灯杆技术的应用及发展趋势

    摘  要  通过海阳至即墨跨海大桥项目，介绍维蒙特低合金高强度钢材在灯杆中的应用技术、波浪形加强化和阻尼减振器等专利技术，同时阐述对照明高杆、高端装饰性灯杆的见解和灯杆未来发展趋势的看法。
    关键词 道路照明  灯杆技术  安全性计算  发展趋势

1.项目简介

海阳至即墨跨海大桥地处海阳市与即墨市交界处，即黄海与丁字湾交接的丁字河口处。该项目从海阳辛安镇姜家庄村 向南1.38公里连接鸭岛(海中岛屿)，再从鸭岛向南1.92公里至即墨丰城镇栲栳码头（黄海与丁字湾交接的丁字河口）。大桥采用双塔 双索混凝土桥面斜拉桥，长度3290米，跨径组合376米，桥塔总高度105米，引桥为30米至40米预应力混凝土连续箱梁桥。该桥按设计时速为80公里的双向四车道公路一级标准设计，宽度24.5米。为确保夜间行车安全，大桥道路两侧采用12m单臂悬挑路灯杆照明，灯臂长1.2m，灯臂弯管半径为1.0m，灯杆杆体锥度为1000:11.7.

2. 材料

路灯杆采用特殊要求定制的并满足ASTM A572 GR50要求的高强度铌钒低合金钢材。高强度铌钒低合金钢材的主要优点有：①该钢材将碳含量控制在较低的水平，使钢材具备良好的塑性和韧性，尤其是在低温下具有良好的冲击韧性、冷加工性能和可焊性；②合适的锰含量，可增加钢材的强度、硬度和耐磨性，消除热脆影响同时避免冷裂纹倾向；③严格控制磷、硫等有害元素在很低的水平，防止钢材热脆、冷脆和层间撕裂；④将硅含量控制在0.04%以下是为了取得良好的热镀锌效果；⑤铌钒等微量添加元素能够明显提高钢材强度，细化晶粒改善可焊性。

3.      结构安全性计算

在对灯杆进行内力计算时，将灯杆简化成悬臂梁，主要承受的灯具荷载、杆体自重以及水平方向的风荷载，由此求出初次弯矩。同时，由于竖向单悬臂构件受水平方向的风荷载作用，使杆件产生挠曲弹性变形，使灯杆与灯具结构自重的竖向力对杆轴产生二次弯矩，故灯杆主要承受弯矩（在此由于轴力剪力影响很小，故忽略）。力矩计算可用公式（1）表示：

公式（1）

考虑到管壁局部稳定性影响，当进行弯矩作用平面内稳定验算时，其设计强度应根据规范中相应的公式进行修正。

灯杆壁厚根据《Standard specifications for structural supports for highway signs, luminaires and traffic signals 2001》标准，结合国内相类似的规范，通过自行研发的PAUL软件，按照平均等截面有限元方法进行计算，并考虑对灯杆开门削弱处进行补强。

4.      抗振技术

海阳至即墨跨海大桥地理条件特殊，导致桥面上方容易形成横向微风振动，但是风速较小。即圆截面灯杆在较低风速时发生的由卡门涡街引起的横向风运动。由形成卡门涡街的漩涡脱落主导频率与柱体的某阶固有频率比较接近时，发生涡激共振。涡激共振具有频率锁定的特性，增加了共振发生的几率。

为了避免发生灯杆上述的振动或者降低灯杆振幅，在灯杆的杆体重心位置处安装阻尼减振器（专利号：ZL 2009 2 0287066.8），利用阻尼减振器惯性力吸收和消耗自由振动的能量，避免不必要的振动对灯杆的破坏，对系统起到保护的作用。

