25米高杆灯结构的力学特性研究

高杆灯是指高度在20m及以上的路灯。由于照明范围大、功能性强、使用方便的特点,高杆灯被广泛地应用在城市广场、体育场、港口、立交桥等大面积照明场所。而在这些公共场所使用的高杆灯,其安全性能要求是比较高的。高杆灯主要是由直立的细长杆身和顶端的灯盘组成的,属于高耸结构,其特点是杆身高、横截面积小、刚度小、稳定性差。高杆灯承受的载荷主要是风荷载、雪荷载、高杆灯自身的重力以及土壤对基础的作用力,其中风载荷为其主要的控制载荷。大的风载荷会造成高杆灯局部结构的损坏与失稳,甚至导致结构整体失稳而造成倒塌。因此对高杆灯结构的力学特性的研究是非常必要的。高杆灯的一般的设计方法是利用生产经验以及简单的力学计算进行强度和刚度的校核。但是力学计算公式都是针对简化后的高杆灯进行研究的,具有一定的误差,且不能计算出高杆灯所有部件的强度与挠度。而随着计算机技术和有限元理论的发展,使得利用有限元分析的方法对高杆灯的结构进行设计研究成为可能,但是有限元分析的结果容易受到连接和装配关系、单元网格、边界条件等因素的影响。因此两种计算相结合的方法能够使计算结果更加准确。本文以25米高杆灯为研究对象,使用不同的方法对其强度、刚度、固有频率以及抗倾覆能力进行了研究。首先对25米高杆灯所承受的载荷进行了分析。其次,分别利用莫尔积分、第四强度理论和梁的弯曲振动理论计算了灯杆的挠度、强度以及固有频率；利用有限元分析的方法对25米高杆灯进行了模态分析和静力学分析；利用试验测试的方法测试了灯杆下端位置的部分点的静应力、动应力、加速度,通过频谱分析得到高杆灯的固有频率。最后对以上计算结果进行了对比分析,并且对高杆灯基础的抗倾覆能力进行了计算。对比结果表明理论计算和有限元分析得出的强度、挠度以及固有频率的结果是相符的,通过试验测试和有限元计算的结果对比,得出有限元计算和理论力学计算的正确性与可靠性。最后针对高杆灯在实际工程中的应用,在理论计算、有限元分析以及试验测试结果对比研究的基础上,对25米高杆灯结构进行了优化设计,即调整了灯杆壁厚、螺栓和基础的尺寸,并且对优化后的结构进行了有限元分析与抗倾覆计算,验算出优化后的结构仍能满足结构的设计要求。