25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析设计说明书

本科生毕业论文 毕业论文题目 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 学 生 姓 名 专 业 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 毕业设计（论文）前期工作材料 学 生 姓 名： 学号： 教 科 部： 专 业： 设计（论文）题目： 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 指 导 老 师： 材 料 目 录 序号 名 称 数量 备注 1 毕业设计（论文）选题、审题表 1 2 毕业设计（论文）任务书 1 3 毕业设计（论文）实习调研报告 1 4 毕业设计（论文）开题报告（含文献综述） 1 5 毕业设计（论文）外文资料翻译（含 原文） 1 6 毕业设计（论文）中期检查表 1 年 月 日 毕业设计（论文）题目申报表 设计（论文）题 目 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 题目类型 题目来源 面向专业 指导教师 职 称 学 位 从事专业 题目简介： 本课题主要运用 型商用有限元软件，对 25 米高杆路灯灯杆 灯杆结构进行 力学分析 与有限元计算。分析 25 米 路灯灯杆在自重、风载、雪载等多种载荷作用下的应力应变场分布情况，分析路灯灯杆结构的强度与刚度是否符合设计要求，并在此基础上进行了改进设计，以降低灯杆的重量与成本。 审核意见： 审核人签名： 年 月 日 题目类型 1、为结合科研； 2、为结合生产实际； 3、为结合大学生科研训练计划； 4、为结合学科竞赛； 5、模拟仿真； 6、其它 题目来源 ； 拟 毕业设计（论文）任务书 教 科 部： 专 业： 学生姓名 : 学号 : 毕业（论文）题 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 起 迄 日 期： 设计（论文）地点： 指 导 老 师： 专 业 负 责 人： 发任务书日期： 年 月 日 毕业论文任务书 论文题目 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 年级 专业 学生姓名 学号 主要内容： 计； 5米高杆路灯灯杆的有限元计算模型，对承受自重、风载、雪载等多种载荷作用下的灯杆进行有限元计算，分析 25 米路灯灯杆在应力应变场分布情况以及变形情况，研究路灯灯杆结构的强度与刚度是否符合设计要求。 降低灯杆的重量与成本，最终确定最为合理的设计方案； 5篇以上，翻译不少于 5000 印刷符的英文资料； 括工作任务分析、调研报告或文献综述、方案拟定与分析以及实施计划等； 幅不少于 1万字。 主要任务及基本要求 （包括指定的参考资料）： 主要任务及基本要求： 1、撰写开题报告：包括工作任务分析、调研报告或文献综述、方案拟定与分析以及实施计划等； 2、查阅文献 15 篇以上，翻译不少于 5000 印刷符的英文资料； 3、熟练运有限元分析软件； 4、能够运用 过计算获得结构的应力应变场分布规律； 5、撰写毕业论文，篇幅不少于 1万字。 主要参考文献： 1 高层建筑结构设计与施工问答 M上海同济大学 ,1995 2 浅谈高杆灯的总体设计制作 M. 石听安 /武进照明电器研究所 3 三十米高杆灯的风致振动的测量研究 M. 诸葛鸿程，李德葆 (清华大学工程力学系 ,北京 100084) 4 高杆灯杆体强度与挠度分析 M. 俞晓红姜永生（交通部水运科学研究所北京 100088） 5 太阳能路灯照明系统的受力分析与强度效核 M. 许基朵（成都钟顺科技发展有限公司四川成都 610064） 6 高杆灯总体设计概论 M. 石听安 (常为市新北区吕墅中学 ,213132) 7 高杆灯承受最大风荷载时紧固地脚螺栓 的拉力计算 M. 