高聳結(jié)構(gòu)材料

古代塔多用磚、石、木材、生鐵建造，現(xiàn)代塔則多用鋼、鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，高度較小的可用砌體結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)塔輕巧美觀，可由工業(yè)化生產(chǎn)，但防銹要求較高、維護(hù)費(fèi)用較大。鋼筋混凝土塔抗大氣腐蝕性能較好。筒形鋼筋混凝土塔可保護(hù)內(nèi)部管線、設(shè)備，免受大氣影響和風(fēng)雪侵襲，但由于自重大，需設(shè)較強(qiáng)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)灌筑鋼筋混凝土塔的質(zhì)量和造價(jià)取決于施工技術(shù)水平，對(duì)施工季節(jié)還有選擇性。

古代宗教塔是早期的高聳結(jié)構(gòu)，這種紀(jì)念性的塔遍布世界各地。中國(guó)歷代曾建有磚、石、木材、生鐵等材料的各種形式的塔，現(xiàn)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磚塔，公元1056年(遼)建造的山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦木塔，公元1061年(北宋)建造的湖北荊州玉泉寺鐵塔(見(jiàn)右圖)。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種類(lèi)型的高聳結(jié)構(gòu)。1889年為巴黎博覽會(huì)建造了埃菲爾鐵塔，塔高300米，1921年后在塔頂裝設(shè)了無(wú)線電天線和電視天線，總高度為321米。

20世紀(jì)隨著無(wú)線電廣播和電視事業(yè)的發(fā)展，世界各地建造了大量較高的無(wú)線電塔和電視塔。電力、冶金、石油、化工等企業(yè)也建造了很多高聳結(jié)構(gòu)，如輸電線路塔、石油鉆井塔、煉油化工塔、風(fēng)動(dòng)機(jī)塔、排氣塔、水塔、煙囪等。在郵電、交通、運(yùn)輸?shù)炔块T(mén)中也興建了電信塔、導(dǎo)航塔、航空指揮塔、雷達(dá)塔、燈塔等。此外，還有衛(wèi)星發(fā)射塔、跳傘塔和環(huán)境氣象塔等。

除塔式和桅式兩大類(lèi)型之外，還有檣桿塔(圖1)。這種結(jié)構(gòu)以桅式體系為基礎(chǔ)，在桿身纖繩結(jié)點(diǎn)處設(shè)置水平剛性撐桿和上下層纖繩連接，纖繩相當(dāng)于塔架中預(yù)加拉力的塔柱和斜桿，水平剛性撐桿相當(dāng)于塔架的橫桿;因此，兼有桅桿省鋼、塔架占地小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。

塔式結(jié)構(gòu)和桅式結(jié)構(gòu)也可混合使用，如荷蘭洛皮克電視電信塔(圖2)，總高370米，下部為100米的圓筒形鋼筋混凝土塔，上部為270米的用四層纖繩拉到地面的鋼管桅桿。也有在塔頂上布置幾座小型桅桿的結(jié)構(gòu)，如美國(guó)舊金山電視塔,總高298 米，下部為 234米高的三角形斷面的塔，塔頂處裝有大平臺(tái)，上面設(shè)三座對(duì)稱(chēng)布置64米高、三層纖繩的小桅桿、纖繩均錨固在大平臺(tái)上，形成獨(dú)特的燭臺(tái)式結(jié)構(gòu)。

包括自重、設(shè)備重、風(fēng)荷載、地震作用等。風(fēng)荷載是高聳結(jié)構(gòu)的主要荷載，設(shè)計(jì)時(shí)需要當(dāng)?shù)仫L(fēng)力的可靠數(shù)據(jù)?；撅L(fēng)壓值、沿高度變化風(fēng)壓、風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)是風(fēng)荷載計(jì)算的重要參數(shù)。①基本風(fēng)壓值。它是通過(guò)統(tǒng)計(jì)20~50年一遇、10~20分鐘平均或瞬時(shí)最大風(fēng)速來(lái)確定的。對(duì)于一些特別重要的高聳結(jié)構(gòu)，必須提高其風(fēng)速統(tǒng)計(jì)年限，例如一般結(jié)構(gòu)考慮30年一遇的風(fēng)速，電視塔要求考慮50年或100年一遇的風(fēng)速,對(duì)于建筑在山間盆地或山口、谷口的高聳結(jié)構(gòu)，則要按實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整風(fēng)壓值。②風(fēng)壓高度變化系數(shù)。風(fēng)壓高度變化系數(shù)取決于地表面粗糙度。一般按指數(shù)或?qū)?shù)規(guī)律計(jì)算。③風(fēng)荷載體型系數(shù)。它和構(gòu)件外形有密切關(guān)系，圓形構(gòu)件的體型系數(shù)比其他形狀為小。④風(fēng)振系數(shù)。用它來(lái)考慮由于脈動(dòng)風(fēng)壓引起的動(dòng)力作用，其值的大小和高聳結(jié)構(gòu)的自振周期以及材料阻尼有關(guān)。自振周期越長(zhǎng),風(fēng)振系數(shù)越大;材料阻尼越大，則風(fēng)振系數(shù)越小。因此，高塔的風(fēng)振系數(shù)比低塔大;鋼筋混凝土塔的風(fēng)振系數(shù)比鋼塔小。在計(jì)算高聳結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)時(shí)可用較小的風(fēng)振系數(shù)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本身有消振作用。

因主要荷載是風(fēng)荷載，要注意降低結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻力。例如采用圓形構(gòu)件，以減小體型系數(shù);簡(jiǎn)化構(gòu)造，以減小迎風(fēng)面積;進(jìn)行方案比較，選取最優(yōu)尺寸。計(jì)算時(shí)必須考慮在各種最不利的荷載組合下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，以確保結(jié)構(gòu)安全。

由于高聳結(jié)構(gòu)高度大，必須設(shè)置航標(biāo)和避雷系統(tǒng)。

① 航標(biāo)。沿高聳結(jié)構(gòu)的高度方向涂刷紅白相間或黃黑相間的油漆，使飛行員在日間能迅速辨認(rèn)。同時(shí)，在塔頂和沿高布置一些紅燈，作為夜航的標(biāo)志。

② 避雷系統(tǒng)。塔頂設(shè)置避雷針,通過(guò)塔身和接地線把雷電引到基礎(chǔ)下面土壤中。

建立在山頂或巖石上的高聳結(jié)構(gòu)，還必須把接地線引到山下或半山的水池中。對(duì)特別高的塔，還要在塔頂以下布置一些水平避雷針，以防橫向雷擊，在塔底周?chē)贾玫鼐€網(wǎng)，使雷電有效地引入地下。

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種類(lèi)型的高聳結(jié)構(gòu)。1889年為巴黎博覽會(huì)建造了埃菲爾鐵塔，塔高300米，1921年后在塔頂裝設(shè)了無(wú)線電天線和電視天線，總高度為321米。