桅杆(船上悬挂帆和旗帜的柱杆)
桅杆(wéigān),船上悬挂帆和旗帜、装设天线、支撑观测台的高的柱杆,木质的长圆竿或金属柱,通常从船的龙骨或中板上垂直竖起,可以支撑横桁帆下桁、吊杆或斜桁。轮船上的桅杆用处很多。比如用它装信号灯,挂旗帜、架电报天线等。此外,它还能支撑吊货杆,吊装和卸运货物。
中文名桅杆
wéi gān
《睢县志·文化·古建筑》
词典解释
1.船上悬挂帆的杆柱。[1]
《儒林外史.第三三回》:「太阳落了下去,返照著几千根桅杆半截通红。」
2.船舶上悬挂信号、装设天线、支撑观测台的高杆。
建筑行业的分类
起重桅杆按其材质的不同,可分为木桅杆和金属桅杆。木桅杆又可分为独脚,人字和三脚式三种。金属桅杆可分为钢管式和结构式。结构式按姓氏可分为:人字桅杆、牵引式桅杆、龙门桅杆。
现代舰船的分类
在现代舰船的桅杆结构形式上可以大致将桅杆区分为桁格桅、塔形桅和筒形桅。下面分别就这几种结构形式对两力六性的不同贡献作简要分析。
主要功能
建筑行业
起重桅杆也称抱杆,是一种常用的起吊机具。它配合卷扬机、滑轮组和绳索等进行起吊作业。这种极具由于结构比较简单,安装和拆除方便,对安装地点要求不高、适应性强等特点,在设备和大型构件安装中,广泛使用。
现代舰船桅杆
现代舰船桅杆的最主要功能是提供雷达等探测设备的安装平台,因此从雷达的探测性能要求出发,桅杆自然是越高越好,但同时任何形式的桅杆都是一种结构体,有其自身固有的结构力学特性,桅杆的选用和设计都必须满足结构强度、振动、疲劳等力学指标,在相似载荷的前提下,几种结构形式的力学性能有较大差异。结构强度方面,塔形桅具有不可动摇的优势。塔形桅在结构上和上层建筑融为一体,本身也和船体结构一样设计有纵横骨架,壁板和骨架同时受力,都对强度作出贡献,因此相比较于依靠钢结构平衡受力的桁格桅(包括在桁格桅上敷上蒙皮的貌似塔形桅)和相对细长、横截面较小的筒形桅而言,塔形桅的结构强度最佳,承载能力也最强。
当然,在大型舰载多功能相控阵雷达装舰之后,舰载雷达的数量有所减少,而且相控阵雷达融于舰桥结构之中,对桅杆的承载能力要求下降,出现了如美国DDG51、日本16DDH上的轻型多面体桅杆,其设计要点显然和强度已经没有太大的关系。前苏联早早地在大型水面舰船上采用塔式桅,在结构方面就是看中其承载能力,这和前苏联舰载电子设备大而重的特性相匹配;即使雷达本身重量并不大,但为了“看得远”,舰艇也可能采用塔形桅在保证高度的前提下具有足够的强度。
另外,较难衡量的是桅杆的动力性能,即振动、疲劳等方面的性能。在这方面,直接计算的理论和算法并没有发展到非常精确的程度,即使采用同一算法也有可能得出大相径庭的结果。前苏联在这方面依赖于其雄厚的基础科学研究能力和科技人员的丰富经验,往往在计算结果出来之前就已经能够作出比较准确地判断。在某出口艇的新型大倾角桁格桅的振动响应计算中,国内三家院校(海工、上海交大、哈船)的计算结果差异在一个数量级以上,对实际设计没有任何指导意义;而在提交俄罗斯专家后,在未经计算的情况下凭经验估摸了某个数量级的结果,此后的实艇测试证明了俄罗斯人的判断。近年来,由于有限元计算技术的发展,有限元动力计算软件日趋成熟,应该说在振动、疲劳等方面的计算结果已经能够满足工程实际的要求。
桅杆的使用
起重桅杆为立柱式,用绳索(缆风绳)绷紧于地面。绷紧一端固定在起重桅杆的顶部。另一端固定在地面锚桩上。拉索一般不少于三根,通常用4—6根。每根拉索初拉力约为10—20kN拉索与地面成30度—45度夹角,各拉索在水平投影面夹角不得大于120度。