石听安 (江苏武进市照明电器厂 武进市 213117 1999 8 铌在强化超合金中的作用 (李惠平 ) 9 35米高杆灯基础设计施工新方法 曹守海 (丹东港务局 ) 10 高杆灯的介绍与施工 北京市第五市政工程公司机电分公司工程师窦剑飞 11 浅议高杆灯塔开发与应用 沈阳铁路局锦州勘测设计院赵拘传 12 高 杆 照 明 技 术 姜启鹏 1998 13 港口固定式高杆照明灯的改造 山东省龙口港务管理局仲杰 14 高杆照明系统的应用和结构 上海铁路局勘设 所 蔡君伟 发出任务书日期： 完成期限： 指导教师签名： 专业主任签名： 年 月 日 毕业设计（论文）实习调研报告 学 生 姓 名： 学号： 专 业： 指 导 老 师： 参观实习报告 在大学的学习生活中，实习是不可缺少的一部分。在实习期间可以把在学校学到的专业知识应用到实际当中。在理论与实践相结合的时候，能够更快更好地体会到理论的精髓所在，体会到理论与实践的区别。从而巩固自己所学的知识，增强发现问题、分析问题、解决问题的能力。从而做到理论与实际的融会贯通。生产实习时大学生学习很重要的实践环节。实习是每一个大学毕业生的必修课，它不仅让我们学到了很多课堂上根本学不到的知识，还使我们开阔了视野，增长了见识，为我们以后更好把所学的知识运用大实际工作中打下坚实的基础 。通过生产实习使我更深入的接触专业知识。 3 月 28 日我们在扬力集团田工以及研究生的带领下到扬力工厂进行参观实习。田工为我们做了具体介绍。江苏扬力集团有限公司是专业从事锻压机械设计、制造的企业 ,前身为扬州第二锻压机床厂，始建于 1956 年。集团下辖六个生产型企业，分别为：江苏扬力集团有限公司（控股母公司）、江苏富力数控机床有限公司、江苏国力锻压机床有限公司、江苏扬力坚城锻压机床有限公司、江苏扬力铸段有限公司、江苏扬力模具有限公司。集团建立了一个锻压机械研究院，下辖四个研究所；并与东南大学共同申报设立了企业博士后 工作站；与扬州大学建立了开发全伺服机床产品的合作；与中国科学院长春光学精密机械与物理研究院合资建立了激光技术与装备工程研究中心。 扬力集团的企业精神：团结、敬业、开拓、进取。扬力产品的市场方针：技术的不断创新、产品的日臻完美、服务的更加完善、让用户满意的高品质是我们永恒的追求。 田 工 重 点 为 我 们 介 绍 了 数 控 转 塔 冲 床 以 及 剪 板 机 。 其 中 包 括30,及 列。列举了几大产品的具体参数以及工作原理操作方法等，使我们对扬力有了更深入的了解，对扬力的产品也有了进一步的认识。在企业员 工的指导下，我们见习生产流程及技术设计环节，锻炼自己观察能力及知识运用能力。 社会工作能力得到了相应的提高 ,在实习过程中，我们不仅从企业职工身上学到了知识和技能，更使我们学会了企业中科学的管理方式和他们的敬业精神。感到了 生活的充实和学习的快乐，以及获得知识的满足。真正的接触了社会，使我们消除了走向社会的恐惧心里，使我们对未来充满了信心，以良好的心态去面对社会。同时，也使我们体验到了工作的艰辛，了解了当前社会大学生所面临的严峻问题，促使自己努力学习更多的知识，为自己今后的工作奠定良好的基础 本次实习使 我第一次亲身感受了所学知识与实际的应用，理论与实际的相结合，让我们大开眼界，也算是对以前所学知识的一个初审吧！这次生产实习对于我们以后学习、找工作也真是受益菲浅。在短短的时间里，让我们初步让理性回到感性的重新认识，也让我们初步的认识了这个社会，对于以后做人所应把握的方向也有所启发！ 总之短短的实习，让我大开眼界，也学会了不少东西，也让我对自己今后要从事的行业有所思考。原来的那种心高气傲没有了，取而代之的是脚踏实地的努力工作学习的决心和信心。当我摆正自己的心态，从初涉社会工作的被动状态转变到开始适应社会的主动 状态，以放松的心情，充沛的精力重新回到紧张的学习工作当中时，我忽然有种这样的感受：短短 的时间 ，仿佛思想又得到了一次升华，心中又多了一份人生感悟。 这次实习让我深刻体会到读书固然是增长知识开阔眼界的途径，但是多一些实践，畅徉于实践当中接触实际的工作，触摸一下社会的脉搏，给自己定个位，也是一种绝好的提高自身综合素质的选择。 我们的实习虽然结束了，但是，我们的学习却仍在继续！ 