摘  要：每次台风来临，户外路灯灯杆都需要面临一次抗风考验，随着城市现代化的推进，金属杆路灯已取代了水泥杆路灯，其已成为了主流的道路照明设施，路灯线路也由架空线转向地埋电缆敷设。建设地埋管线的金属杆路灯对路灯的基础施工有比较严格的强度要求，涉及到基础螺杆、基础混凝土本身强度、基础周围围土压实度等几个方面的安全性验算。本文针对路灯基础螺杆的设计尺寸和设计强度进行安全性校验计算，同时对当前普遍存在的路灯倾斜原因进行系统分析。

关键词：城市照明 抗风强度 路灯安全校验 路灯倾斜

   在城市照明施工图设计中，通常会根据道路的等级、路面材料、结构形式、道路长度选定照明设计标准值包括平均照度、照度均匀度、功率密度、环境比等，根据这些标准值选定灯杆类型、光源类型和光源功率、布灯方式、设计间距、电缆类型等，然后通过平均照度的计算、功率密度的计算、线路压降的计算等验算是否达到照明设计标准，其中涉及到灯杆详细结构、基础配套设计、灯具配套设计等都是按照通用配套定制，这其中涉及的灯杆强度、基础强度、基础螺杆强度、地基土质等均没有做很详细的安全性校核。本文针对路灯基础螺杆的强度进行受力分析并验算基础安全性，并对路灯施工中常见的灯杆歪斜原因进行分析。

一、运行条件假设

我们假定一套常规单弯臂路灯，灯高10米（灯具中心线到基础法兰平面的垂直高度），要求抗风等级为12级台风。基础为无锡标准1.4米常规基础，灯杆法兰尺寸360*360mm，基础法兰尺寸410*410mm,基础螺杆为4*M20，螺杆中心距为?290mm，灯杆、基础螺杆均为Q235钢，灯杆底部外直径?180，顶部直径?68。另假设灯杆无弹性变形，灯杆和基础混凝土本身均能满足12级台风极限下不发生变形或破坏的强度要求，灯杆法兰和基础法兰均能在极限条件下不发生变形破坏，基础基坑稳固。灯杆和基础详细结构图如下：

二、灯杆受力分析

1、受力图简化

根据材料力学分析，我们可以看出，灯杆在未发生倾斜前，基础法兰接触面上四个固定螺杆均承受了单一拉伸力，在灯杆发生倾斜后才会在基础螺杆上产山扭矩和剪力。受力的极限情况是在气流顺着挑臂的方向水平通过。挑臂和灯具重量导致的倾覆力矩对灯杆基础的影响很小暂时不予考虑。可以看出灯杆受力的支点在灯杆下方的法兰边缘，图中用三角形标识，灯杆受到的风力为均布载荷，基础螺杆承受的拉力为均等受力。灯杆受力图简化如下：

2、受力分析

按照抗12级台风设计，风速V=36.9m/s，风压为P=V2/1.6=851.01N/m2.灯杆为锥形灯杆，迎风面积S1=（D+d）*H/2=(0.18+0.068)*10/2=1.24m2。灯具迎风面积约为S2=0.3m2。台风气流对灯杆的扭矩随灯杆截面不同和高度不同而动态变化，这里采用近似计算。风力对基础的着力点近似为上下迎风面积相等的位置受力，根据计算得出此位置离灯杆基础法兰的距离为L1=2.93m，灯具受风力影响作用距离为L2=10m，假设每个螺杆受到的拉力为F，根据作用力与反作用力，螺杆对法兰产生的拉力也为F，可以得到如图4的受力分析图，其中Fa=Fb=F。

3、基础螺杆受力计算

   风力在灯杆上产生的力矩为M风=F1*L1=P*S1*L1=851.01*1.24*2.93=3091.89N·m

   风力在灯具上产生的力矩为M灯=F2*L2=P*S2*L2=851.01*0.3*10=2553.03N·m

   螺杆对灯杆法兰的拉力矩为M螺杆=2Fa*La+2Fb*Lb=2Fa*0.2825+2Fb*0.0747

根据力矩平衡，M螺杆=M风+M灯

根据受力分析，螺杆受力均等，Fa=Fb

得出最终单根螺杆的受力F=7901.62N

三、基础螺杆实际受力极限计算

   根据条件，基础螺杆材质Q235，设计抗拉强度取215MPa，查询设计手册，M20小径为17.29mm，可算出M20螺杆有效截面积为πr2=234.79mm2，所以许用拉力为

