[科普中国]-高耸结构

高耸结构，指的是高度较大、横断面相对较小的结构，以水平荷载（特别是风荷载）为结构设计的主要依据。根据其结构形式可分为自立式塔式结构和拉线式桅式结构，所以高耸结构也称塔桅结构。

简介沿革古代宗教塔是早期的高耸结构，这种纪念性的塔遍布世界各地。中国历代曾建有砖、石、木材、生铁等材料的各种形式的塔，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砖塔，公元1056年（辽）建造的山西应县佛宫寺释迦木塔，公元1061年（北宋）建造的湖北荆州玉泉寺铁塔。

随着工业技术的发展，出现了各种类型的高耸结构。1889年为巴黎博览会建造了埃菲尔铁塔，塔高300米，1921年后在塔顶装设了无线电天线和电视天线，总高度为321米。

20世纪随着无线电广播和电视事业的发展，世界各地建造了大量较高的无线电塔和电视塔。电力、冶金、石油、化工等企业也建造了很多高耸结构，如输电线路塔、石油钻井塔、炼油化工塔、风动机塔、排气塔、水塔、烟囱等。在邮电、交通、运输等部门中也兴建了电信塔、导航塔、航空指挥塔、雷达塔、灯塔等。此外，还有卫星发射塔、跳伞塔和环境气象塔等。

材料古代塔多用砖、石、木材、生铁建造，现代塔则多用钢、钢筋混凝土及预应力混凝土结构，高度较小的可用砌体结构。钢结构塔轻巧美观，可由工业化生产，但防锈要求较高、维护费用较大。钢筋混凝土塔抗大气腐蚀性能较好。筒形钢筋混凝土塔可保护内部管线、设备，免受大气影响和风雪侵袭，但由于自重大，需设较强的基础。现场灌筑钢筋混凝土塔的质量和造价取决于施工技术水平，对施工季节还有选择性。

型式除塔式和桅式两大类型之外，还有樯杆塔。这种结构以桅式体系为基础，在杆身纤绳结点处设置水平刚性撑杆和上下层纤绳连接，纤绳相当于塔架中预加拉力的塔柱和斜杆，水平刚性撑杆相当于塔架的横杆；因此，兼有桅杆省钢、塔架占地小、结构紧凑的特点。

塔式结构和桅式结构也可混合使用，如荷兰洛皮克电视电信塔，总高370米，下部为100米的圆筒形钢筋混凝土塔，上部为270米的用四层纤绳拉到地面的钢管桅杆。也有在塔顶上布置几座小型桅杆的结构，如美国旧金山电视塔,总高298米，下部为 234米高的三角形断面的塔，塔顶处装有大平台，上面设三座对称布置64米高、三层纤绳的小桅杆、纤绳均锚固在大平台上，形成独特的烛台式结构。

荷载包括自重、设备重、风荷载、地震作用等。风荷载是高耸结构的主要荷载，设计时需要当地风力的可靠数据。基本风压值、沿高度变化风压、风荷载体型系数和风振系数是风荷载计算的重要参数。①基本风压值。它是通过统计20～50年一遇、10～20分钟平均或瞬时最大风速来确定的。对于一些特别重要的高耸结构，必须提高其风速统计年限，例如一般结构考虑30年一遇的风速，电视塔要求考虑50年或100年一遇的风速,对于建筑在山间盆地或山口、谷口的高耸结构，则要按实际情况适当调整风压值。②风压高度变化系数。风压高度变化系数取决于地表面粗糙度。一般按指数或对数规律计算。③风荷载体型系数。它和构件外形有密切关系，圆形构件的体型系数比其他形状为小。④风振系数。用它来考虑由于脉动风压引起的动力作用，其值的大小和高耸结构的自振周期以及材料阻尼有关。自振周期越长,风振系数越大;材料阻尼越大，则风振系数越小。因此，高塔的风振系数比低塔大；钢筋混凝土塔的风振系数比钢塔小。在计算高耸结构的基础时可用较小的风振系数，因为结构本身有消振作用。

设计原则因主要荷载是风荷载，要注意降低结构的风阻力。例如采用圆形构件，以减小体型系数；简化构造，以减小迎风面积；进行方案比较，选取最优尺寸。计算时必须考虑在各种最不利的荷载组合下结构的强度和刚度，验算结构的稳定，以确保结构安全。

由于高耸结构高度大，必须设置航标和避雷系统。

① 航标。沿高耸结构的高度方向涂刷红白相间或黄黑相间的油漆，使飞行员在日间能迅速辨认。同时，在塔顶和沿高布置一些红灯，作为夜航的标志。

② 避雷系统。塔顶设置避雷针,通过塔身和接地线把雷电引到基础下面土壤中。

建立在山顶或岩石上的高耸结构，还必须把接地线引到山下或半山的水池中。对特别高的塔，还要在塔顶以下布置一些水平避雷针，以防横向雷击，在塔底周围要布置地线网，使雷电有效地引入地下。1

相关资料发展我国高耸结构发展很快，许多电视塔、输电塔、微波通讯塔和其他用途的塔桅结构蜂拥而起，科研工作也突飞猛进。例如高塔的风荷载和风振的理论和实验研究，塔桅结构的非线性静、动力计算、高耸结构的振动控制等等都有很大进展，这些科研项目来自工程实践，其研究成果又用于指导设计，促进生产，提高了高耸结构设计和施工质量。

展望国际上高耸结构的高度尚停留在600m左右，有人拟设计高度800m甚至1000m的高塔。这种高度更高(相对柔度更大的高耸结构，高空风荷载的动力反应及其振动控制将更为复杂。国际上高耸结构的发展，除了高空风荷载研究之外，比较重视结构失效和疲劳问题的研究。许多桅杆结构曾因此而倒塌，过去失效结构的实例应是最好的实体试验，为设计标准提供最直接的经验和借鉴，上述研究和实验将是未来高耸结构研究的重要课题。2

本词条内容贡献者为:

周敏 - 副教授 - 西南大学