再者，为了避免杆体与底板连接处因杆体振动发生如图1所示的疲劳破坏，根据《Standard specifications for structural supports for highway signs, luminaires and traffic signals 2001》第11章节中的相关规定，杆体锥度不得小于11.67mm/m，因此灯杆的设计锥度为11.7mm/m。同时，采用特有的波浪形加强环（专利号：ZL 2009 2 0287067.2）（见图2）对杆体根部继续补强，相比常规的加劲板，波浪形加强环有效解决了应力集中问题，避免加劲板顶端焊趾处断裂问题（见图3）。

图1循环荷载作用下疲劳破坏示意图

图2  波浪形加强环

图3  加劲板顶端焊趾处断裂示意图

5.      热浸镀锌技术

热浸镀锌是将表面经清洗、活化后的钢铁浸于液态锌中，通过铁锌之间的电子交换，在钢铁表面生成铁锌合金层，从而对钢铁起到隔离保护和阴极保护双重保护作用。与电镀、化学镀相比，热浸镀锌可以获得较厚的锌层，作为防护涂层，其耐腐蚀性能大大提高，在一般工业区和海洋性环境中，使用寿命可达20~40年，在没有侵蚀性的大气环境中可达50~100年。这将使经热浸镀锌后的产品在其整个生命周期中或者很长一段时间内实现了免维护。

热浸镀锌层的质量不仅取决于浸锌时间、锌浴成分和操作工艺，而且还受到钢材中化学成分的影响，尤其是硅含量。其中钢中硅元素对铁锌反应的影响表现称之为圣德林效应。钢中硅含量较高时，会使镀层中铁锌金属间化合物中的ξ相迅速生长，并将ξ相推向锌层表面，致使表面粗糙无光，形成粘附性差的灰暗镀锌层。

灯杆采用特殊定制的ASTM A572 GR50钢材，硅含量要求小于0.04%，小于美国金属手册中要求的含硅量wsi小于0.05%的标准，从而在钢材热浸镀锌后得到紧密、连续、均匀的金属间化合物组织，保证镀锌质量。

表1       钢材化学成分

6.      高杆照明

高杆照明主要指灯杆（灯架）高度等于或大于20m，进行大面积照明的照明设施，通常应用于广场照明、港口堆场、高速公路主交道口和体育场照明。高杆相对于普通灯杆，不仅高度更高，而且荷载更大，尤其是体育场杆，通常高度会在40m以上，杆体顶部荷载通常在2吨及以上（含安装平台），迎风面积在12个平方及以上。在如此复杂的条件下，在结构计算上必须严格把关，结合《CECS 236:2008 钢结构单管通信塔技术规程》中第5.2.1条中的要求，采用平均等截面梁单元有限元方法进行分析，每500mm划分一个平均等截面梁单元，数量不少于20个，并在计算中考虑P-Δ效应。图4是使用该项技术的案例。

图4       南京青奥会体育场杆

在完成结构安全性校核后，生产质量的保证也是必不可少，因此必须在生产过程中对每一道生产工序进行控制，底板与杆体连接处的焊缝必须100%全熔透焊接，杆体纵向焊缝必须保证60%的熔透率，同时不应有漏焊夹渣等焊接缺陷，保证产品质量安全可靠。

7.      高端装饰性灯杆

随着社会的进步，人们的审美观念要求越来越高，常规的灯杆加工工艺已经无法满足发展的需求，新型工艺和多种加工方式结合的产品孕育而生。

LED的发展为灯杆形式的多变提供了基础。原先的光源只是点光源，而目前的技术，光源不但可以是点、是线、是面，而且可以是曲线、曲面。作为光源的支撑结构，经过抽象思维，结合美学和各个地区的特色，在保证照明的基本功能之外，在外观上进行突破性的改变，不再是单一的平面效果，而是综合了大量唯美的三维曲线，所呈现的灯杆不再是硬线条的设备，而是一个个鲜活的艺术品。

