通信單管塔抗震性能分析

孫國良

摘要： 為確定通信單管塔在地震載荷作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，選取典型的通信單管塔為研究對象，通過合理的結(jié)構(gòu)簡化建立有限元模型；參考規(guī)范中8烈度罕遇地震的要求，通過靜力分析法、振型分解反應(yīng)譜法和非線性時(shí)程法分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗震性能；對3種計(jì)算方法得到的結(jié)果進(jìn)行對比，得出不同分析方法計(jì)算結(jié)果的差別；通過綜合分析計(jì)算結(jié)果評估通信單管塔的抗震性能.

關(guān)鍵詞： 通信單管塔； 抗震分析； 靜力分析； 反應(yīng)譜分析； 非線性時(shí)程分析； 有限元

中圖分類號： TU352.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Analysis on antiseismic performance of

communication monopole

SUN Guoliang

（Baoding TTL Antiseismic Research Institute of Telecommunication Equipment， Baoding 071051， Hebei， China）

Abstract： To confirm that the design of communication monopole structure is safe under seismic load， a typical communication monopole is taken as the research object and a finite element model is built by reasonable structure simplification； according to the requirements for the rare 8th seismic intensity in the specifications， the antiseismic performance of the structure is separately calculated by the methods of static analysis， response spectrum analysis and nonlinear time history analysis； the difference of the results are obtained by comparison of the results of the three analysis methods； the calculation results are comprehensively analyzed to evaluate the antiseismic performance of the communication monopole.

Key words： communication monopole； antiseismic analysis； static analysis； response spectrum analysis； nonlinear time history analysis； finite element

0引言

目前，中國移動、電信、聯(lián)通三大運(yùn)營商共有通信鐵塔200多萬根.隨著4G的發(fā)展，通信鐵塔的數(shù)量將以每年萬級的數(shù)量增長.汶川地震、雅安地震均有通信鐵塔受到地震載荷激勵(lì)而倒塌，直接造成局部通信網(wǎng)中斷，使抗震救災(zāi)搶險(xiǎn)的難度增大.為能準(zhǔn)確了解災(zāi)情，提高通信鐵塔的抗震可靠性，需對通信鐵塔進(jìn)行抗震分析.

目前，通信塔的主要形式有：（1）以角鋼作為主要受力構(gòu)件的角鋼塔；（2）以無縫鋼管組成的空間桁架為受力體的多管塔；（3）以大直徑焊接鋼管為主要受力體的單管塔.[1]通信單管塔以其具有美觀、節(jié)約用地、制作方便、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在通信工程中被廣泛地應(yīng)用.與普通角鋼塔、多管塔相比，單管塔的整體剛度小，因此在以地震、風(fēng)荷載為主的橫向載荷作用下的水平位移較大.[2]

通信單管塔的主要受力構(gòu)件為一根下大上小、橫截面漸變的懸臂鋼管，結(jié)構(gòu)的高度遠(yuǎn)大于其直徑，屬于典型的高聳結(jié)構(gòu).同時(shí)，單管通信塔的徑厚比通常很大，屬于薄壁殼體結(jié)構(gòu)，在地震、風(fēng)載荷等橫向載荷的作用下，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移較大.同時(shí)，由于鐵塔的自重作用以及平臺集中在頂部，使得通信單管塔的PΔ效應(yīng)明顯，有較強(qiáng)的非線性.[3]

由于國內(nèi)地震模擬振動臺能力的限制，不能進(jìn)行通信單管塔抗震性能原型的抗震性能試驗(yàn)，而《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50135—2006》，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》和《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：YD/T 5131—2005》中規(guī)定可通過有限元法確定通信單管塔結(jié)構(gòu)的抗震性能.