起重桅杆可直立地面,也可倾斜于地面(于地面夹角一般不小于80度)。起重桅杆地步垫以枕木垛。起重桅杆上部装有起吊用的滑轮组,用来起吊重物。绳索从滑轮组引出,通过桅杆下部导向滑轮引至卷扬机。
桅杆的安全使用要求
1.新桅杆组装时,中心线偏差不大于总支承长度的1/1000;
2.多次使用过的桅杆,在重新组装时,每5米长度内中心线偏差和局部朔性变形不应大于20毫米;
3.在桅杆全长内,中心偏差不应大于总支承长度1/200;
4.组装桅杆的连接螺栓,必须紧固牢靠;
5.各种桅杆的基础都必须平整坚实,不得积水。
优势
既然桁格桅在结构方面有众多的弱项,为什么还是有不少的舰艇要采用桁格桅?究其原因,应该是舰艇总体设计平衡协调的结果。桁格桅在以下方面具有优势:本身重量较轻,在占据舰艇最高位置的同时,对船体稳性影响较小;受风面积最小,使船体受横风影响减弱,有利于侧倾稳性;可以采用非金属材料制造,隐身性能较好(但在使用金属材料时,由于绕射等反射方式的存在,其隐身性能甚至比塔形桅要差)。
工艺性较好,和民用钢结构有共通之处。如果从这些方面考察另三种桅杆,能与之相类比的仅有轻型多面体桅杆,而且在同样采用金属材料时,轻型桅的隐身能力强于桁格桅。而塔形桅的自身重量、较大的受风面积、较大的雷达反射面积等缺点则暴露无遗。前苏联肯达级巡洋舰所为人诟病的稳性问题既有干舷较低的因素,庞大的塔形桅也是诱因之一,但在承载能力要求较高的场所塔形桅仍是不二选择。美国在70年代末80年代初的主战舰船设计中,除了核动力巡洋舰采用塔形桅之外,其余大中型驱护舰以及常规动力巡洋舰均采用桁格桅。
从中可以看出,在舰船总体设计中,解决桅杆的结构性能问题时其他性能牺牲的代价要低于总体性能问题,毕竟结构力学所牵涉的平衡范围和难度要远小于稳性、隐身性,从舰船设计局部服从总体的原则出发,在这些舰船上选用桁格桅应该说是水到渠成。
筒形桅应用场合
至于筒形桅,应用场合并不多,由于外形细长,并不适于作为舰船的主桅安置于舰桥之上,往往直接安装于舯部甲板或甲板室上,在设计上往往更多地是考虑到实用性。除了能够分散雷达等电子设备的分布从而改善整体的电磁兼容性之外,如果本舰动力为CODOG形式且桅杆位置合适,则可用于容纳巡航用柴油机组和发电用柴油机组的排气管;在综合通信系统中,筒形桅还能兼作宽带桅杆天线的发射体(如英国ICS-3系统);从美学角度,筒形桅和主桅一起能起到平衡视觉焦点的作用。另外,筒形桅和塔形桅都具有足够的封闭空间以形成全天候的维护平台,可维性较好;而且,封闭空间也有利于高频电缆等雷达附属设施的保护,不必受风吹雨打和各种海洋腐蚀的影响。
总结
综上,塔形桅的承载能力最强,结构强度较高,可维性较好,在选取合适的壁板倾角和涂敷吸波材料后隐身性能尚可,但自重、迎风面积较大,结构复杂;桁格桅承载能力一般,结构强度在优化设计后可以满足使用要求,设备完全露天安装,但自重、迎风面积小,结构简单;轻型多面体桅杆除了承载能力最小外,其余性能指标均较优,是目前新兴的一种桅杆结构形式。但随着雷达技术的进一步发展,和舰桥围壁共形的多波段雷达天线的研制成功将颠覆传统桅杆的样式,甚至导致桅杆的消失,正所谓:“长剑几时天外倚,真是崆峒”。如果桅杆上有人就危险了,所以千万不要爬上桅杆!
参考资料1.桅杆·汉典