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 学 号： 专 业： 设计 (论文 )题目： 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 指 导 老 师： 年 月 日 毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题 目 25米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 题目来源 题目类型 指导教师 学生姓名 学 号 专 业 开题 报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、 内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。） 本毕业设计（论文）课题应达到的目的： （ 1）培养学生的调查研究以及资料、信息的获取、分析等综合能力； （ 2）培养学生的工程设计能力，主要包括设计、计算及绘图能力； （ 3）培养学生的综合运用专业理论知识，分析解决实际问题的能力； （ 4）培养学生的在设计过程中使用计算机的能力； （ 5）培养学生的撰写设计说明书、论文的能力； （ 6）培养学生创新能力和创新精神。 本毕 业设计（论文）课题工作进度计划： 起止日期 工 作 内 容 毕业设计开始，查阅中外文资料，完成外文翻译，完成实习调研和实习报告，完成开题报告； 进行毕业设计，学习有限元软件的使用方法、进行理论计算与有限元模拟、分析模拟结果，接收毕业设计中期检查，撰写毕业设计论文 ； 修改完善毕业论文、准备毕业答辩、整理毕业设计期间的所有资料、成果并归档。 文 献 综 述 1、引 言 高杆灯以节能、维修方便、集中照明等优势受到了人们的广泛欢迎，尤其在道路互道立交、港口、码头、机场、 体育场、货场、施工工地等场合，都需要使用具有强照明能力的灯具。 简介高杆灯及有限元计算分析 目前的高杆灯 主要 是高度在 15 米以上钢制柱形灯杆和大功率组合式灯架构成的新型照明装置。它由灯头、内部灯具电器、杆体及其基础部分组成。内部灯具多由泛光灯和投光灯组成。 随着计算机技术的不断发展 有限元法越来越多地应用于计算机辅助工程领域，但就目前来说还没有普及到通用设施领域；不过在别的领域如汽车制造应用的已经非常广泛。应用 路灯灯杆结构进行有限元计算。分析灯杆结构在自重、风载、雪载等多种 载荷作用下的应力应变场分布情况，分析路灯灯杆结构的强度与刚度是否符合设计要求，并在此基础上进行了改进设计，以降低灯杆的重量与成本。 高杆灯各大部件的设计概况 （ 1） 灯源的选择 高压钠灯：是中气体放电的灯，需要在玻壳内冲入钠汞蒸汽，才能通过电极电离气体，激发可见光，寿命长，功率高，透雾性好，显色指数低。 低压钠灯：是利用低压钠蒸气放电发光的电光源，在它的玻璃外壳内涂以红外线反射膜，是光衰较小和发光效率最高的电光源，但国内应用少。 金卤灯：是交流电源工作的在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧 放电发光的放电灯，光效高，显色指数高，但寿命低且昂贵，路灯应用较少，可在关键路口使用照明。 （ 2） 灯杆杆体形状选择 目前 ,国内安装使用的高杆灯的杆体 ,常见圆台型焊接式和正 12棱台型套接式两种。前者是在安装现场把多节圆台型杆体当场焊接成型 ,整杆起吊安装 ;后者在安装现场分节起吊 ,逐步套接安装。这仅是表象的区别。从建筑力学和抗风荷载的本质特性来分析 ,两者的静力学特征和抗风荷载的情况 ,却有着显著的差异。圆台型灯杆的体形风压系数为 正 12棱台灯杆的体形风压系数 : .2/n=2=n 正棱台的边数 12)1。换言之 ,同一高度横截面积相等的两种型式的高杆灯 ,它们在同等风速下 ,正 12棱台灯杆所受到的风荷载作用力将是圆台型灯杆的 么 ,在这情况下 ,为了使这两种造型的灯杆具有相同的抗风荷载能力及相同的安全系数 ,正 12棱台型灯杆的杆体钢板的壁厚、同一高度处的截面积、甚至是地脚紧固螺栓的直径等都必须 比圆台型杆体来得大 ,高杆灯整体耗材也大。