1單管塔結(jié)構(gòu)說明

單管塔模型見圖1.塔身總高40 m，質(zhì)量約為10.1 t；管塔結(jié)構(gòu)材料采用Q345鋼材，塔身截面為12邊形，連接形式為套接.塔體從上到下分為5個(gè)塔段，長度均為8 m，塔段1～3壁厚為8 mm，塔段4壁厚為10 mm，塔段5壁厚為12 mm，底部法蘭厚度為30 mm，底部法蘭加勁板厚度為10 mm，內(nèi)環(huán)加勁肋厚度為10 mm，管段加強(qiáng)板厚度為15 mm.

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，Q345B鋼材的材料力學(xué)性能為：厚度≤16 mm，抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度為310 MPa，抗剪強(qiáng)度為180，刨平頂緊的端面承壓強(qiáng)度為400 MPa.[4]

2單管塔結(jié)構(gòu)模型簡化說明

用各向同性材料模擬單管塔材料.為更好地仿真管塔主體結(jié)構(gòu)，將管塔附屬構(gòu)件（避雷針、平臺、塔梯和安全繩等）用集中質(zhì)量單元進(jìn)行簡化.塔段之間采用套接、法蘭盤或內(nèi)螺栓連接，各段塔管的結(jié)構(gòu)尺寸和材料厚度不完全相同，可視為厚度相等的均勻變截面管.[5]單管塔共劃分為52 834個(gè)節(jié)點(diǎn)，50 147個(gè)單元，最小單元尺寸為60 mm.塔段、底部法蘭加勁板、內(nèi)環(huán)加勁板和加強(qiáng)板用板殼單元模擬，底部法蘭盤用實(shí)體單元模擬.通信單塔網(wǎng)絡(luò)劃分示意見圖2.

塔段5與法蘭盤之間的焊接，底法蘭加勁板與塔段5和與底法蘭之間的焊接和內(nèi)環(huán)加勁肋與塔段5之間的焊接均采用共節(jié)點(diǎn)方式模擬；加強(qiáng)板與塔段5之間的焊接采用剛性單元模擬；塔段之間的套接采用接觸模擬，摩擦因數(shù)取0.3[6].

假定單管塔與基座連接處為鉸接，在底部法蘭盤的每個(gè)地角螺栓安裝位置約束x，y和z這3個(gè)方向的平動自由度.假設(shè)管塔底部基座為剛性基礎(chǔ)[7]，不進(jìn)行管塔底部錨栓埋深及抗拔承載力分析，不考慮地基沉陷、土壤液化引起的結(jié)構(gòu)損壞.

3動力特性分析結(jié)果

運(yùn)用蘭佐斯法求解1～50 Hz頻率范圍內(nèi)單管塔的模態(tài)振型和模態(tài)頻率.由于單管塔結(jié)構(gòu)為中心對稱結(jié)構(gòu)，存在x向和y向2個(gè)方向的對稱彎曲模態(tài)振型，其動力特性可簡化為一頭固定、一頭自由的懸臂梁結(jié)構(gòu)，模態(tài)頻率見表1；單管塔x向的前4階彎曲模態(tài)振型見圖3.

4單管塔抗震性能分析

通過靜力分析、振型分解反應(yīng)譜分析和非線性時(shí)程分析，分別計(jì)算在8烈度罕遇地震作用下單管塔結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力，阻尼比取3%[7].

4.1靜力分析

根據(jù)GB 50011—2010第5.1.2條規(guī)定，高度不超過40 m以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)以及近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)可采用底部剪力法簡化方法.[8]根據(jù)GB 50135—2006第3.0.7條規(guī)定，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)的極限狀態(tài)表達(dá)式[9]為γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+wEγwSwk≤R/γRE（1）式中：γG為永久載荷分項(xiàng)因數(shù)；γEh和γEv分別為水平和垂直地震作用分項(xiàng)因數(shù)；γw為風(fēng)載荷分項(xiàng)因數(shù)，取1.4；SGE為重力載荷代表值的效應(yīng)；SEhk為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的作用效應(yīng)值；SEvk為豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的作用效應(yīng)值；Swk為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；wE為抗震基本組合中的風(fēng)載荷組合值因數(shù)，可取0.2；R為抗力；rRE為抗力抗震調(diào)整因數(shù)，取1.0.

