高聳通信鐵塔的地震動(dòng)力響應(yīng)的機(jī)制建設(shè)

1、高聳通信鐵塔的地震動(dòng)力響應(yīng)的機(jī)制建設(shè)摘 要： 通過數(shù)值模擬的方式分析了高聳通信塔在強(qiáng)震作用下的動(dòng)力特點(diǎn)，根據(jù)平臺和信號器設(shè)置的數(shù)量，在塔頂施加等效荷載來模擬通信設(shè)備及平臺自重的影響。結(jié)果表明，避雷針與塔身連接位置主要以拉應(yīng)力為主，容易斷裂。配重下的塔體應(yīng)力延時(shí)程變化略大于無配重結(jié)果，而最大水平位移因重力二階效應(yīng)要遠(yuǎn)大于無配重結(jié)果。配重區(qū)域位移應(yīng)力都較大，是主塔的薄弱環(huán)節(jié)。在抗震分析時(shí)，應(yīng)更好地選擇附帶配重的鐵塔作為計(jì)算依據(jù)是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。關(guān)鍵詞： 通信塔； 地震反應(yīng)； 數(shù)值模擬； 地震波中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?

2、0016?04Analysis on seismic dynamic response of high communication towerZHAO Yuming1， WANG Li2， LU Yulin2（ 1. Institute of Mine Construction Tiandi Science & Technology Co.， Ltd， Beijing 100013， China；2. Department of Disaster Prevention Engineering， Institute of Disaster Prevention， Yanjiao 6052

3、01， China）Abstract： The seismic response characteristic of communication tower is analyzed by numerical simulation. The influence of the communication equipment and platform dead?weight was simulated by imposing the equivalent load on the tower top according to the platform and annunciator quantity.

4、 The numerical simulation results show that the tensile stress is the main force at the junction of lightning rod and tower aDYlw.nETnd this position is easily ruptured， the stress delay of the tower with counterweight is slightly larger than that with no counterweight， and the maximum horizontal di

5、splacement are larger due to the gravity second?order effect. The communication tower weak link is located at the counterweight area， that means the counterweight of the tower should be chosen carefully as the computed basis in the seismic analysis to ensure the construe safety.Keywords： communicati

6、on tower； seismic response； numerical simulation； seismic wave通信鐵塔是電信系統(tǒng)的重要組成部分，汶川、玉樹等震害經(jīng)驗(yàn)表明信號塔的運(yùn)行與否直接關(guān)乎通信系統(tǒng)的暢通。歷史震害經(jīng)驗(yàn)證明雖然通信塔具有良好的抗震性能，但個(gè)別高塔及頂部的通信設(shè)備易受到較大的破壞。按照電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50260?96）規(guī)定，鐵塔在度及以下可不進(jìn)行抗震驗(yàn)算，但對于超過50 m的高聳鐵塔而言，頂部通常附屬有上人平臺和一定數(shù)量的信號發(fā)射器，因此頂部鐵塔質(zhì)量一般較大，邊梢效應(yīng)會(huì)造成頂部產(chǎn)生大變形，出現(xiàn)破壞。在傳統(tǒng)的通信鐵塔分析中，通常只考慮主塔的動(dòng)力性能，即塔身

7、在地震作用下的力學(xué)行為，而往往忽略頂部通信設(shè)備和上人平臺自重對鐵塔動(dòng)力性能的影響，這樣的計(jì)算結(jié)果往往比實(shí)際值受力，在一定程度上會(huì)影響對塔體安全性的研判。鐵塔頂部集中了較大的質(zhì)量是受平臺自身所用鋼材和通信設(shè)備數(shù)量的影響，這一部分的配重往往造成鐵塔呈現(xiàn)頭重腳輕;的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，因此分析帶有頂部含有配重質(zhì)量的鐵塔就顯得尤為重要。本文通過數(shù)值模擬的方式，分析華北地區(qū)典型四角高聳鐵塔（高度大于50 m）在強(qiáng)震作用下的反應(yīng)，并對比考慮在設(shè)備、平臺自重與無配重塔架自身?xiàng)l件下的應(yīng)力、位移場變化，從而分析不同烈度區(qū)鐵塔的動(dòng)力性能和薄弱環(huán)節(jié)，為鐵塔的抗震設(shè)計(jì)分析提供基礎(chǔ)。1 計(jì)算模型及方法1.1 通信塔計(jì)算模型通