虽然正 12棱台型灯杆省去了安装现场焊接的麻烦 ,但杆体间的多节套接 ,增加了杆体的实际长度。 其次 ,正 12棱台 套节式灯杆各分套节的成型 ,是预先裁切的梯形钢板料在特 大功率的折弯机上弯折 12条棱线后 ,由自动焊接机焊接成正 12棱台型分节钢筒。钢板在形变中 ,刚度必受挫损。而圆台型灯杆的杆体横截面为一个圆 ,从几何力学来看 ,圆的刚度比正 12边形大得多 ,所以相同截面积的圆台型灯杆比起正 12棱台型灯杆的抗风荷载能力大得多。但也有人怀疑圆台型分节杆体在高杆灯安装过程中 ,各分节之间的对口碰焊在抗风荷载中的强度问题。其实 ,在各分节对口碰焊处的杆体内 ,内衬一小段钢环 (见图 1),使其同时焊连在碰焊缝内侧杆体上 ,再加上电焊烧结的理化特性 ,碰焊 缝处的刚度和强度大大增强。 （ 3） 灯盘形状的选择 ： 高杆灯灯盘方面高杆灯的主要重量集中在杆顶的灯盘之上，而且高杆灯的外观也很大程度上由灯盘的外形决定。优美得体的灯盘不仅可以减轻对灯杆的风荷载负荷，而且与周围建筑物的谐和也是现代化城镇的一道风景线。 从风荷载计算，还是使用实践来看，灯盘的直径能小则小，漏空系数能大则大。这样，灯盘所受的风荷载作用就小，对杆体和基座的威胁也小。 从力学角度分析，即使对于被照区域的照明半径大、照度要求高、布灯多的高杆灯，设计时灯盘的直径一般不要大于杆高的 1/7。几 种灯盘的设计形式有 :蘑菇形、牵牛花形、盘花形、飞碟形。 如果高杆灯出现灯杆振动过大，长期过大振动会提前疲劳损坏，特别是过大的振动量和不合适的频率易使照明灯泡寿命降低。所以，高杆灯设计时必须考虑不同地区的风力特征、激励的风谱、如何抗击风振等避免灯杆振动过大。同时高杆灯的底座 ,一般取 25通过杆根外围的支撑板与其连接以增加承受强度。环形底板的圆形面积尽可能做大些 ,以增大与基础的接触面 ,增大整基高杆灯的地面部分的稳度 ,减少对基础的压强。 （ 4） 高杆灯的升降控制 灯盘的升降系统 是由电动机，减速机，传动齿轮，轮轴，钢索和滑轴组组成的卷扬机组。卷扬机组电动升降灯盘的过程和灯盘上照明灯具自动启闭都离不开电器控制，这两个部分一起成为高杆灯的电器控制系统。 （ 5） 灯盘的自动挂，脱钩装置 国内外的高杆灯 ,灯盘在杆顶处的自动挂、脱钩始终是高杆灯技术中的一大难题 ,因灯盘上升至杆顶时 ,由于高空的气流或风速的影响 ,使灯盘产生的不平衡而导致三只挂钩未能同时顺利返转 ,使挂钩 难以成功。在灯盘下降前的脱钩过程中 ,因挂钩部位受风雨侵蚀 ,又不需同时脱钩。为此 ,不得不反复启动灯盘以求达到灯盘挂、 脱钩的目的。可采用电磁阀挂脱钩装置。 优化设计 优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓最优设计，指的是一 种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出 (如重量、面积、体积、应力、费用等 )最小。即，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说 :尺寸 (如厚度 )、形状 (如过渡圆角的大小 )、支撑位置、制造费用、自然频率以及材料特性等。实际上，所有可以参数化的 两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很 完善的处理方法，可以有效地处理大多数工程问题。一阶方法基于目 标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法， 评估 修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结构就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。在 设计变量、状态变量、目标函数、合理和不合理的设计、分析文件、迭代、循环、设计序列等。 主要参考文献 1 高层建筑结构设计与施工问答 M上海同济大学 ,1995 2 浅谈高杆灯的总体设计制作 M. 