計(jì)算8烈度地震對單管塔結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)考慮水平地震載荷和豎向地震載荷的影響，式（1）中各個(gè)因數(shù)的取值見表2.

取通信塔的阻尼比為0.05，分別根據(jù)第三組IV類場的場地特征周期選取地震影響因數(shù)，本文選取8烈度罕遇地震影響因數(shù)為0.9.載荷加載點(diǎn)見圖4，底部最大應(yīng)力云圖見圖5.根據(jù)靜力分析法計(jì)算得到單管塔受地震力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)見表3.圖 4載荷加載點(diǎn)

位移/mm塔段114塔段1側(cè)壁348塔段231塔段2側(cè)壁250塔段348塔段3側(cè)壁149塔段453塔段4側(cè)壁72塔段5102塔段5與加強(qiáng)筋連接處22

4.2反應(yīng)譜分析

根據(jù)GB 50135—2006第4.4.4條和GB 50011—2010第5.1.2條，對于高聳結(jié)構(gòu)，可采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算其地震作用.

振型分解反應(yīng)譜法和底部剪力法都是動力法中的反應(yīng)譜法，即按照標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，考慮地震時(shí)地面加速度引起的結(jié)構(gòu)自身加速度動力反應(yīng)，并用作用在結(jié)構(gòu)上的地震慣性力來表示，把動力問題轉(zhuǎn)化為靜力問題處理.振型分解反應(yīng)譜法綜合考慮結(jié)構(gòu)在不同振型時(shí)的地震反應(yīng)，而底部剪力法只考慮結(jié)構(gòu)基本振型第1振型時(shí)的反應(yīng)，是一種簡化計(jì)算方法[9].

每個(gè)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量與其在某一振型中相應(yīng)坐標(biāo)乘積之和與該振型的主質(zhì)量（或者該模態(tài)質(zhì)量）之比，即為該振型的振型參與系數(shù).振型參與系數(shù)表示振型在整體響應(yīng)中所占的比重，是不同頻率振型對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的一種貢獻(xiàn)量，表示在特定的方向上每一階振型的特定貢獻(xiàn).根據(jù)FEMA365，模態(tài)振型的參與質(zhì)量需要達(dá)到結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的90%[10].本文計(jì)算得到的模態(tài)參與質(zhì)量見表4.由此可知：前6階模態(tài)參與質(zhì)量已接近總質(zhì)量的90%，因此計(jì)算6階模態(tài)組合得到地震力對結(jié)構(gòu)的影響就可以代表結(jié)構(gòu)所有模態(tài)組合的結(jié)果.振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)見表5.

位移/mm塔段144塔段1側(cè)壁602塔段262塔段2側(cè)壁428塔段383塔段3側(cè)壁252塔段4103塔段4側(cè)壁120塔段5142塔段5與加強(qiáng)筋連接處37

4.3非線性時(shí)程分析

采用時(shí)程分析法時(shí)應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于2組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組人工模擬的加速度時(shí)程曲線.[6]本文根據(jù)場地類別，選擇2條強(qiáng)震記錄和1條人工合成地震波，并人工將每條波的最大加速度調(diào)整為0.4g，滿足規(guī)范中8烈度罕遇地震時(shí)程分析加速度峰值的要求，見圖6.采用非線性時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用.在結(jié)構(gòu)底部螺栓固定點(diǎn)輸入地震加速度時(shí)程記錄，見表6.地震波激勵(lì)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果見表7.

根據(jù)上述3種分析結(jié)果，可得如下結(jié)論.

（1）本文選取的單管塔結(jié)構(gòu)最大計(jì)算應(yīng)力為142 MPa，遠(yuǎn)小于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，最大計(jì)算位移為602 mm，小于結(jié)構(gòu)高度的1/75，滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50135—2006》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》的要求.

