監(jiān)控立桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)
監(jiān)控立桿使用范圍大，功能性強(qiáng)，使用便利，在城市廣場(chǎng)、大型立交、體育場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)和港口碼頭等處廣泛應(yīng)用的同時(shí)，要充分考慮到監(jiān)控立桿在狂風(fēng)暴雨等惡劣環(huán)境中可靠使用的安全性。監(jiān)控立桿的安全性包括剛度、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性等多方面的計(jì)算，其中強(qiáng)度校核是保證使用的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在此我將分步演算監(jiān)控立桿安全性計(jì)算及強(qiáng)度校核：
一、監(jiān)控立桿的安全性計(jì)算
1)監(jiān)控立桿攝像機(jī)（包括外罩）的迎風(fēng)面積：
由于攝像機(jī)采用不同形狀，使攝像機(jī)的迎風(fēng)面積具有不確定性?，F(xiàn)取常見的封閉式球狀攝像機(jī)為例，以攝像機(jī)外形的正投影作為迎風(fēng)面參考面積
S攝像機(jī)=(d1+d2)H1/2
2)監(jiān)控桿桿身的迎風(fēng)面積：
監(jiān)控立桿桿身往往采用(錐度約1000:5)錐形體或圓柱體。桿身的迎風(fēng)面積隨著桿身長(zhǎng)度的增加而逐漸增大。
S桿身=(D1+D2)H2/2
3)監(jiān)控立桿的基本風(fēng)壓計(jì)算
風(fēng)壓是垂直于氣流風(fēng)向的平面受到的風(fēng)的壓力，根據(jù)伯努利方程得出標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)壓關(guān)系公式。風(fēng)的動(dòng)壓為：
WP=0.5*r*V2/g=0.5*ro*V2(ro=r/g)
WP為風(fēng)壓，單位KN/M2。 ro為空氣密度，單位KG/M3。
V為風(fēng)速，單位是M/S。 r為空氣重度，單位KN/M3。
空氣重度r和重力加速度g隨緯度和海拔高度而變。一般來(lái)說(shuō)，ro在高原要比在平原地區(qū)小，也就是說(shuō)，同樣風(fēng)速在相同溫度下，其產(chǎn)生的風(fēng)壓在高原比在平原地區(qū)小。通常的10級(jí)大風(fēng)相當(dāng)于24.5M/S—28.4M/S。為了使監(jiān)控立桿有廣泛的應(yīng)用地區(qū)，暫取監(jiān)控立桿所在地區(qū)的風(fēng)速為30M/S，且空氣密度取ro=1.255KG/M3。(密度可在物理手冊(cè)或有關(guān)資料查得)
則基本風(fēng)壓WP計(jì)算如下：
WP=ro*V2/2=1.255*302/2=551.25Pa
4)監(jiān)控立桿的風(fēng)載荷W0計(jì)算
風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值=基本風(fēng)壓*風(fēng)振系數(shù)*風(fēng)壓高度變化系數(shù)*風(fēng)載體形系數(shù)
A風(fēng)振系數(shù)
實(shí)際風(fēng)壓是在平均風(fēng)壓上下波動(dòng)的。平均風(fēng)壓使建筑物產(chǎn)生一定的側(cè)移，而脈動(dòng)風(fēng)壓使建筑物在該側(cè)移附近左右振動(dòng)。脈動(dòng)風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象就是風(fēng)振。《荷載規(guī)范》對(duì)于一般懸臂結(jié)構(gòu)(構(gòu)架、塔架、煙囪等高聳結(jié)構(gòu))且可忽略扭轉(zhuǎn)影響的高層建筑，風(fēng)振系數(shù)可按規(guī)范中一個(gè)相應(yīng)的公式計(jì)算。
B風(fēng)壓高度變化系數(shù)
《荷載規(guī)范》中把地表粗糙度分為ABCD四類，a類指近海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；b類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；c類指有密集建筑群的城市市區(qū)；d類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。風(fēng)壓高度變化系數(shù)定義為任一高度處的風(fēng)壓與B類地面粗糙度、標(biāo)準(zhǔn)高度l0m處的風(fēng)壓比值。風(fēng)壓高度變化系數(shù)可根據(jù)《荷載規(guī)范》中高度和地面粗糙度類型來(lái)查找取值。
C風(fēng)載體形系數(shù)
是指建筑結(jié)構(gòu)表面受到的風(fēng)壓與大氣中氣流風(fēng)壓之比。它是衡量風(fēng)對(duì)不同外形的建筑物產(chǎn)生不同風(fēng)壓力的一個(gè)系數(shù)。比如同樣大小的風(fēng)對(duì)圓形和正方形產(chǎn)生的壓力肯定不同，所以，計(jì)算風(fēng)對(duì)建筑物壓力的時(shí)候，針對(duì)不同的外形建筑物都要乘以一個(gè)體型系數(shù)來(lái)擴(kuò)大或縮小標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓壓力，使建筑物承受的風(fēng)壓力更接近實(shí)際情況。風(fēng)載體形系數(shù)主要與建筑物的體型和尺度有關(guān)，當(dāng)然也跟周圍的環(huán)境和地面粗糙度有關(guān)。風(fēng)載體形系數(shù)可根據(jù)體型按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中的表格查找取值，如果體型與表中不同，可根據(jù)相關(guān)資料來(lái)近似確定或由風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)確地測(cè)得。
5)監(jiān)控立桿的風(fēng)壓系數(shù)C
