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升降杆的抗风性能——桅杆抗风性能与计算方法

浏览: 2021-08-11 10:31:11

1) 关于桅杆抗风性能的认识
桅杆抗风性能是桅杆类产品的重要技术指标之一。每个客户都想知道自己所用的桅杆在安装了负载物后，能够承受多大的风力，但目前，几乎没有人能准确回答这个问题。这是因为桅杆的抗风性能决定于以下三个因素：
A桅杆的材质和结构
B桅杆的使用高度
C负载物的重量、体积和外形
在上述三个条件都明确的情况下，要得出具体抗风性能的指数，可通过以下三种方式：
（1）理论计算即使用有限元分析等方法。
（2）模拟实验即将不同等级的风力折算成风压，再使用物理方法（拉力计）进行测试。
（3）风洞实验即将桅杆与负载物置于风洞中，模拟风速进行测试。
以上三种方法中，第三种方法可以提供较为接近实际的数值。但是，风洞实验的代价和条件要求非常高。例如，18米高带负载物的桅杆做风洞实验，有没有这么大的风洞？能否做？要花多少钱？都是个难题。所以，对于桅杆制造商来说，有关桅杆的抗风性能指标只能通过上述前两种方法来提供。

2）桅杆抗风性能的计算方法
（本计算方法是在桅杆无负载时的理论计算公式，仅供参考。）
　　例如：A4-270-2300-7600升降杆抗风性能计算，按基准风速为100km/h进行。

1、技术条件

　　1.1、升降杆设计的基准风速▽=100km/h≈28m/s
　　1.2、在▽=28m/s时，估算出升降杆可受到的风阻力D。
　　1.3、升降杆共4节，具体尺寸见表。

管材	外径	284	242	229	202
管材	长度	1700	1700	1700	1700

风级风速风压对照表（机构与结构设计参考）
Wind scale and Wind speed，Wind force list (for designed)
风级	名称 Wind name	风速 wind speed		风压W0=V2/16（kg/m²)，10N/m²	陆地地面物体征象	海面状态
风级	名称 Wind name	km/h	（m/s）	风压W0=V2/16（kg/m²)，10N/m²	陆地地面物体征象	海面状态
8	Fresh gale大风	62-74	17.2-20.7	18.49-26.78	微枝折毁，人向前行阻力甚大	狂浪
9	Strong gale烈风	75-88	20.8-24.4	27.04-37.21	建筑物有小损	狂涛
10	Whole gale狂风	89-102	24.5-28.4	37.52-50.41	可拔起树来，损坏建筑物	狂涛
11	Storm 暴风	103-117	28.5-32.6	50.77-66.42	陆上少见，有则必有广泛破坏	狂涛
12	Hurricane飓风	>117	32.7-36.9	66.42-85.1	陆上极少见,摧毁力极大	海浪滔天

2.抗风计算
2.1 抗弯截面系数
由于顶端管材底部是桅杆最薄弱的地方，承受弯矩也较大，只要202mm外径的管材可以保证正常使用，整个桅杆就可以保证使用。
202mm外径抗弯截面系数

w=πd²／32 ﹛1-﹙d_o/d ﹚⁴﹜=3.14×202²/32 ﹛1－﹙190/202 ﹚⁴﹜=181332mm²

2.2 阵风系数
所谓阵风系数K_g就是在观察时间内的最大瞬时风速V₂与平均风速V₂的比值，它随观察时间，平均风速，地形，地面粗糙度，基准风速所, 取重现期等因素有关。一般K_g在1.2－1.5之间，在这里取K_g＝1.3。
V₂=▽K_g=28×1.3=36.4m/s
2.3 升降杆不同直径段的雷, 诺数
2.3.1雷诺数
R₂=V₂d/V= 36.4×0.202/0.15×10^﹣⁴=4.9×10³
V－空气运动粘性系数，为0.15×10^﹣⁴m²／s
d－管径
2.3.2
由升降杆各段的雷诺数的变化范围来确定升降杆的阻力系数C_D 。
由于升降杆的长细比较大，且外表很光滑，因此我们可以视升降杆为光滑二维杆，下图给出了光滑二维圆柱体的阻力系数C_D 与雷诺数R_e 的关系曲线。

由曲线可以看出，升降杆的R_e范围正好处于C_D =1.2的区域内。
2.4 升降杆顶节顶端风阻力
D=C_D·2/2PV₂²dlK_g²
　 =1.2×２/20×36.4²×0.202×1.7×1.3²
　 =57.67kg
2.5 强度校核
σ_max=M_max/W=37.4×20×27×2000／20222=5.4Mpa
6063-T6下σ=205Mpa，为确保安全，取σ=160Mpa
因为σ_max＜σ ，所以桅杆可以承受100km/h的风速，在有机械自锁结构的情况下，桅杆承受的风力可以成倍增加，可以承受11级风速。　　

3）提高桅杆抗风性能的方法
　　在使用现有规格的桅杆的情况下，要提高桅杆的抗风能力，可以采取下面几种方法：
　　1）根据天气条件，升降桅杆。风大时，把桅杆降下来。风小时，把桅杆升起来。
　　2）使用抗风纤绳。正确及时的使用纤绳，可以极大的提高桅杆的抗风性能。纤绳使用方法如图所示。
设定负载物迎风面积0.85m²，在顶节桅杆设置纤绳，不同纤绳角度对应的抗风强度如表所示。