石听安 /武进照明电器研究所 3 三十米高杆灯的风致振动的测量研究 M. 诸葛鸿程，李德葆 (清华大学工程力学系 ,北京 100084) 4 高杆灯杆体强度与挠度分析 M. 俞晓红姜永生（交通部水运科学研究所北京 100088） 5 太阳能路灯照明系统的受力分析与强度效核 M. 许基朵（成都钟顺科技发展有限公司四川成都 610064） 6 高杆灯总体设计概论 M. 石听安 (常为市新北区吕墅中学 ,213132) 7 高杆灯承受最大风荷载时紧固地脚螺栓的拉力计算 M. 石听安 (江苏武进市照明电器厂 武进市 213117 1999 8 铌在强化超合金中的作用 (李惠平 ) 9 35米高杆灯基础设计施工新方法 曹守海 (丹东港务局 ) 10 高杆灯的介绍与施工 北京市第五市政工程公司机电分公司工程师窦剑飞 11 浅议高杆灯塔开发与应用 沈阳铁路局锦州勘测设计院赵拘传 12 高 杆 照 明 技 术 姜启鹏 1998 13 港口固定式高杆照明灯的改造 山东省龙口港务管理局仲杰 14 高杆照明系统的应用和结构 上海铁路局勘设所 蔡君伟 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 课题 ： 25米高杆 路灯 杆 灯的有限元分析 研究和解决的问题 ：建立 25米高杆路灯灯杆的有限元计算模型，对承受自重、风载、雪载等多种载荷作用下的灯杆进行有限元计算，分析 25米高杆路灯灯杆在应力应变场分布情况以及变形情况，研究路灯灯杆结构的强度与刚度是否符合设计要求。 拟采用的研究手段： 灯杆的整体设计时 ,必须以风荷载计算为依据。参照高杆灯安装现场所在地区的50 年一遇的最大风速下 ,所经受 到的最大风荷载作用 ,(个别地方 ,还须考虑周围气雾的影响 )复核计算拟定的高杆灯杆根处应承受的总风荷载弯矩 (也叫倾覆力矩 )及各分节杆体的力学特征 ,同时更应该测算高杆灯底板的直径和底板上地脚紧固螺栓孔的个数 ,以及螺栓孔中心圆的直径。 在运用 件设计灯杆模型时，用有限元程序对灯杆进行整体分析，所以本文工作应从以下几个方面着手，其主要工作是： （ 1）了解高杆灯的功用与要求 （ 2）简单介绍有限元法与 件。 （ 3）用 进行三维建模。 （ 4）运用 模型进行相应的设置，包括有限元类型、材料属性、 网格划分、位移约束、载荷加载等等。 （ 5）对 的灯杆模型进行稳定性分析，得出变形最大位置及数据。 全部设计过程综合运用了四年来所学的各种知识机械原理、机械设计、机械制图、材料力学和理论力学等专业方面的知识。通过本次设计，不但增强了自己独立查阅文献，独立设计计算，独立思考等各方面的能力，更重要的，是对四年来大学知识的一个总结，同时，也为自己即将的社会生活打下了一个坚实的基础。 毕业设计（论文）中期自 查表 （中期教学检查用） 学生姓名 学号 专业 班级 指导教师 职 称 设计（论文）题 目 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 个人精力 实际投入 每天平均工作时 间 迄今缺席天数 出勤率 % 指导教师每周指导次数 每周指导时间（小时） 未指导的周次及原因 毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重 已完成主要内容（ %） 待完成主要内容（ %） 存在问题及解决方案 指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 毕业设计（论文）指导教师审阅意见表 设计（论文）题目 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 学生姓名 专业 班级 指导教师姓名 职称 得分 指导教师审阅意见： 指导教师签名： 年 月 日 毕业设计（论文）评阅人意见表 设计（论文）题目 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 学生姓名 专业 班级 评阅人姓名 职称 得分 评阅人 意见： 评阅人签名： 年 月 日 毕业设计（论文）答辩结果表 设计（论文）题目 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 学生姓名 专业 班级 答辩记录： 答辩小组意见： 得 分 组长签名 日 期 答辩委员会意见： 指导教师评 分 评阅人评 分 答辩小组得 分 结构分 最终成绩 主任签章 日 期 摘 要 随着社会的发展与进步，各种大型广场、车站、 公路立交桥、港口以及机场 等陆续建成，这些区域对 大面积照明的需求推动了高杆灯的发展。