監控桿

監控立桿的抗風設計
監控立桿使用范圍大，功能性強，使用便利，在城市廣場、大型立交、體育場、機場和港口碼頭等處廣泛應用的同時，要充分考慮到監控立桿在狂風暴雨等惡劣環境中可靠使用的安全性。監控立桿的安全性包括剛度、穩定性及經濟性等多方面的計算，其中強度校核是保證使用的一項重要內容。在此我將分步演算監控立桿安全性計算及強度校核：
  一、監控立桿的安全性計算
  1)監控立桿攝像機（包括外罩）的迎風面積：
由于攝像機采用不同形狀，使攝像機的迎風面積具有不確定性。現取常見的封閉式球狀攝像機為例，以攝像機外形的正投影作為迎風面參考面積
 S攝像機=(d1+d2)H1/2
  2)監控桿桿身的迎風面積：
監控立桿桿身往往采用(錐度約1000:5)錐形體或圓柱體。桿身的迎風面積隨著桿身長度的增加而逐漸增大。
  S桿身=(D1+D2)H2/2
  3)監控立桿的基本風壓計算
  風壓是垂直于氣流風向的平面受到的風的壓力，根據伯努利方程得出標準的風壓關系公式。風的動壓為：
  WP=0.5*r*V2/g=0.5*ro*V2(ro=r/g)
  WP為風壓，單位KN/M2。 ro為空氣密度，單位KG/M3。
 V為風速，單位是M/S。 r為空氣重度，單位KN/M3。
  空氣重度r和重力加速度g隨緯度和海拔高度而變。一般來說，ro在高原要比在平原地區小，也就是說，同樣風速在相同溫度下，其產生的風壓在高原比在平原地區小。通常的10級大風相當于24.5M/S—28.4M/S。為了使監控立桿有廣泛的應用地區，暫取監控立桿所在地區的風速為30M/S，且空氣密度取ro=1.255KG/M3。(密度可在物理手冊或有關資料查得)
  則基本風壓WP計算如下：
  WP=ro*V2/2=1.255*302/2=551.25Pa
  4)監控立桿的風載荷W0計算
  風載荷標準值=基本風壓*風振系數*風壓高度變化系數*風載體形系數
  A風振系數
  實際風壓是在平均風壓上下波動的。平均風壓使建筑物產生一定的側移，而脈動風壓使建筑物在該側移附近左右振動。脈動風壓對結構產生的動力現象就是風振。《荷載規范》對于一般懸臂結構(構架、塔架、煙囪等高聳結構)且可忽略扭轉影響的高層建筑，風振系數可按規范中一個相應的公式計算。
  B風壓高度變化系數
  《荷載規范》中把地表粗糙度分為ABCD四類，a類指近海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區；b類指田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮和城市郊區；c類指有密集建筑群的城市市區；d類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區。風壓高度變化系數定義為任一高度處的風壓與B類地面粗糙度、標準高度l0m處的風壓比值。風壓高度變化系數可根據《荷載規范》中高度和地面粗糙度類型來查找取值。
  C風載體形系數
  是指建筑結構表面受到的風壓與大氣中氣流風壓之比。它是衡量風對不同外形的建筑物產生不同風壓力的一個系數。比如同樣大小的風對圓形和正方形產生的壓力肯定不同，所以，計算風對建筑物壓力的時候，針對不同的外形建筑物都要乘以一個體型系數來擴大或縮小標準風壓壓力，使建筑物承受的風壓力更接近實際情況。風載體形系數主要與建筑物的體型和尺度有關，當然也跟周圍的環境和地面粗糙度有關。風載體形系數可根據體型按《建筑結構荷載規范》中的表格查找取值，如果體型與表中不同，可根據相關資料來近似確定或由風洞試驗準確地測得。
