及加劲肋等的重量)，则计算公式G=(G1+G2+G3)*K=54.9O(N)3.2 风荷载1) 计算支臂所受风荷载计算公式F=y 0* 丫 q*(1/2* P *C*VA2)*A式中：结构重要性系数 丫 0=1.00可变荷载分项系数 丫 q=1.10空气密度 P =1.205风力系数 C=1.20风速 V=24.4m/s)面积 A=0.036(mA2)Fwb仁丫 0* 丫 q*(1/2

3、* p *C*VA2)*A=0.017(KN)2) 计算立柱所受风荷载计算公式F=y 0* 丫 q*(1/2* p *C*VA2)*A式中：结构重要性系数 丫 0=1.00可变荷载分项系数 丫 q=1.10空气密度 P =1.205风力系数 C=1.20风速 V=24.4(m/s)面积 A=0.85(mA2)Fwp仁丫 0* 丫 q*(1/2* p *C*VA2)*A=0.4025(KN)4 强度验算4.1 计算截面数据1) 立柱截面面积A=0.11(mA2)2) 立柱截面惯性矩I= n *d a3*0.006/4=3.46x10a-3 (口八4)3) 立柱截面抗弯模量Wn *dA2 *0.0

4、06/4=2.11*10a-2 (口八3)4.2 计算立柱底部受到的弯矩计算公式M=E Fwix hi式中： Fwi 为支臂或立柱的所受的风荷载hi 为支臂或立柱受风荷载集中点到立柱底的 距离支臂受风荷载 Fwb1=0.017(KN)支臂受风荷载高度 hwb1=4.8(m)立柱受风荷载 Fwp1=0.4025(KN)立柱受风荷载高度 hwp1=5(m)M =E Fwix hi=2.094(KN*m)4.2 计算立柱底部受到的剪力计算公式F=X Fwi式中： Fwi 为支臂或立柱的所受的风荷载支臂受风荷载 Fwb1=0.017(KN)立柱受风荷载 Fwp1=0.4025(KN)F=E Fwi=0

5、.4195(KN)4.3 最大正应力验算计算公式(T =M/W式中：抗弯截面模量 W=2.11*10A-2 (mA3) 弯矩 M=2.094(KN*m)(T m=M/W=99.242(MPa c d = 215.00(MPa),满足设计要求。4.4 最大剪应力验算计算公式t m=2 F/A式中：剪力 F=0.4195(KN)截面积 A=0.11(mA2)t m=2K F/A=7.63(MPa) t d = 125.00(MPa),满足设计要求。5 变形验算5.1 计算说明立柱总高度： L = 5.00(m)5.2 计算支臂所受风荷载引起的扰度计算公式f=P*hA2/(6*E*I)*(3*L-h

6、)式中：集中荷载标准值 P2 = Fwb1/( 丫 0* 丫 q) = 0.0187(KN)荷载到立柱根部的距离 h = 4.8(m)f2=P*hA2/(6*E*I)*(3*L-h) =1.210*10A-2 (m)5.3 计算底部均布荷载产生的扰度计算公式f=q*hA4/(8*E*I)式中：均布荷载标准值为 q = Fwb1/(h* 丫 0* 丫 q) = 0.0898(KN/m)荷载到立柱根部的距离 h =4.8(m)f3=q*hA4/(8*E*I) = 0.984X 10A-2(m)5.4 计算底部均布荷载产生的转角计算公式9 =q*hA3/(6*E*l) 式中：均布荷载标准值为 q =

7、 0.0898(KN/m)9 =q*hA3/(6*E*l) =0.273*10-2 (rad)5.5 计算柱顶部的总变形扰度计算公式f= Ef + (L -h) X tan( 9 ) = 0.0219(m) f/L = 0.0046 1/100, 满足设计要求。6 柱脚强度验算6.1 计算底板法兰盘受压区的长度 Xn6.1.1 受力情况铅垂力 G= 丫 0* 丫 G*G=1.00*0.90*54.90 = 0.05(kN)水平力 F=0.4195 (kN) 由风载引起的弯矩 M=2.094(kN)6.1.2 底板法兰盘受压区的长度 Xn偏心距 e=M/G=2.094/0.05=46.44(m)

8、法兰盘几何尺寸： D=0.40(m) ; Lt=0.014(m)基础采用 C15砼，n=Es/Ec=206000.00/22000.00 = 9.364受拉地脚螺栓的总面积：Ae = 2 * 1.57 = 3.13(CMA2) = 3.13*10A-4(MA2)受压区的长度 Xn 根据下式试算求解：式中： e = 46.44D = 0.40n = 9.36Ae = 3.13 * 10A-4(MA2)Lt = 0.05求解该方程，得 Xn = 0.0656.1.3 底板法兰盘下的混凝土最大受压应力S = 2 * G * (e +D/2- Lt) / (D * Xn * (L - Lt - Xn/