而随着高杆灯越来越广泛的应用，它的结构强度和成本也逐渐成为了社会关注的焦点。高杆灯的设计制作是多门学科交错渗透的综合体 ,其深刻的机理自有着它的严密性和科学性。 本课题主要运用了 25米高杆路灯灯杆结构在风载、雪载以及自身重力的作用下，进行了有限元分析，得出灯杆各部件的应力与变形的大致分布情况，分析路灯灯杆结构的强度是否符合设计的要求。并且在此基础上进行改进设计，通过进一步减小杆壁的厚度、调整法兰孔及螺栓尺寸、减小地基体积等方法成功地降低了高杆 灯的重量与成本。 关键词：高杆灯，有限元分析， 力 of of to of of its of is a of is is 5 it we of of to it of on to by of 目录 摘要 一章 绪 论 . 1 言 . 1 杆路灯的国内外研究状况 . 4 杆灯杆体强度分析以及变形 . 6 高杆灯杆体的力学计算 . 6 高杆灯杆体壁厚沿杆体高度的合理布置 . 9 杆体选用不同材料对杆体参数确定的影响 . 10 杆灯系统的受力分析和强度校核 . 10 章小结 . 11 第二章 高杆灯的总体设计 . 12 杆设计 . 12 源及灯具配置 . 13 源的选择 . 13 具的选择 . 13 盘及升 降机构 . 14 基础设计与修建 . 16 第三章 25米高杆路灯杆灯有限元分析的建模过程 . 18 关软件介绍 . 18 介 . 18 25 米高杆灯的主要内容和参数 . 25 件简介 . 27 软件模型处理过程 . 27 5 米高杆灯的有限元模型 . 28 决的问题 . 28 第四章 25米高杆路灯灯杆的有限元分析和优化设计 . 30 单一载荷下的有限元分析 . 30 风载 . 30 雪载 . 33 重载荷下的有限元分析和优化设计 . 36 限元分析 . 36 结论分析 . 40 构优化 . 41 优化建议 . 45 结 论 . 46 参考文献 . 47 致 谢 . 46 英文文献 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 1 第一章 绪 论 言 近年来 ,伴随着国内照明技术的不断提高和引进国外的先进照明装置 ,高杆灯照明越来越受到人们的欢迎和广泛重视。如 1996 年 9 月完工的沪宁高速公路 ,就采用了英国的 比如 1997年 7月完工的南京禄口国际机场专用高速公路也采用了英国的科艺公司的照明技术。国内外的高杆 照明技术正在向实用化、功能化的方向发展。灯杆由圆柱等径向多边形的锥体发展，灯盘结构由装饰型向框架功能型发展，升降机构由单筒向多筒发展，光源由 400W 钠灯向 1000W 钠灯发展 ,电器控制由人工的向时控及光控等自动控制方向发展。除此之外 ,灯杆表面的防腐处理工艺、挂钩结构、电器控制等很多方面也向高技术方向发展。再比如高杆灯的杆体也正由等径柱体加芯接式向多面锥体分段套接式方向发展，杆材也由过去的 235A 低碳钢方向发展。高杆灯表面防腐工艺呢，也由过去的热喷铝工艺向内外热浸锌工艺方向发展 ,这就是是高杆照明技 术的一大进步。灯杆的焊接容积深度要大于 则会危及使用安全。焊接的工艺适宜采用自动氩气保护电弧焊或者自动埋弧焊焊接工艺。灯杆的臂厚应该根据使用环境条件和自身的结构强度要求取定 ,臂厚太厚了不经济、浪费材料 ,若太薄了又不能满足强度和安全要求 ,同时还要考虑到安装、运输过程中的变形问题。对于国内钢材特点 ,30m 以下的高杆灯杆体宜卷压折弯成 12 边形以下 ,因为不这样灯杆外形将失去外形轮廓美感。