塔桅结构

近年来，随着我国经济建设的发展，城市高层建筑的不断出现，城市空间结构变得非常复杂，由此而产生的各种风效应问题日益受到人们的注意。风荷载是塔桅结构这类高耸建筑结构设计中必须考虑的重要荷载。因此对塔桅这类特型结构进行风荷载研究很有必要。 目前研究建筑物风荷载分布情况主要有现场实测、风洞试验和数值模拟计算三种方法，其中风洞试验是现阶段的主要手段，研究方法较为成熟。但风洞试验周期长，而且要消耗大量的人力和物力。现场实测只能在建筑物建成以后进行，而且花费更大，还受季节、场地等诸多因素的影响。计算机技术的发展为建筑物风荷载的数值模拟研究提供了新的方法和手段，它自出现起就成了风工程领域研究和发展的热点，相比较传统方法它具有独特的优势。利用计算机数值模拟技术可以方便地对塔桅结构绕流风场进行模拟计算，得到风速和风压等物理量的分布特征，以此预测建筑物的规划和设计方案的优劣，并提出改进方案，使设计更加合理，提高设计质量和效率。 本文采用风洞模型试验和计算机数值计算相结合的方法，研究对象杭州湾大桥观光塔是一塔桅结构，对其建立了实际尺度的模型，选择了合适的网格划分形式，并准确模拟了大气中来流的风剖面。选...
【英文摘要】 More and more of high buildings have been built in our country with developing the economics recently, The urban space structure has become very complex and the wind environment problems has been noticed increasingly. Wind load is a kind of important loads to the tower and mast structure, and it is indispensable in the structure design. So it becomes very necessary to study the wind load effect on the tower and mast structure. At present, field measurement, wind tunnel test and numerical simulation are t...
【DOI】 CNKI:CDMD:2.2006.163163
【相同导师文献】 导师：胡兆同 导师单位：长安大学 学位授予单位：长安大学
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[7] 白桦.塔桅结构风荷载的数值模拟研究[D]. 长安大学,2006
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[10] 周亚栋.桥墩高度对铅销橡胶支座减震效果影响研究[D]. 长安大学,2004

高耸结构 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。
[编辑本段]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（见右图）。
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埃菲尔铁塔，塔高300米，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。

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。
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。