新材料在燈樁建設上的應用

◎ 葉福耀 朱陳福 趙鵬 李強 湛江航標處

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新材料在燈樁建設上的應用

◎ 葉福耀 朱陳福 趙鵬 李強 湛江航標處

摘 要：燈樁按材料來分有早期的磚石和鋼筋混凝土、鋼、玻璃鋼、超高分子量聚乙烯、工業用鋁合金燈樁等。本文將后二種材料，超高分子量聚乙烯和工業用鋁合金稱為“新材料”。通過分析燈樁建設的特點和難點，闡述了新材料用于燈樁建設的優越性和工程可行性，并討論了這種燈樁在設計中的一些特殊問題。

關鍵詞：材料 燈樁 建設 設計

1.燈樁建設的各環節概述

1.1選址

選址，是燈樁建設的首要環節。為滿足助航導航功能的需要，燈樁一般建設在偏僻的航道岸邊和礁石上，但選址也必須照顧工程施工的可能性，若施工太困難，造價過高，那么再理想的地點都是不現實的。此外還要考慮便于燈樁建成后的維護管理，因為燈樁建設的施工過程是短暫的，而建成后的維護管理是長久的，因此要盡量使建成的燈樁管理方便，維護費用合理，因此必須考慮燈樁的防腐情況、交通情況、維護所需設備等。

1.2建筑設計

燈樁屬于構筑物類，一般說，它的體量與房屋建筑相比小得多，但是由于燈樁大多孤獨地立于場區的突出之處，非常顯眼。因此燈樁雖小卻可成為一個城市或一個區域（海區）的標志建筑。從這一點上說，它的外觀最好是一個“藝術品”，但它與一般的雕塑藝術又不盡相同，它必需滿足構筑物的功能需要，滿足有關的規范要求，不能隨心所欲，一定程度上限制了外形的創造空間，這可以說是燈樁建筑設計之難點。

1.3結構設計

眾所周知，結構設計主要是保證構筑物的強度、剛度和使用壽命，并兼顧經濟合理性。

位于陸地上的燈樁，其結構設計是比較簡單的，可以按常規的設計方法進行結構設計，但在海中建設的燈樁，其結構設計就比較復雜，除要同陸上燈樁一樣考慮抗地震、臺風外，還要考慮水流、波浪等載荷，尤其是基礎設計，往往依賴于海洋工程手段，但由于工程量小從經濟上又很難完整地執行海洋工程的一套，這是個很大的難題，筆者認為最好的辦法恐怕還是盡量從選址上做到“靠水而不沾水”。

1.4施工

對施工有利的建設地點，自然是路通，有淡水，有交流電等，這是最理想的地點，但由于燈樁的特殊性，往往難以做到，往往需要建設在孤島上或者海中的礁石上或者潮間帶上，材料、設備搬運特別困難，又沒有淡水，沒有交流電，而且常受臺風等天氣影響，可作業時間受限。

為減少燈樁施工的這個難點，最好的辦法還是盡量采用輕質材料，采用工廠生產的組件，以減少運輸量，減少現場施工工作量，縮短施工周期。

2.材料選擇在燈樁建設中起著關鍵作用

2.1建筑設計方面

回顧燈樁的發展，不同材料的選用，在燈樁的建筑設計上，會影響燈樁的造型和外觀藝術效果。

早期用的磚石，由于其可塑性小，所以磚石結構燈樁的造型必然壯實而單調；及至鋼筋混凝土結構，它的可塑性提高了，所以鋼筋混凝土結構燈樁可以設計成任何造型，但現存的基本上仍是實體的。待到鋼結構的采用，才設計成具有一定的通透感的外型。

八十年代，廣東曾用過玻璃鋼建造燈樁，優點是可設計成各種殼體，外形多樣化。可是由于所用材料的固化劑含苯有毒，現場施工又很難作保護措施，對施工工人有害，即使在工廠制造也大多靠手工，難以機械化，發展前景有限。

超高分子量聚乙烯與玻璃鋼雖同為高分子材料，但它的主要優點是可以在工廠制造在現場組裝，因而不存在玻璃鋼的缺點。而工業用鋁合金，更可在工廠制造現場組裝，又由于鋁合金可以在現場焊接，更具靈活性。

新材料力學性能與鋼Q235-A鋼力學性能對照表

超高分子量聚乙烯與工業用鋁合金，這二種新材料，表面閃閃發光，光彩奪目，都有極好的視覺效果。因之外形的可塑性極好，所以，新材料的應用，必能激發建筑設計師的藝術靈感，為燈樁的外形設計開辟新的天地。