風(fēng)壓系數(shù)是計(jì)算空氣阻力的一個(gè)重要系數(shù)，往往通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和下滑實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的一個(gè)數(shù)學(xué)參數(shù)。監(jiān)控桿攝像機(jī)、監(jiān)控桿的最大風(fēng)壓系數(shù)可以查建筑
結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中圖表資料來(lái)近似確定或由風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)確地測(cè)量。
6)監(jiān)控立桿攝像機(jī)(包括外罩)的風(fēng)力
N攝像機(jī)=W0*S攝像機(jī)*C攝像機(jī)
式中：W0是風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值
S攝像機(jī)是攝像機(jī)的迎風(fēng)面積
C攝像機(jī)是迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)，可查相關(guān)手冊(cè)，
7) 監(jiān)控立桿攝像機(jī)(包括外罩)風(fēng)力對(duì)底部的彎距
M攝像機(jī)=N攝像機(jī)*H
式中：H是高度，一般可取6米
8)監(jiān)控立桿桿身的風(fēng)力
N桿身=W0*S桿身*C桿身
式中：W0是風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值
S桿身是桿身的迎風(fēng)面積
C桿身是迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)，可查相關(guān)手冊(cè)，
9)監(jiān)控立桿桿身風(fēng)力對(duì)底部的彎距
M桿身=∫300C桿身*W0*S桿身ydy
式中：y是高度，暫取6米
10)監(jiān)控立桿合計(jì)風(fēng)力
∑D監(jiān)控立桿=D攝像機(jī)+D桿身
11)監(jiān)控立桿合計(jì)彎距
∑M監(jiān)控立桿=M攝像機(jī)+M桿身
12)監(jiān)控立桿合計(jì)自重
Q監(jiān)控立桿=Q攝像機(jī)+Q桿身
Q攝像機(jī)包括外罩的重量
Q桿身往往采用等距240(外徑)＊8(壁厚)高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼16MN鋼管或用4mm，10mm厚的碳素結(jié)構(gòu)Q235鋼板彎曲卷成圓筒焊接而成。焊接鋼管價(jià)格相對(duì)無(wú)縫鋼管較低，應(yīng)用較多。監(jiān)控立桿的自重是隨監(jiān)控桿長(zhǎng)度增加而增大。
13)監(jiān)控立桿的抗彎截面系數(shù)
W= ?D4一d4)/32D=笵3[1-(d/D)4]/32
二、監(jiān)控立桿的強(qiáng)度校核
1)監(jiān)控立桿的底部面積
S= ?D2一d2)/4 式中：D是外徑、d內(nèi)徑
2)監(jiān)控立桿的結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力
由于監(jiān)控立桿的整體份量較重時(shí)，所以計(jì)算強(qiáng)度時(shí)要考慮自重引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。假設(shè)監(jiān)控立桿底部面積在變形前后橫截面不變且與監(jiān)控桿軸線垂直，可定應(yīng)力在監(jiān)控立桿底部橫截面上均勻分布
d結(jié)構(gòu)自重=Q監(jiān)控立桿/S桿底部橫截面積
3)監(jiān)控立桿彎矩作用下的應(yīng)力
d彎矩=M/W
M是合力矩(截面的彎矩)，W是抗彎截面系數(shù)
4)監(jiān)控立桿合計(jì)應(yīng)力
根據(jù)疊加原理可以得出: d總=d結(jié)構(gòu)自重+d彎矩
5)監(jiān)控立桿的安全系數(shù)
為了保證監(jiān)控立桿的攝像機(jī)能正常地工作，必須使其所受的最大工作應(yīng)力不超過(guò)制作監(jiān)控立桿材料的容許應(yīng)力。制作監(jiān)控立桿的材料往往采用低合金結(jié)構(gòu)鋼16MN或碳素結(jié)構(gòu)Q235鋼，這二者都屬于典型的塑性材料。塑性材料通常是以屈服極限應(yīng)力作為容許應(yīng)力。當(dāng)壓縮受力達(dá)到塑性材料的屈服極限應(yīng)力時(shí)，即出現(xiàn)塑性變形，進(jìn)而發(fā)生斷裂、破壞。監(jiān)控立桿材料的屈服極限應(yīng)力d屈服可在有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和手冊(cè)查得。
安全系數(shù)計(jì)算如下：
K=d屈服／d總
K是表示安全儲(chǔ)備大小的系數(shù)，數(shù)值恒大于l。
確定安全系數(shù)時(shí)，要慎重全面的考慮到各方面的因素，如風(fēng)振系數(shù)等相關(guān)計(jì)算值與實(shí)際情況的誤差等等。安全系數(shù)只有超過(guò)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，監(jiān)控立桿的結(jié)構(gòu)才是安全的。
三、合理調(diào)整有關(guān)因素，提高監(jiān)控立桿的整體強(qiáng)度
我們知道監(jiān)控立桿的整體強(qiáng)度與外形、材料等因素有關(guān)，合理調(diào)整這些因素，可以有效提監(jiān)控立桿的整體強(qiáng)度。如監(jiān)控立桿截面形狀可以采用階梯式的截面體，多面棱柱，橢圓形等多種形式或加大監(jiān)控立桿的橫截面積，減少攝像機(jī)荷載(攝像機(jī)的數(shù)量)都可以影響監(jiān)控立桿的整體強(qiáng)度。監(jiān)控立桿不僅要滿足安全性計(jì)算和強(qiáng)度校核的要求，也應(yīng)同時(shí)滿足剛度，穩(wěn)定性以及生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性等其它方面的要求?？傊?，只有從設(shè)計(jì)、制作，經(jīng)濟(jì)性等多方面入手，才能生產(chǎn)出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，安全穩(wěn)固的監(jiān)控立桿。