灯杆的内外适宜采用热浸锌工艺处理 ,镀锌层厚度要求大于 86610g/面述说的灯杆结构和防腐工艺克服了传统等径柱 体加芯焊接结构的许多缺陷。比如 :接口处易生锈挂铁锈斑迹，易生锈层层剥离 ,内臂防腐性能差等等。新型结构防腐效果比较好 ,安装也相对方便简单。 高杆灯一般是指 25米以上的大功率组合式灯架和钢 制柱型灯杆构成的新型的照明装置。它是由杆体、升降机构灯座、内部灯具电气、及基础部分组成的 1。因为 高杆灯具有挺拔且高耸的外形和十分出色的照明效果，所以被越来越广泛地用于城市码头、公路、车站、体育场、立交桥等很多户外大面积的照明场所。 与普通路灯比较，它具有照明灯具功率大、灯具数量多、灯杆高度高、照射范围大的特点。在这 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 2 些公共地方 使用大型的灯具，安全性是很重要的。尤其是在一些恶劣的天气中，有时可能会发生高杆灯的倒塌事故，倒塌的原因大部分是高杆灯灯杆的强度不够，很多厂家在进行高杆灯的设计时，并没有进行强度校核或者以低于 10级大台风的要求进行校核。有关高杆灯灯杆结构强度的验算，我国目前还没有具体的详细规范。 目前 ,在国内安装使用的高杆灯杆体 ,常见的有正 12棱台型套接式和圆台型焊接式两种。前者是在安装的现场分节起吊 ,逐步套接安装 ;后者呢是在安装现场把多节圆台型的杆体当场焊接成型 ,然后整杆起吊安装。这仅仅是表面上的区别。从抗风荷载的本质特性 和建筑力学来分析 ,两者抗风荷载的情况和静力学特征有着明显的差异。正 12棱台灯杆体形风压系数是 圆台型灯杆体形风压系数才 句话说 ,同一高度横截积相等的两种样式的高杆灯 ,它们在同样的风速作用下 ,正 12棱台灯杆受到的风荷载作用力是圆台型灯杆的 这情况下 ,为了让这两种造型的灯杆有相同的抗风荷载能力和一样的安全系数 ,那么正 12 棱台型灯杆杆体的钢板壁厚、相同高度处的截面积、还有地脚紧固螺栓的直径等必须比圆台型杆体来得大 ,所以高杆灯整体耗材也大。正 12棱台型灯杆虽然省去了安装现场焊接的 麻烦 ,但是杆体间的多节套接 ,同时也增加了杆体的实际长度。就比如 30m 的高杆灯 ,做成三节套节式杆体 ,实际增加的杆体长度为 加了成本的同时又增加了自重和杆根处的负载。再者 ,正 12棱台套节式的灯杆各分套节成型 ,是预先裁切的钢板料在大功率的折弯机上弯折出 12条棱线后 ,再由自动焊接机焊接为正 12棱台型分节钢筒。钢板在形变时 ,刚度必受受损。圆台型灯杆的杆体横截面是一个圆 ,圆的刚度比正 12边形大很多 ,所以同样截面积的圆台型灯杆会比起正 12棱台型灯杆的抗风荷载能力大。但也有人曾怀疑圆台型的分节杆体在高杆灯 安装的过程中 ,各个分节之间的对接碰焊在抗风荷载中的强度有问题。实际上 ,在各分节对接碰焊处的杆体内 ,内衬小段钢环 ,使它同时焊连在碰焊缝内侧的杆体上 ,然后再加上电焊烧结的理化特点 ,碰焊缝处的刚度和强度会大大增强 2。 高杆灯的 外形形态各异， 它们的共同之处是灯盘硕大、灯杆细长。作用于杆体上的力有：冰雪载荷、风载荷、杆体自重、灯盘重量。其中，风载荷对杆体的挠度值和应力所起的作用最大。风载荷是动力载荷，有不稳定的、稳定的两种。稳定的风可以视为静力作用，而不稳定的风除产生静力作用外，还会产生动力作用。相对 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 3 于刚度大的结 构，其实风的动力影响很小，只考虑风压静力作用即可，但对于高的灯杆结构，由于其刚度小，自振频率低，结构容易在突发的阵风作用下产生弹性振动。对于高杆灯杆体来说，除了计算风的静力作用之外，还需计算风振。灯盘的样式对杆体的挠度、强度起着决定性的作用。高杆灯在风速很大的地区安装时，应尽量采用迎风面积小点的功能型灯盘，节省杆体的截面，从而减少杆体材料的用量，降低高杆灯生产成本。高杆灯的杆体比较常见的有三种主要型式：三角柱杆、梢杆、直杆。和三角柱杆相比较，三角柱杆的自重和刚度较大。梢杆和直杆的力学特性有所不同，对于具有相 同杆体壁厚和相同的底部直径的梢杆和直杆，当它们处于各种风速下，在杆体中产生的杆体的最大挠度值和最大应力不同。