  5)監控立桿的風壓系數C
  風壓系數是計算空氣阻力的一個重要系數，往往通過風洞實驗和下滑實驗來確定的一個數學參數。監控桿攝像機、監控桿的最大風壓系數可以查建筑
結構荷載規范中圖表資料來近似確定或由風洞試驗準確地測量。
  6)監控立桿攝像機(包括外罩)的風力
  N攝像機=W0*S攝像機*C攝像機
  式中：W0是風載荷標準值
  S攝像機是攝像機的迎風面積
  C攝像機是迎風面的風壓系數，可查相關手冊，
  7) 監控立桿攝像機(包括外罩)風力對底部的彎距
  M攝像機=N攝像機*H
  式中：H是高度，一般可取6米
  8)監控立桿桿身的風力
  N桿身=W0*S桿身*C桿身
  式中：W0是風載荷標準值
  S桿身是桿身的迎風面積
  C桿身是迎風面的風壓系數，可查相關手冊，
  9)監控立桿桿身風力對底部的彎距
  M桿身=∫300C桿身*W0*S桿身ydy
  式中：y是高度，暫取6米
  10)監控立桿合計風力
  ∑D監控立桿=D攝像機+D桿身
  11)監控立桿合計彎距
  ∑M監控立桿=M攝像機+M桿身
  12)監控立桿合計自重
  Q監控立桿=Q攝像機+Q桿身
  Q攝像機包括外罩的重量
  Q桿身往往采用等距240(外徑)＊8(壁厚)高強度低合金結構鋼16MN鋼管或用4mm，10mm厚的碳素結構Q235鋼板彎曲卷成圓筒焊接而成。焊接鋼管價格相對無縫鋼管較低，應用較多。監控立桿的自重是隨監控桿長度增加而增大。
  13)監控立桿的抗彎截面系數
  W= ?D4一d4)/32D=笵3[1-(d/D)4]/32
  二、監控立桿的強度校核
  1)監控立桿的底部面積
  S= ?D2一d2)/4 式中：D是外徑、d內徑
  2)監控立桿的結構自重應力
  由于監控立桿的整體份量較重時，所以計算強度時要考慮自重引起的結構應力。假設監控立桿底部面積在變形前后橫截面不變且與監控桿軸線垂直，可定應力在監控立桿底部橫截面上均勻分布
  d結構自重=Q監控立桿/S桿底部橫截面積
  3)監控立桿彎矩作用下的應力
  d彎矩=M/W
  M是合力矩(截面的彎矩)，W是抗彎截面系數
  4)監控立桿合計應力
  根據疊加原理可以得出: d總=d結構自重+d彎矩
  5)監控立桿的安全系數
  為了保證監控立桿的攝像機能正常地工作，必須使其所受的最大工作應力不超過制作監控立桿材料的容許應力。制作監控立桿的材料往往采用低合金結構鋼16MN或碳素結構Q235鋼，這二者都屬于典型的塑性材料。塑性材料通常是以屈服極限應力作為容許應力。當壓縮受力達到塑性材料的屈服極限應力時，即出現塑性變形，進而發生斷裂、破壞。監控立桿材料的屈服極限應力d屈服可在有關設計規范和手冊查得。
  安全系數計算如下：
  K=d屈服／d總
  K是表示安全儲備大小的系數，數值恒大于l。
  確定安全系數時，要慎重全面的考慮到各方面的因素，如風振系數等相關計算值與實際情況的誤差等等。安全系數只有超過《高聳結構設計規范》中設計規范的要求，監控立桿的結構才是安全的。
  三、合理調整有關因素，提高監控立桿的整體強度
  我們知道監控立桿的整體強度與外形、材料等因素有關，合理調整這些因素，可以有效提監控立桿的整體強度。如監控立桿截面形狀可以采用階梯式的截面體，多面棱柱，橢圓形等多種形式或加大監控立桿的橫截面積，減少攝像機荷載(攝像機的數量)都可以影響監控立桿的整體強度。監控立桿不僅要滿足安全性計算和強度校核的要求，也應同時滿足剛度，穩定性以及生產經濟性等其它方面的要求。總之，只有從設計、制作，經濟性等多方面入手，才能生產出質優價廉，安全穩固的監控立桿。