2.2結構設計方面

不同材料的力學性能不同，必然影響它們的結構設計。新材料力學性能與Q235-A鋼力學性能對照如下表：

從表中可見，超高分子量材料的優勢在自重輕，強度雖低一些，但只要合理的設計是可以滿足需要的。而鋁合金，特別是5000系列的鋁鎂合金，性能與鋼差之不大。在此，我們必需改變一說到鋁就想到“軟”的老概念，對民用鋁的確如此，但對工業鋁則完全不同。因此用新材料建造的燈樁完全有可能比鋼結構更輕巧耐用且便于維護管理。

2.3使用壽命方面

磚石結構燈樁、鋼筋混凝土燈樁、鋼結構燈樁和玻璃鋼結構燈樁的使用壽命，在良好的維護保養的情況下，設計使用壽命一般在50年以上，這已被許許多多的工程實例所證實。至于現時，玻璃鋼燈樁不再采用的原因，不在于壽命問題，而是由于玻璃鋼是半透光的，制作又是手工涂刷樹脂難以均勻，因此從內部向外看疙疙瘩瘩斑斑駁駁很不美觀，加上含笨固化劑的毒性，不受歡迎。

目前超高分子量聚乙烯和鋁合金材料的老化試驗都表明壽命都可達到50年。從燈樁的使用實踐說，超高分子量聚乙烯燈樁近幾年雖已在使用，但年份有限難以對壽命作評價。鋁合金用作燈樁還沒有實例，但這種5000系列的鋁合金特別是其中的5A05、5A02有很好的防腐性。已廣泛應用于船舶、艦艇、汽車和飛機板焊接件、需嚴格防火的壓力容器、致冷裝置、電視塔、鉆探設備、交通運輸設備、導彈元件、裝甲等等領域，可以相信它的使用壽命是不成問題的。而船用鋁合金的水密門窗我們在燈塔、導標上已采用多年，效果甚好，可作間接佐證。

3.新材料用于燈樁建設的優點

綜上所述，新材料用于燈樁建設的優點可歸納為：自重輕、耐腐蝕、免維護、壽命長、標準化程度高（這二種新材料都有標準化的平板與管材，都可在工廠預制）、現場搬運方便、施工便利、工期短等。

值得指出的是，新材料的采用有利于發展綠色經濟。

鋼筋混凝土離不開現場“濕”作業，在海邊缺淡水之地不僅供水困難，而且污染水環境，壽命結束后的殘棄物又無法循環利用，不利于環境保護，我們必須拼棄那種反正在荒野，些小污染無所謂的舊觀念。環境是一個整體，必須從點滴把關，而新材料燈樁建設時干凈，壽終后可再利用。此外，新材料的采用也符合創新拉動經濟的新經濟政策。

4.經濟性討論

超高分子量聚乙烯燈樁價格比較劃算，例如CML806-6000型燈樁每座20.9萬元（每米約3.5萬元）。

5000系列鋁合金板材價格約40元公斤，建造一座直徑1000毫米、壁厚20毫米、高10米的燈樁的鋁合金用量約3.0噸，鋁合金材料的費用約12.00萬元，據了解專業鋁合金加工生產廠，全部加工制作成燈樁也可控制在20.00萬元左右，這是可以接受的。

5.新材料燈樁設計中的一些特殊問題

5.1上部結構與基礎的聯接問題

新材料燈樁的基礎仍是用傳統的混凝土基礎為好。

對于鋁合金燈樁，由于目前鋼與鋁尚不能直接互焊，因此基礎的頂面應預埋鋼板一塊，燈樁的底部應有鋁合金板一塊，二者用螺栓連接。一般說不同材料間會有電化腐蝕，但由于燈樁交接處所在環境是干環境，這種電化腐蝕是很小的，為進一步避免這種可能出現的腐蝕，可在二者界面間涂以油漆或其它合適的防護物料作隔絕層。

5.2風力共振問題

風對圓柱形體的作用力是具有脈動性的，由于新材料特別是超高分子量聚乙烯的彈性模量比鋼的鋼彈性模量小很多，所建成的燈樁自振周期大，有可能與風產生的作用相共振，這種結構共振有時有很大的破壞作用，在建筑史上有血的教訓，因此規范要求在重要場合對共振發生可能性大的結構必須進行校核。校核方法可參考海洋工程中坐底式平臺中的有關方法。

參考文獻：

［1］建設部.鋼結構設計規范.GB50017-2003.

［2］美國石油學會API.離岸固定平臺設計與建造規范.1983年中國船檢局.