F许=215*234.79=50.480KN，即作用在单根螺杆上的拉力超过F许就可能由弹性变形转变成塑性变形，从而在最薄弱位置出现颈缩，颈缩达到一定程度就会产生断裂破坏。对灯杆基础来说，在发生塑性变形的瞬间，基础螺杆的受力由单一拉伸变成拉弯组合，会加快螺杆破坏的进度。

四、基础螺杆安全性鉴定

   根据以上计算，路灯在遭受12级台风的情况下，基础单根螺杆实际受到的瞬间拉力远小于基础螺杆的许用拉力F许，即F<F许，在路灯灯杆本身不发生变形破坏、基础混凝土强度足够、基础坑压实度达到安全要求的前提下，是安全的。这里未考虑动载荷对基础螺杆的影响，未考虑风载在灯杆上不均匀平衡分布的情况。从安全系数的角度考虑，路灯灯杆安全系数S=F许/F=6.39，远大于1.3的安全系数设计值。因道路照明对灯杆安全性设计未做详细要求，就需要我们在以后的研究中逐渐完善这一个指标。

五、常见路灯倾斜原因分析

通过多个城市的路灯调研，我们常常会发现，原先建设阶段均调试到位的路灯经过一两年的运行后，常常出现灯杆倾斜的现象，在灯杆倾斜到一定程度后基本就看不出继续扩大的迹象，除非遇到恶劣天气的影响会进一步倾斜甚至出现灯杆倾倒现象。但是建设在高架挡墙的路灯从来没有出现倾斜的现象，甚至灯杆被撞折断了灯杆法兰根部依然牢牢的固定在基础法兰上。分析原因，不外乎以下几个方面。

1、地基原因。我们知道，通常道路照明工程都是跟着道路工程同步建设的，新建道路在机非分隔带或中央绿化带一般需要经过土方开挖外运和绿化土回填的过程，新回填的绿化土一般只做整平，不做压实处理，而路灯灯位设计一般都会选择这两个地方，这就导致新的路灯基坑开挖和基础制作完成（无论是预制的还是现浇的）后，基础周边的土质压实度不能满足要求，而且一般路灯施工很少会对基础位置泥土进行充分压实处理，这就导致路灯安装到位后，随着基础周围泥土的沉降和路灯受风力影响不断摇晃，灯杆开始慢慢向一侧倾斜。在人行道或有铺装的路面安装的路灯，因人行道路基均进行了一定的压实处理，铺装完成后也会对基础周围起一定的稳固作用，所以这些地方安装的路灯很少发生歪斜的现象。

2、基础原因。由于基础本身的混凝土强度不够导致基础开裂、螺杆在基础混凝土中出现松动，基础垫片固定不牢导致跑位，这些都会导致基础螺杆出现松动、旋转甚至被拔出的现象。

3、螺杆原因。基础螺杆导致的灯杆歪斜较少， 一般原因是螺杆螺母紧固不到位或未按要求设置垫片和双螺母，还有的情况是野蛮施工导致其中一个或两个螺杆断裂后未做补救措施，极少是因为螺杆设计强度不够导致螺杆拉断的，但是个别建设或施工单位为节省投资使用了过细的螺杆或者劣质的螺杆，加上后期维护保养不到位，螺杆锈蚀严重，会带来灯杆在受到冲击力的情况下瞬间倒地造成严重后果。

4、基础法兰原因。这种原因也比较多见，表现为基础法兰盘厚度不够，未达到设计尺寸或砂浆包封过多没过基础法兰，这些都会造成灯杆失稳。

六、对基础螺杆受力分析的意义

经过路灯基础螺杆进行受力分析，我们可以从设计角度出发，引入安全系数的概念，通过查询机械设计手册或相关工具书，可以很快的选取合适的螺杆设计尺寸，在保障设计质量的同时，确保路灯的运行安全。同时，针对不是很高的路灯灯杆基础设计，可以在验算了安全性的前提下，选用小号的螺杆尺寸，从而节省建设成本，减少资源浪费，尤其在小区庭院灯的基础设计上，意义更大。当然，仅对路灯螺杆的强度进行验算还远远不能保证路灯运行的安全，还需要对路灯基础尺寸和混凝土强度进行验算，保证基础本身能满足安全运行的要求，同时要对基础地基和基坑周围回填土的压实度进行计算，给出明确的基础周围压实度要求及不能满足的情况下的基础加固措施，从而指导施工。有着这三类安全计算，照明设计的施工图会更丰满、更全面、更安全。

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