为了满足这个需要，经过了长时间的试验，将一些特殊工艺引入灯杆制作行业。铝合金旋压技术，玻璃钢成型技术，压铸、浇筑、冲压等技术已经成功运用于精品灯杆的制作。以鄂尔多斯哈达灯和弓形灯为例，在这个项目中，首次将灯臂和灯具一体化，所有线条都是不规则曲线。我们首次将玻璃钢成型技术结合其中，一体化灯具大小5300×980×1200mm，无论是尺寸还是效果，都开创了灯杆制作的先河 。

对于一些表面效果要求非常精致的灯杆产品，我们的表面处理方式也不在局限于喷塑、喷漆、氟碳喷涂等传统工艺，一些新型工艺，如：阳极氧化、阳极氧化着色、电泳、蚀刻、立体雕刻灯工艺也越来越多用在有特殊要求的定制产品中，极大地满足了高端市场的客户要求。

8.      灯杆未来发展趋势

8.1    铝合金灯杆和灯臂的应用

在国内，绝大部分人对于灯杆的认识还只是停留在钢板折弯焊接或者通过等径管拼焊上面，对于铝合金灯杆、灯臂几乎无人问津。然而，在欧美，由于铝合金灯杆或者灯臂已经得到了广泛的应用，欧盟甚至出台了对于铝合金灯杆或灯臂强制性使用要求。铝合金灯杆具有下列优势：

1.        防腐性能好，不必热浸锌处理，减少了污染；

2.        免维护，使用寿命长；

3.        可100%回收，且熔炼温度低，节能减排，同时残值率高出铁灯杆的多倍；

4.        重量只有钢质灯杆的三分之一，安装运输便捷，可减轻跨海、跨江大桥的承受的重量，增加安全可靠性能。

另外，铝合金灯杆在受到车辆撞击时，由于铝合金材料相应的特性，车辆在发生撞击的时候具有一定的缓冲过程，根据 ，撞击时间延长，冲撞力大幅度下降，在一定程度上提高了车内人员的安全性，同时由于铝合金灯杆的轻质性，对周边人员的伤害也相应减小。

8.2    被动安全式灯杆（passive safety pole）

被动安全式灯杆（passive safety pole）是一种全新意义上的灯杆形式，在传统的概念中，人们只关注灯杆的自身的安全性，而忽略了驾车人的安全性。被动安全式灯杆为灯杆设立了新的标准，即在灯杆本身的安全性上尽可能减轻因撞击而导致行车人受到的伤害。对此，按照《EN 12767： Passive safety of support structures for road equipment – Requirements, classification and test methods》中的相关要求(见表2)研发出了多种不同级别的被动式安全灯杆，且已经投入实际使用中，并受到相应的专利保护。

表2  被动式灯杆性能参数表

注：表中能量吸收类别来源《EN 12767： Passive safety of support structures for road equipment – Requirements, classification and test methods》.

结束语

灯杆相对于其他建筑结构，微乎其微，但是他却肩负为夜间安全行车的保驾护航的任务，同时也被赋予城市名片的功能。因此，选择有影响力的品牌、技术先进、质量可靠的灯杆对保障城市照明来说是至关重要的。

参考文献

[1]   Standard specifications for structural supports for highway signs, luminaires and traffic signals 1994[S]

[2]   Standard specifications for structural supports for highway signs, luminaires and traffic signals 2001[S]

[3]   Standard specification for high-strength low-alloy Columbium-Vanaduim structural steel[s]

[4]   卢锦堂，许乔瑜，孔纲. 热浸镀技术与应用[M].  北京：机械工业出版社，2006

[5]   车淳山，卢锦堂，陈锦虹，许乔瑜，孔纲. 热镀锌中圣德林效应微观机理的解释模型[J]. 材料技术，2004，37（8）：26-28

[6]   杨靖波，李正，王景朝. 特高压输电线路钢管塔微风振动的防治[J]. 电力建设，2008，29（9）：10-13

[7]   EN 12767： Passive safety of support structures for road equipment – Requirements, classification and test methods [s]