9、3)=0.54(MPa) B *fcc = 19.73(MPa),满足设计要求。6.1.4 地脚螺栓强度验算受拉侧地脚螺栓的总拉力Ta = G * (e - D/2 + Xn /3) / (D - Lt - Xn/3)= 6.96(MPa) 0.82(KN), 满足设计要求6.1.7 地脚螺栓支撑加劲肋 由混凝土的分布反力得到的剪力：满足设计要求V = Ari * Lri * Sc = 16.20(KN) Ta/2 = 3.48,地脚螺栓支撑加劲肋的高度和厚度为：高度 Hri = 0.2(m), 厚度 Tri = 0.006(m)剪应力为 t = Vi / (Hri * Tri) = 10.8

10、0(MPa) fv = 125.00(MPa), 满足设计要求。设加劲肋与标志立柱的竖向连接角焊缝尺寸 Hf = 5.00(mm)角焊缝的抗剪强度 t = Vi / (2 * 0.7 * he * lw) = 16.53(MPa) 160.00(MPa), 满足设计要求。7 基础验算设基础宽1.00m,高1.00m,长1.00m,设基础的砼单位重量 24.00(KN/MA3),基底容许应力 250.00(KPa)7.1 基底应力验算 基底所受的外荷载为：竖向总荷载 N = G + V = 54.90/1000 + 1.00 * 1.00 * 1.00* 24.00 = 24.05(KN)弯矩：

11、M = 3.12(KN*M)基底应力的最大值为S max = N / A + M / W = 42.75(kPa) 0, 满足设计要求。7.2 基底合力偏心距验算满足设计要求e = M / N = 0.1295 1.2,7.4 基础滑动稳定性验算Kc =24.05 * 0.30 / 0.82 = 8.795 1.2,满足设计要求。监控立杆防雷设计：常用避雷针 （这里仅指单针 ）保护范围的计算方法主要有折线法和滚球法，为此， 就“折线法”和“滚球法”的计算进行了初步的分析和探讨， 得出：“折线法” 的主要特点是设计直观，计算简便，节省投资，但建筑物高度大于20m以上不适用；“滚球法”的主要特点是

12、可以计算避雷针 （ 带）与网格组合时的保护范围， 但计算相对复杂，投资成本相对大。在避雷针保护范围的计算方法中， “折线法” 是比较成熟的方法。 近几年来 ,国标中规定的“滚球法”也开始得到同行的认同， 但在实际运用中， “滚球法”也碰到一些问题， 特别是在计算天面避雷针保护范 围的时候。因此有必要对电力系统常用的“折线法”和国标的“滚球法”进行比 较分析，发现其中存在的问题。1“折线法”避雷保护计算 “折线法”在电力系统又称“规程法”，即单支避雷针的保护范围是一个 以避雷针为轴的折线圆锥体。 L/ 620 997交流电气装置的过电压保护和绝缘 配合标准就规定了单支避雷针的保护范围，1.1 避

13、雷针在地面上保护半径的计算计算避雷针在地面上的保护半径可用公式式中：R保护半径；h 避雷针的高度；P 高度影响因数。其中，P的取值是：当h20 m时, 只能取 h=120 m。1.2被保护物高度hp水平面上保护半径的计算a）当hp0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径式中：Rp避 雷针在 hp 水平面上的保护半径；hp 被保护物的高度；ha避雷针的有效高度b）当hpv 0.5h时，被保护物高度hp水平面上的保护半径2 “滚球法”避雷保护计算“滚球法”是国际电工委员会（IEC）推荐的接闪器保护范围计算方法之一。我国建筑防雷规范 G 50057 994（2000年版）也把“滚球法”强制作为

14、计算 避雷针保护范围的方法。滚球法是以 hR为半径的一个球体沿需要防止击雷的部 位滚动，当球体只触及接闪器（包括被用作接闪器的金属物）或只触及接闪器和地 面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，则该 部分就得到接闪器的保护。滚球法确定接闪器保护范围应符合规范规定，应用滚球法，避雷针在地面上的保护半径的计算可见以下方法及图2。a）避雷针高度h hR时的计算在避雷针上取高度hp的一点代替单支避雷针针尖并作为圆心，3 “滚球法”计算天面避雷针保护范围存在的问题3.1 存在问题用“滚球法”计算避雷针在地面上的保护，保护范围可以很好地得到确认，但用“滚球法”计算天面避雷针保护

15、范围时却存在较大的误差。“滚球法”是以避雷针和被保护物所在平面为一无限延伸的平面作为前提的，当被保护物位于屋顶天面时，天面不是一个无限延伸的平面， 况且，当滚球同时与避雷针尖和 天面避雷带接触时， 滚球和天面之间不存在确定的相切关系。 因此建筑物防雷 设计规范中给出的计算公式将不能直接运用。在这种情况下，我们怎样计算其保护范围呢？由于天面不可延伸且形状不 规则，因此，根据滚球法计算保护范围的原理，当避雷针位置确定后，滚球在以 避雷针尖作为一个支点， 以避雷带上任一点作为另一支点滚动时， 它在一定高度 的保护范围也将是一个不规则的图形。 从理论上讲， 要想知道被保护物体能否得 到全面保护， 我们