（2）結(jié)構(gòu)響應(yīng)位移較大，結(jié)構(gòu)變形存在幾何非線性，但振型分解反應(yīng)譜法只能計(jì)算得出結(jié)構(gòu)線性響應(yīng)結(jié)果，而時(shí)程分析不僅考慮材料非線性，同時(shí)還考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，因此非線性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果小于振型反應(yīng)分解法的計(jì)算結(jié)果.

（3）根據(jù)3條地震波非線性時(shí)程分析結(jié)果，本文選取的單管塔結(jié)構(gòu)在8烈度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的PΔ效應(yīng)不明顯.

（4）由圖5可知，塔段5底部天饋線開口處應(yīng)力最大，為結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié).

5結(jié)論

（1）通過對通信單管塔進(jìn)行模態(tài)分析，本文選取的通信單管塔的1階固有頻率為0.63 Hz，周期為1.59 s，高于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》中規(guī)定的場地的特征周期最大值.

（2）根據(jù)3種方法分析結(jié)果，本文選取的通信單管塔結(jié)構(gòu)在8烈度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段，滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50135—2006》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》的強(qiáng)度要求剛度.本文選取的通信單管塔在8烈度罕遇地震下不發(fā)生破壞.

（3）根據(jù)3種方法計(jì)算結(jié)果，通信單管塔結(jié)構(gòu)在8烈度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的PΔ效應(yīng)不明顯.振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果對于通信單管塔結(jié)構(gòu)較嚴(yán)酷，通信單管塔抗震性能分析宜采用振型分解反應(yīng)譜法.

參考文獻(xiàn)：

[1]屠黑男， 王肇民. 輕型通信塔設(shè)計(jì)[J].特種結(jié)構(gòu)， 2001， 18（4）： 2426. DOI： 10.3969/j.issn.10013598.2001.04.008.

TU H N， WANG Z M. Design of light communication tower[J]. Special Structures， 2001， 18（4）： 2426. DOI： 10.3969/j.issn.10013598.2001.04.008.

[2]屠海明， 高險(xiǎn)峰， 史國富， 等. 通信單管塔的非線性分析[J]. 特種結(jié)構(gòu)， 2009， 26（2）： 911. DOI： 10.3969/j.issn.10013598.2009.02.003.

TU H M， GAO X F， SHI G F， et al. Nonlinear analysis of communication monopole[J]. Special Structures， 2009， 26（2）： 911. DOI： 10.3969/j.issn.10013598.2009.02.003.

[3]謝甫哲， 舒贛平. 單管通信塔非線性分析與研究[C]//第五屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集. 廣州， 2005： 13851393.

[4]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50017—2003[S].

[5]艾鵬. 基于能量原理的通信單管塔PΔ效應(yīng)分析方法研究[D]. 武漢： 武漢理工大學(xué)， 2007.

[6]羅烈， 高雙喜， 黃鉅枝. 插接式單管塔整體變形的有限元分析、簡化計(jì)算及試驗(yàn)對比[J]. 結(jié)構(gòu)工程師， 2009， 25（3）： 3439. DOI： 10.3969/j.issn.10050159.2009.03.007.

LUO L， GAO S X， HUANG J Z. Comparison among deflection calculation results of slipjoint monopoles with finite element method， simplified method and experiment[J]. Structures engineers， 2009， 25（3）： 3439. DOI： 10.3969/j.issn.10050159.2009.03.007.

[7]李宏男. 高壓輸電塔抗震分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京： 中國電力出版社， 2009： 121188.

[8]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50011—2010[S].

[9]高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50135—2006[S].

[10]王社良. 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 武漢： 武漢理工大學(xué)出版社， 2001： 3035.

[11]American Society Of Civil Engineers. Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings： FEMA356[R]. Federal Emergency Manngement Agency， Wanhington DC.

（編輯武曉英）