8、信塔模型采用華北地區(qū)常用的設(shè)計(jì)型號，由塔架、平臺、塔梯、支架及避雷針等組成，塔身所用的型鋼、圓鋼和板材均采用Q235B型，如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，平臺自重一般為500 kg，單支天線支架及天線總重量一般在50 kg左右，根據(jù)頂部附屬天線數(shù)量，可計(jì)算其配重大小。鑒于強(qiáng)震分析的重要性，計(jì)算采用空間桁梁混合模型，即塔身主材和橫隔材視為梁單元，斜材視為桿單元，同時(shí)還考慮了梁受剪切變形的影響，使得結(jié)構(gòu)的剛度對自振周期和頻率的貢獻(xiàn)與實(shí)際相符【2】。根據(jù)塔身材料分為6個(gè)計(jì)算區(qū)段，除主材之外，塔身截面每區(qū)段內(nèi)設(shè)置斜撐桿保證主塔整體穩(wěn)定性，且斜撐之間采用鉸接方式連接，三維有限元模型如圖2所示。最終離散的有限單

9、元總數(shù)為20 880，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為20 630個(gè)，鋼塔底部采用全固結(jié)方式處理。1.2 理論計(jì)算依據(jù)在分析鐵塔的動(dòng)力性能時(shí)，采用時(shí)程分析可以較好的反應(yīng)主塔在地震作用過程中的力學(xué)行為，能夠研判鐵塔位移場隨時(shí)間的變化過程。根據(jù)鐵塔模型，在計(jì)算區(qū)段內(nèi)可將其視為多自由的振動(dòng)體系，塔身的6段劃分可為計(jì)算提供簡化手段，將主塔模型視為彈性結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為式（1）： （1）式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；X（t）為位移向量；u（t）為地面加速度向量；t為時(shí)間。在時(shí)間增量Δt內(nèi)，可將C，K視為不變的常數(shù)矩陣，則動(dòng)力方程可以表示為增量形式如式（2）所示，可通過Newmark?b

10、法求解動(dòng)力方程： （2）1.3 數(shù)值模擬方法以有限元數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，借助ANSYS軟件通過時(shí)程分析完成主塔的地震模擬。地震動(dòng)以實(shí)際記錄的天津波為依據(jù)，提取最大波動(dòng)的4 s范圍作為計(jì)算時(shí)程，離散的波動(dòng)曲線如圖3所示。采用時(shí)程分析時(shí)，在塔底部施加地震波，考慮塔基為剛性基礎(chǔ)，根據(jù)地震波的影響將水平與豎直方向的加速度比可按照10.8進(jìn)行調(diào)整施加，以保證鐵塔動(dòng)力計(jì)算的可靠性【4】。計(jì)算程序中平臺圍護(hù)鐵板及天線支架并未建立實(shí)體模型，通過在主塔平臺和頂部位置施加等效集中荷載來模擬平臺和通信設(shè)備自重的影響。圖3 地震波時(shí)程曲線2 計(jì)算結(jié)果2.1 高聳鐵塔動(dòng)力特點(diǎn)圖4是不同時(shí)刻鐵塔的水平位移云圖，可以看出在平臺

11、及塔頂都是大位移出現(xiàn)的區(qū)域。頂部的避雷針是獨(dú)立桿件結(jié)構(gòu)，末梢效應(yīng)造成塔尖變形大，主塔底部為全約束方式所以變形最小。頂部避雷針在水平地震作用下產(chǎn)生最大位移變形，是塔身整體最為脆弱的位置，與歷史震害中頂部避雷針的脫落相吻合，所以在考慮抗震時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)避雷針與主塔的構(gòu)造連接措施。圖4 不同時(shí)刻水平位移變化圖5（a）是鐵塔水平位移隨加速度變化的時(shí)程分布，可以看出振動(dòng)時(shí)刻的2 s之前位移基本隨加速度變化成正比關(guān)系，但是在最大加速度發(fā)生后，位移與加速度關(guān)系變得復(fù)雜。特別是在振動(dòng)后期，位移瞬間值高于最大加速度所對應(yīng)的位移，出現(xiàn)了整個(gè)時(shí)程中的最大水平位移，這主要是因?yàn)殍F塔隨加速度絕對值增加而導(dǎo)致慣性增加，當(dāng)加速