16、需要计算出以避雷针尖为一个滚球支点， 以避雷带上的所有点 作为另一个滚球支点时， 用避雷针在一定高度的所有保护半径来确定被保护物体 能否完全得到保护。 这种计算方法在实际应用中有一定的偏差。 因此，我们需要 寻找一种简便的方法来计算被保护物体能否得到避雷针的完全保护。从滚球法计算保护范围的原理中， 我们可以得出如下推论：a） 以避雷针的顶点为一个支点， 另一个支点距避雷针基点的垂直距离越近 时，其在一定高度的保护半径越小， 反之，另一个支点距避雷针的基点垂直的距 离越远 （不能超过滚球半径 ） 时，其在一定高度的保护半径越大。b）当被保护物体最高点垂直于避雷针的平面上，计算出的保护半径大于被

17、保护物体上最远点距避雷针的垂直距离时， 该被保护物体可得到避雷针的全面保 护。根据以上推论，我们只要计算出避雷带上距避雷针基点最近 （ 指以避雷针基 点作为起点，经被保护物体在天面上的正投影与避雷带上各点连线中的最短距离 ） 的点作为支点时，一定高度的保护距离， 即可判断出该物体能否得到全面保护 （当 计算出的保护距离大于该被保护物体到避雷针的垂直距离的最大值时， 被保护物 体得到全面保护，反之，则相反 ）。3.2 举例说明假设天面有一物体，物体的高度为 3 m,其最远点距避雷针基点的垂直距 离为7m,避雷带上距避雷针基点最近的点（该支点与避雷针基点的连线经过被 保护物体在天面的正投影）距避雷

18、针的垂直距离为5 m。避雷针设多高才能对该 物体进行全面保护？根据以上条件，假设避雷针的基点为0点，被保护物体上距避雷针的最远点 设为A点，滚球的另一个支点为点，依据滚球法的原理。a）分别以A,两点为圆心，以hR为半径划圆弧,则圆弧相交于E点，E点 即为滚球的圆心。b）以E点为圆心，以hR为半径划圆，则该圆一定经过 A,两点且与避雷针 相交于C点（当E点距避雷针的垂直距离大于hR时，无交点），0C即为所求避雷 针的高度。c）经过滚球中心点E点作垂直于0的直线，与0的延长线相交于F点。连 接EA EB EC则线段EA EB EC相等且等于滚球半径。经 A, C两点作垂直 于EF的直线，与EF相交

19、于I，H两点。d）设F=x, EF=y,避雷针高度OC=h滚球半径取45m,则可得方程组y=43.95 m。避雷针的高度应取一定的裕量，所以取高度为 7.5m，可对物体进行全面保 护。如果用 G50057994 标准给出的滚球法计算公式进行计算，所得结果为 h= 6.4m,被保护对象可能得不到全面保护，存在一定雷电绕击概率。4 实例比较 下面以发电厂一些常见建筑物的保护面积来比较两种计算方法 （由于电厂 的建筑物多数属于第三类防雷建筑物，所以滚球半径按第三类防雷建筑物选择， 即 hR=60 m）。某电厂油区有两种规格的油罐，油罐保护高度 hP分别为8 m和25 m,都设 置了同样高度的避雷针，

20、避雷针高度 h=40 m,油罐保护半径分别以折线法和滚球 法进行计算。4.1 折线法根据公式（1），油罐保护高度8m的地面保护半径等于油罐保护高度 25 m的地面保护半径，R=5hP=52.2 m 这是因为保护高度 hP=8 m0.5h=20 m。油罐保护高度8 m水平面上的保护半径 Rp =(1.5h 2hp)P=20.88 m。油罐保护高度25 m水平面上的保护半径Rp= (h hp)P= 13.05 m。4.2 滚球法因为避雷针高度h=40 m,滚球半径hR= 60m, hv hR,根据公式2，油 罐保护高度8m的地面保护半径等于油罐保护高度 25m的地面保护对比以上数 据，可以看出 , 在相同的条件下 (滚球半径按第三类防雷建筑物选 ), 用“滚球法” 计算出来的建筑物高度水平面的保护半径(13.72m和7.84 m)要比“折线法”计 算出来的保护半径(20.88 m和13.05 m)要小，换言之，要达到相同的保护半径， 用“滚球法”计算出的避雷针高度要比“折线法”计算出来的高度要高，可见 “滚球法”要比“折线法”对独立避雷针的要求略高一些。 只有第三类防雷建筑 物的高度低于20m时，“滚球法”算出的避雷针保护范围才与“折线法”算出