在它们的杆体中，为了减轻杆体的重量，一般是将杆体壁厚由根部到顶部逐步减小。因为杆体过长，在实际制造中，宜将杆体分成三段或四段来制造，现场安装的时候再连接在一起。各段杆体壁厚不同，其分布按杆体的分段自然形成。在杆体的设计过程中，其强度不能满足要求时，一般采用增加杆体壁厚或增大杆体根部直径这两种方法 3。 一般来说 ,在港口、高速公路的露天站口、在海岛等气候条件比较差以及自然地理环境复杂的地域 ,适合选用圆 台形型焊接灯杆。在市内广场、大院之内的高杆灯 ,由于场地风速较小 ,场地的四周建筑不方便整根灯杆同时起吊安装 ,就可以采用正 12棱台型套节灯杆。综合高杆灯设计制作个例和高层建筑 (30米以上的高杆灯视为高层建筑处理 )的有关文献资料 ,灯杆的造型以圆台形为佳 ,也可以做成正十二棱台形。正十二棱台形的风阻系数为 台形的杆体风阻系数为 杆体截面积一样的正多边棱台形和圆台形杆体相比 ,风阻系数大。但正十二棱台形杆体适宜做成套接式 ,从而省去了各节灯杆之间的焊接 4。 总的来说，国内高杆照明技术渐渐走向成熟 ,由于 目前国家并没有颁布规范的高杆照明技术相关细节 ,很多城市的高杆灯存在问题，比如灯盘的外观与周围环境极不相称、不能满足高杆照明的功能性和装饰需求、光源灯具的配置不合理、灯杆内外表面防腐处理工艺差、运行存在安全和质量隐患 ,事故频发等等。 基于这种情况，本课题以 25米的高杆路灯灯杆在风载、雪载和自身重力作用下进行有限元分析，并进行优化设计。 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 4 杆路灯的国内外研究状况 高杆照明是指照明的装置安装高度大于 20 米的杆状照明设备 ,近年来，由于它采用了新光源 ,以及在结构上的改进 ,在国 外应用正逐渐扩大 ,目前除了常用汽车停车场、广场、公路交叉区作大面积照明外 ,也渐渐用于商业区街道、自来水厂、铁路编组场等处。在国内 ,高杆照明虽然近年来、有采用 ,但例子少 ,偶而用作汽车停车场或者广场体育场照明。 国外运用概况： 汽车停车场照明：迈阿密国际机场 1978 年客运量超过 160。万人次，其汽车停车场可容纳 47000辆汽车。该机场原设有 398 根普通高度的照明杆，每杆装有 2只40。瓦水银灯，其中停车场占 250根，这为数可观的电杆不仅缩小停车场面积，影响美观，而且照明质量差，有阴影和暗区，维修困难，费用亦大。 1976 年后机场决定采用高杆照明 (图 1杆高 100 英尺 )，间距 杆顶部安装一组包括 6只 1000瓦金属卤化物灯的照明装置，成功地对 155500米： (2000000英尺2)的区域实现了均匀照明，测得的最小地面照度达 这样，机场及停车场的面貌焕然一新，行车也增加了安全性。 图 1阿密国际机场停车场的高杆照明系统的结构示意 公路交叉区照明：高杆照明有照明面积大、炫光低、照度均匀等优点，在美国 25 米高杆路灯灯杆的力学计算与有限元分析 5 用作公路交叉区照明。俄亥俄州阿克郎商业区的公路交叉区，采用了每 杆带有 4个1000瓦金属卤化物灯并且设有升降装置的高杆照明，设计采用了对称、不对称的杆射器。 铁路编组场照明：美国路易斯维尔枢纽站新建的自动化调车场采用了 36根高杆照明 ,杆高 ,杆距 ,每杆装有 12只 1000 瓦的金属卤化物灯 ,调车场长 最宽处约 305米 ,高杆照明使缓行器区和调车场分别达到54勒 助高杆内的提升缆索及其上的灯盘可降至地面进行清理和更换灯泡。美国南方铁路系统斯彭塞编组场占地 采用了高杆照明与普通高度相结合 的照明方式 ,全部采用高压钠灯。设计中包括 18座高度为 其上采用 1000瓦照明装置 ,此外再以编组场周围电杆上的 250瓦路灯照明作为补充 ,获得的全场平均水平照度为 11勒 ,平均照度与最小照度之比 4:l,炫光很低 ,电能相当节约 ,照明消耗功率低于 每平方米。该设计曾获美国 1980年地区性照明设计奖和 日本京王线路线的调布车站南口广场上，出现了一盏使用太阳能的路灯。这盏路灯是京都的一家专门厂商研制的。它的结构是：在高骊的灯杆顶上装两块聚热板(5780它们白天吸收太阳能