12、度峰值過后，因慣性作用造成塔尖水平擺動(dòng)劇烈，造成后期位移偏大。也正是基于慣性作用，避雷針與塔身接觸的位置主要呈現(xiàn)以拉應(yīng)力為主的分布特點(diǎn)，從而間接的表明主塔在地震作用下以受彎變形為主，見圖5（b）所示。圖5 加速度、位移與避雷針應(yīng)力分布2.2 有無配重鐵塔動(dòng)力比較圖6是在實(shí)際地震波作用下，有無配重的鐵塔應(yīng)力、位移數(shù)值結(jié)果比較。無配重塔身的最大工作應(yīng)力為175.4 MPa，位移是137.5 mm；配重下的鐵塔最大工作應(yīng)力為177.4 MPa，位移是151.3 mm。兩者之間最大應(yīng)力值近似，但最大位移值相差13.8 mm，這是因?yàn)轫敳考虞d配重后，因重力二階效應(yīng)造成頂部位移變大。在地震動(dòng)的前期可以看出

13、配重下的鐵塔自身應(yīng)力穩(wěn)定，而沒有配重的主塔隨時(shí)程應(yīng)力變化明顯，這是因?yàn)轫敳扛郊拥男盘柶髋渲卦谛〔▌?dòng)下有利于高聳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。塔身應(yīng)力在附加配重后，主壓應(yīng)力有所提高，是因?yàn)樗碓诘卣鹱饔孟滦纬衫瓘?的疊合變形，壓應(yīng)力自然有所增加。通過時(shí)程分析還可以看出波動(dòng)前期有配重鐵塔應(yīng)力的變化過程要比無配重條件下大很多，兩者最大應(yīng)力相差68.15 MPa。雖然兩者的最大工作應(yīng)力都小于鋼材的屈服應(yīng)力，但不難發(fā)現(xiàn)不考慮配重的鐵塔在抗震計(jì)算方面是不全面的，因?yàn)榕c配重鐵塔相比，其在初始的振動(dòng)階段應(yīng)力偏小，這不能完整反映塔身的動(dòng)力性能。在抗震分析過程中應(yīng)優(yōu)先考慮帶配重鐵塔的問題，以便更好的分析鐵塔的薄弱環(huán)節(jié)。圖6 應(yīng)力、

14、位移對比圖7 高度區(qū)應(yīng)力、位移對比時(shí)程分析中輸入的實(shí)際地震波可以模擬度以下鐵塔的動(dòng)力特點(diǎn)，對于高烈度區(qū)域需按照折減系數(shù)的原則進(jìn)行推算。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，度設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.4 g，而天津波東西方向最大水平地震加速度為3 348 mm/s，所以理論計(jì)算結(jié)果應(yīng)比實(shí)際地震波結(jié)果大。將實(shí)際地震波與度設(shè)防條件下的位移，應(yīng)力進(jìn)行比較，推算不同烈度區(qū)域下的鐵塔動(dòng)力特點(diǎn)，結(jié)果如圖7所示，高烈度地區(qū)應(yīng)力和位移都成線性增大。因此綜合考慮，選取配重的鐵塔應(yīng)力計(jì)算模型是較為合理的，其計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。經(jīng)計(jì)算度下最大應(yīng)力是207.6 MPa，位移為177.3 mm。對比不同烈度區(qū)，將有無配重的鐵塔的最大

15、位移和最大應(yīng)力提取出，見表1。表1 配重下的最大應(yīng)力和位移3 結(jié) 語考慮平臺配重和通信設(shè)備自重影響的鐵塔，其應(yīng)力、位移都要比無配重下的鐵塔結(jié)果大，這就說明抗震設(shè)計(jì)時(shí)選取附帶配重的通信塔模型是相對合理的，計(jì)算結(jié)果也將是偏于安全的。兩種計(jì)算模型的應(yīng)力、位移隨時(shí)程都出現(xiàn)了震蕩性變化，最大工作應(yīng)力基本接近，但應(yīng)力幅度變化較大。受頂部配重的影響，配重鐵塔初始階段應(yīng)力要遠(yuǎn)大于無配重結(jié)果，其應(yīng)力差接近于70 MPa。位移也因頂部配重的二階效應(yīng)比無配重位移增大近10%。另外，避雷針因大變形而需強(qiáng)化與塔身的連接。對于高烈度地區(qū)特別是度以上地區(qū)，規(guī)范還未給出基本地震加速度與設(shè)防烈度的關(guān)系，這一部分的鐵塔應(yīng)力還未深入分析，如何估算鐵塔的動(dòng)力性能是目前抗震計(jì)算的難點(diǎn)，也是后續(xù)的重點(diǎn)工作。參考文獻(xiàn)【1】 李佳穎，任春玲，黃志龍.自然通風(fēng)冷卻塔的實(shí)驗(yàn)及有限元分析.力學(xué)季刊，2007，28（3）：443?447.【