什么是高耸结构?

什么是高耸结构?,第1张

什么是高耸结构?

[拼音]:gaosong jiegou

[外文]:high-rise structure

高度较大、横断面相对较小的结构,以水平荷载(特别是风荷载)为结构设计的主要依据。根据其结构形式可分为自立式塔式结构和拉线式桅式结构,所以高耸结构也称塔桅结构。

沿革

古代宗教塔是早期的高耸结构,这种纪念性的塔遍布世界各地。中国历代曾建有砖、石、木材、生铁等材料的各种形式的塔,现在尚存的具有代表性的古塔有:公元 523年(北魏)建造的河南登封嵩岳寺砖塔,公元1056年(辽)建造的山西应县佛宫寺释迦木塔,公元1061年(北宋)建造的湖北荆州玉泉寺铁塔。(见彩图)







随着工业技术的发展,出现了各种类型的高耸结构。1889年为巴黎博览会建造了举世闻名的埃菲尔铁塔(见彩图),塔高300米,当时只供游览和美化城市用;1921年后在塔顶装设了无线电天线和电视天线,总高度为321米。




20世纪随着无线电广播和电视事业的发展,世界各地建造了大量较高的无线电塔和电视塔。电力、冶金、石油、化工等企业也建造了很多高耸结构,如输电线路塔、石油钻井塔、炼油化工塔、风动机塔、排气塔、水塔、烟囱等。在邮电、交通、运输等部门中也兴建了电信塔、导航塔、航空指挥塔、雷达塔、灯塔等。此外,还有卫星发射塔、跳伞塔和环境气象塔等。

材料

古代塔多用砖、石、木材、生铁建造,现代塔则多用钢、钢筋混凝土及预应力混凝土结构,高度较小的可用砌体结构。钢结构塔轻巧美观,可由工业化生产,但防锈要求较高、维护费用较大。钢筋混凝土塔抗大气腐蚀性能较好。筒形钢筋混凝土塔可保护内部管线、设备,免受大气影响和风雪侵袭,但由于自重大,需设较强的基础。现场灌筑钢筋混凝土塔的质量和造价取决于施工技术水平,对施工季节还有选择性。

型式

除塔式和桅式两大类型之外,还有樯杆塔(图1)。这种结构以桅式体系为基础,在杆身纤绳结点处设置水平刚性撑杆和上下层纤绳连接,纤绳相当于塔架中预加拉力的塔柱和斜杆,水平刚性撑杆相当于塔架的横杆;因此,兼有桅杆省钢、塔架占地小、结构紧凑的特点。塔式结构和桅式结构也可混合使用,如荷兰洛皮克电视电信塔(图2),总高370米,下部为100米的圆筒形钢筋混凝土塔,上部为270米的用四层纤绳拉到地面的钢管桅杆。也有在塔顶上布置几座小型桅杆的结构,如美国旧金山电视塔,总高298米,下部为 234米高的三角形断面的塔,塔顶处装有大平台,上面设三座对称布置64米高、三层纤绳的小桅杆、纤绳均锚固在大平台上,形成独特的烛台式结构。







荷载

包括自重、设备重、风荷载、地震作用等。风荷载是高耸结构的主要荷载,设计时需要当地风力的可靠数据。基本风压值、沿高度变化风压、风荷载体型系数和风振系数是风荷载计算的重要参数。

(1)基本风压值。它是通过统计20~50年一遇、10~20分钟平均或瞬时最大风速来确定的。对于一些特别重要的高耸结构,必须提高其风速统计年限,例如一般结构考虑30年一遇的风速,电视塔要求考虑50年或100年一遇的风速,对于建筑在山间盆地或山口、谷口的高耸结构,则要按实际情况适当调整风压值。

(2)风压沿高度变化。则取决于地表面粗糙度。一般按指数或对数规律计算。

(3)风荷载体型系数。它和构件外形有密切关系,圆形构件的体型系数比其他形状为小。

(4)风振系数。用它来考虑由于脉动风压引起的动力作用,其值的大小和高耸结构的自振周期以及材料阻尼有关。自振周期越长,风振系数越大;材料阻尼越大,则风振系数越小。因此,高塔的风振系数比低塔大;钢筋混凝土塔的风振系数比钢塔小。在计算高耸结构的基础时可用较小的风振系数,因为结构本身有消振作用。

设计原则

因主要荷载是风荷载,要注意降低结构的风阻力。例如采用圆形构件,以减小体型系数;简化构造,以减小迎风面积;进行方案比较,选取最优尺寸。计算时必须考虑在各种最不利的荷载组合下结构的强度和刚度,验算结构的稳定,以确保结构安全。

由于高耸结构高度大,必须设置航标和避雷系统。

(1)航标。沿高耸结构的高度方向涂刷红白相间或黄黑相间的油漆,使飞行员在日间能迅速辨认。同时,在塔顶和沿高布置一些红灯,作为夜航的标志。

(2)避雷系统。塔顶设置避雷针,通过塔身和接地线把雷电引到基础下面土壤中。

建立在山顶或岩石上的高耸结构,还必须把接地线引到山下或半山的水池中。对特别高的塔,还要在塔顶以下布置一些水平避雷针,以防横向雷击,在塔底周围要布置地线网,使雷电有效地引入地下。

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