地震作用下通訊拉線塔拉線預應力的優化

穆 宇 亮

(中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北 石家莊 050021)

地震作用下通訊拉線塔拉線預應力的優化

穆 宇 亮

(中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北 石家莊 050021)

通過有限元分析軟件，對通訊拉線塔進行了建模，按三種不同預應力值進行地震動力時程分析，得到了地震作用下不同預應力值拉線的內力時程曲線，對比三種預應力值計算的結果，從而選出了地震作用下合理的拉線預應力取值。

通訊拉線塔，預應力，抗震設計

0 引言

通訊拉線塔是一種由鋼絞線拉線固定，塔身上可安裝移動通信天線的塔桅形式，具體形式見圖1。塔身一般是格構式桁架，由鋼管、角鋼或圓鋼組成。除塔身底部外，塔身在不同高度安裝拉線為鐵塔提供約束。該塔型外觀新穎，受力合理，塔體重量輕，施工簡便、周期短，是一種性能良好、經濟實用的通信塔型。

通訊拉線塔作為通信鐵塔的一個重要分支，在傳統剛性結構的基礎上引入柔性的預應力拉索，并施加一定的預應力，在不同高度為塔身提供約束，減少了鐵塔自由長度，從而改變了結構的內力分布和變形特征，優化了結構的性能，使得結構重量大為減輕，在工程中得到了廣泛的應用。

通訊拉線塔一般安裝在建筑物的屋面上，高度在8 m～16 m之間。因為其塔身截面尺寸小，在既有結構上較易選定受力點，對結構產生的影響小。但該結構也有其缺點，因為結構本身需要拉線提供約束，而拉線與水平線的夾角通常為45°，故塔身越高其占地面積越大；而且對固定拉線的錨固件和拉線要求較高。

1 拉線塔鋼絞線預應力及計算方法

拉線是一種柔性構件，僅能承受拉力，不能承受壓力，作為通訊拉線塔的重要構件，對于拉線結構體系的形成是必不可少的。鐵塔塔身依靠預先對拉線施加預應力從而為其提供必要的支撐，抵抗由地震作用產生的荷載。由此得出，施加了預應力的拉線是實現抗震性能的關鍵因素。

拉線的預應力可以人為調節，它的大小對結構的抗震性能有較為顯著的影響，預應力過小則不能為塔身提供必要的約束，在地震作用下，拉線可能松弛而退出工作；反之，如果預應力過大會增加塔身結構的負擔，同時會增大既有結構的荷載，產生不利的影響。所以，通訊拉線塔的預應力應該存在一個合理值。既可以滿足地震作用下抵抗荷載的要求，同時又要盡量減小預應力的取值。目前，通訊鐵塔地震反應的計算分析方法主要有振型分解反應譜法和時程分析法。其中，反應譜法主要應用于彈性多自由體系的分析，而且分析所得的結果是最大地震反應，并不是結構在地震作用下反應的全過程。時程分析法是對結構的運動微分方程直接進行逐步積分求解的一種動力分析方法。由時程分析可得到各個質點隨時間變化的位移、速度和加速度動力反應，進而計算構件內力和變形的時程變化，該方法直接輸入實測地震加速度時程記錄或者人工加速度時程，對運動方程積分求得地震作用下結構在整個過程中的反應[1]。根據加速度時程輸入位置和方向，時程分析法的加速度時程輸入方式分為單點一致輸入、多向單點輸入、多點輸入和多向多點輸入等[2]。本文算例采用時程分析法對拉線塔進行分析。

2 有限元模型和計算結果

以一個典型通訊拉線塔為研究對象，建立有限元模型。塔身為三角形斷面的桁架，高度15 m，斷面邊長500 mm，主材采用Φ89×6，斜材和橫材采用L45×4，拉線采用鋼絞線，俯視按120°間隔布置，在塔身12 m，6 m設兩層拉線，上層拉線與水平線角度為38°，下層拉線與水平線角度為57°，占地為16.5 m×14.5 m。模型見圖2，選取上層拉線作為考察對象，通過分析結果來說明拉線的地震反應。

以模型為研究對象，計算結構在地震作用下的反應。假定該工程所在地區地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類場地，設防烈度為8度(0.2g)。根據所在場地選取EI-Centro波作為實測地震加速時程。同時根據當地的設防烈度和GB 50011—2010建筑抗震規范[3]中的規定對地震波進行波峰調整，將該加速度時程中的加速度值調整至70gal。

將上下兩層拉線預應力作為考察參數，分別設置為1 kN，3 kN，5 kN時進行地震動力時程分析，并對結果進行整理，得到不同預應力拉線內力的時程曲線，見圖3，圖4。

3 結語

由以上模型計算結果可以看出：

1)拉線內力時程曲線接近于EI-Centro波的波形。在地震作用下，拉線內力峰值出現的時間稍晚于地震波的波峰值。

2)在地震烈度為8度(0.2g)地震作用下，拉線內力最大拉力為1.07 kN，且上層拉線的內力大于下層拉線的內力。因為拉線為只拉構件，在承受壓力時退出工作。

3)在靜力作用下，若不考慮結構初始缺陷，拉線受力很小，只有在地震作用下，拉線才參與工作。由此可以得出，為保證拉線不因為松弛而退出工作，拉線的預應力應與地震作用下所承受的內力相接近為宜。過大則增加塔身和拉線的荷載，過小則使結構在地震作用下容易松弛。所以，在抗震8度區，15 m通訊拉線塔拉線預應力以1.5 kN～2 kN為宜。

[1] 楊 忠，張文旭.局部雙層網殼結構的自振特性分析[J].華北地震科學,2008,26(4):41-44.

[2] 陳志華.張弦結構體系[M].北京:科學出版社,2013:103-106.

[3] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

Prestress optimization of communication cable tower’s cable under earthquake action

Mu Yuliang

(ShijiazhuangDesignInstitute,SinosteelEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shijiazhuang050021,China)

Modeling of the communication cable tower through the finite element analysis software, value of seismic dynamic time history analysis according to three different prestress, get the curves of the seismic action under the different value of prestressed cable internal force, computational results comparing the three kinds of prestress value, draw the cable prestress reasonable under the action of earthquake.

communication cable tower, prestress, seismic design

2015-02-12

穆宇亮(1979- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)12-0041-02

TU394

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