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桅式結構由一根下端為鉸接或剛接的豎立細長桿身桅杆和若干層纖繩所組成的構築物,纖繩拉住桿身使其保持直立和穩定。

1 桅式結構 -桅式結構

桅式結構桅式結構
  構造  桅式結構由纖繩、桿身和基礎組成。
  纖繩  纖繩層數一般隨桅杆高度增大而加多,纖繩結點間距以使桿身長細比等於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,使桿身各層應力大致相等,結構較為經濟。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。同一立面內所有纖繩可相互平行,每根纖繩有一地錨基礎;或交於一點,共用一地錨基礎。纖繩常用高強鍍鋅鋼絲繩,用花籃螺絲預加應力,以增強桅杆的剛度和整體穩定性。
  桿身  按材料可分為鋼、木和鋼筋混凝土結構。鋼結構桿身常採用單根鋼管或組合構件,單根鋼管可用無縫鋼管或卷板焊接鋼管。組合構件為三邊形或四邊形空間桁架結構(圖2)。 其弦桿和腹桿由角鋼、圓鋼、鋼管或薄壁型鋼製成,其中圓形截面風阻較小,採用較多。對於四邊形截面的桅杆要每隔一定高度布置橫膈,以防截面變形。組合構件之間常用焊接以簡化構造。為了便於製造、運輸和安裝,桿身可劃分成若干等長度的標準節段,節段兩端用法蘭盤或拼接板相互連接。節段長度根據所用材料、施工和經濟條件確定。木結構桿身採用單根圓木或組合木構件,用拼接鋼板連接。鋼筋混凝土結構採用離心式灌築的預製管柱構件,以法蘭盤連接。
桅式結構桅式結構
  基礎  基礎分桿身下面的中央基礎和固定纖繩的地錨基礎。中央基礎為圓的或方的階梯形基礎,承受桿身傳來的力。地錨基礎承受纖繩拉力,有重力式、擋土牆式和板式。重力式地錨依靠結構自重抵抗纖繩拉力,耗用材料較多。擋土牆式地錨埋入地下,依靠自重、水平板上的土重,以及豎向牆板上的被動土壓抵抗纖繩拉力。板式地錨深埋土中,由與纖繩同向的拉杆和垂直於拉杆的鋼筋混凝土板組成,地錨受拉時,板上產生被動土壓抵抗纖繩拉力。這種地錨比較經濟。在岩石地基中,地錨基礎做成錨樁形式。
  荷載計算  見高聳結構。
  靜力計算  桅杆結構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梁(見梁的基本理論),纖繩為斜拉於桿身的預應力柔索,纖繩與桿身連接的結點形成非線性支座,受力較為複雜。常用的桅杆靜力計算方法有兩種:彈性支座連續梁法和矩陣位移法。
  彈性支座連續梁法  一種簡化的方法。纖繩與桿身分別獨立計算,利用每層纖繩的變形協調條件和結點平衡條件,分別計算各層纖繩拉力,結點位移和結點剛度。然後按多跨彈性支座連續梁計算桿身,利用各結點支座的連續條件和平衡條件計算結點彎矩、結點反力和結點位移,再用結點反力重新計算每層纖繩,重複上述計算直至兩次計算結果接近為止。這種方法只適用於纖繩對稱布置的結構。
  矩陣位移法  適用於纖繩任意布置的桅杆。這種方法考慮空間荷載、纖繩結點的非線性特徵、桿身軸向變形和扭轉變形的影響,用矩陣位移法建立正則方程。可把纖繩結點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,滿足其變形的連續條件。後者較精確,但計算工作量也較大。此外,還可考慮大位移的影響,對剛度矩陣不斷作出修正,得到更為精確的結果。採用矩陣位移法時,一般需編製標準程序,用電子計算機計算。
  動力計算  在風荷載或地震作用下,桿身和纖繩都發生振動,兩者相互影響,使桅杆形成一個複雜的動力體系。桅杆的自振周期和相應的振型,可按多自由度體系考慮空間振動進行計算,即將每層纖繩質量歸併到該層結點上,與桿身合成一個集中質量,按力法或位移法列出桅杆自由振動方程,使方程的係數行列式為零,求得自振頻率和相應的振型曲線。
  剛度和穩定  桅杆的剛度應根據工藝要求確定,根據靜力計算得到的桅杆結點最大水平位移,一般不超過結點所在高度的百分之一。
  桅杆的穩定分局部穩定和整體穩定。局部穩定包括組合構件中壓桿的穩定,單根鋼管筒壁的壓屈穩定,纖繩結點間桿身的偏心受壓穩定等;局部穩定可依靠選用合適的橫截面得到保證。整體穩定有兩種計算方法:①將桿身作為多跨彈性支座壓彎桿件,以結點位移為未知數,推導出結點平衡方程組,其係數是軸向力函數。使方程組的係數行列式為零,從而求出桅杆整體穩定的臨界力,臨界力與實際力的比值為安全係數。一般情況下,安全係數不小於1.5~2.5。由於桿身的軸向力與外荷載不成正比關係,此法有一定誤差。②以前述矩陣位移法為基礎,在解方程組時,以大於1的係數k乘外荷載作用在桅杆上,如迭代過程收斂,說明桅杆在這種荷載作用下保持整體穩定。然後,再逐步增大k值,直到迭代過程發散為止。發散前一次的k值,就是桅杆整體穩定安全係數。
  桅杆的整體穩定與桿身縱向力和結點剛度有關,縱向力過大或結點剛度不足,容易失穩。一些工程實踐證明:桅杆喪失整體穩定的原因,大多是結點剛度偏小,特別是中間結點剛度不足,造成桿身彎曲而產生附加彎矩,從而導致整體失穩。若增加纖繩初應力,雖然能提高結點剛度,但同時會增加桿身縱向力。因此,每一個桅杆結構方案都要通過分析比較,才能找出最合適的加強整體穩定和改善結構受力的措施。
  桅杆安裝  分為整體安裝和分散安裝。
  整體安裝  將桿身節段在安裝點附近地面卧拼,在基礎處設一桅杆支座鉸,利用卷揚機和把桿,將桅杆繞支座鉸整體豎起來。對於較小的桅杆也可用起重機把桿起吊一次就位。這種方法由於把拼裝工作放到地面上進行,施工比較方便,質量易於保證,但需要增加起重設備,還要特別注意安全,避免在吊裝過程中桅杆失穩。
  分散安裝  利用爬行起重機或把桿將桿身節段和纖繩逐節由下向上安裝,起重機或把桿附在桿身上,隨著安裝而升高。另一種方法為倒裝法,在地面設安裝架,先裝上段再裝下段,逐段安裝逐段頂升,並用臨時纖繩保持穩定。分散安裝法設備簡單、安全可靠,因此得到廣泛採用。

2 桅式結構 -配圖

3 桅式結構 -相關連接

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