高聳通信鐵塔的地震動力響應分析

趙玉明+王麗+盧玉林

摘 要： 通過數值模擬的方式分析了高聳通信塔在強震作用下的動力特點，根據平臺和信號器設置的數量，在塔頂施加等效荷載來模擬通信設備及平臺自重的影響。結果表明，避雷針與塔身連接位置主要以拉應力為主，容易斷裂。配重下的塔體應力延時程變化略大于無配重結果，而最大水平位移因重力二階效應要遠大于無配重結果。配重區域位移應力都較大，是主塔的薄弱環節。在抗震分析時，應更好地選擇附帶配重的鐵塔作為計算依據是保證結構安全的重要條件。

關鍵詞： 通信塔； 地震反應； 數值模擬； 地震波

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0016?04

Analysis on seismic dynamic response of high communication tower

ZHAO 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 605201， 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. The numerical simulation results show that the tensile stress is the main force at the junction of lightning rod and tower and 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 displacement 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： communication tower； seismic response； numerical simulation； seismic wave

通信鐵塔是電信系統的重要組成部分，汶川、玉樹等震害經驗表明信號塔的運行與否直接關乎通信系統的暢通。歷史震害經驗證明雖然通信塔具有良好的抗震性能，但個別高塔及頂部的通信設備易受到較大的破壞。按照《電力設施抗震設計規范》（GB50260?96）規定，鐵塔在Ⅷ度及以下可不進行抗震驗算，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量的信號發射器，因此頂部鐵塔質量一般較大，邊梢效應會造成頂部產生大變形，出現破壞[1?4]。

在傳統的通信鐵塔分析中，通常只考慮主塔的動力性能，即塔身在地震作用下的力學行為，而往往忽略頂部通信設備和上人平臺自重對鐵塔動力性能的影響，這樣的計算結果往往比實際值受力，在一定程度上會影響對塔體安全性的研判。鐵塔頂部集中了較大的質量是受平臺自身所用鋼材和通信設備數量的影響，這一部分的配重往往造成鐵塔呈現“頭重腳輕”的結構受力特點，因此分析帶有頂部含有配重質量的鐵塔就顯得尤為重要。本文通過數值模擬的方式，分析華北地區典型四角高聳鐵塔（高度大于50 m）在強震作用下的反應，并對比考慮在設備、平臺自重與無配重塔架自身條件下的應力、位移場變化，從而分析不同烈度區鐵塔的動力性能和薄弱環節，為鐵塔的抗震設計分析提供基礎。

1 計算模型及方法

1.1 通信塔計算模型

通信塔模型采用華北地區常用的設計型號，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。根據設計資料，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，根據頂部附屬天線數量，可計算其配重大小。鑒于強震分析的重要性，計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，同時還考慮了梁受剪切變形的影響，使得結構的剛度對自振周期和頻率的貢獻與實際相符[2]。根據塔身材料分為6個計算區段，除主材之外，塔身截面每區段內設置斜撐桿保證主塔整體穩定性，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。最終離散的有限單元總數為20 880，節點總數為20 630個，鋼塔底部采用全固結方式處理。endprint

[圖1 通信塔外景 圖2 通信塔三維有限元模型]

1.2 理論計算依據

在分析鐵塔的動力性能時，采用時程分析可以較好的反應主塔在地震作用過程中的力學行為，能夠研判鐵塔位移場隨時間的變化過程。根據鐵塔模型，在計算區段內可將其視為多自由的振動體系[5?6]，塔身的6段劃分可為計算提供簡化手段，將主塔模型視為彈性結構，系統的運動方程可表示為式（1）：

[MX（t）+CX（t）+KX（t）=-Mu（t）] （1）

式中：M為質量矩陣；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為時間。

在時間增量Δt內，可將C，K視為不變的常數矩陣，則動力方程可以表示為增量形式如式（2）所示，可通過Newmark?b法求解動力方程[7?8]：

[MX（t）i+CiX（t）i+KiX（t）i=-Mu（t）i] （2）

1.3 數值模擬方法

以有限元數值模擬為基礎，借助ANSYS軟件通過時程分析完成主塔的地震模擬。地震動以實際記錄的天津波為依據，提取最大波動的4 s范圍作為計算時程，離散的波動曲線如圖3所示。

采用時程分析時，在塔底部施加地震波，考慮塔基為剛性基礎，根據地震波的影響將水平與豎直方向的加速度比可按照1∶0.8進行調整施加，以保證鐵塔動力計算的可靠性[4]。計算程序中平臺圍護鐵板及天線支架并未建立實體模型，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備自重的影響。

圖3 地震波時程曲線

2 計算結果

2.1 高聳鐵塔動力特點

圖4是不同時刻鐵塔的水平位移云圖，可以看出在平臺及塔頂都是大位移出現的區域。頂部的避雷針是獨立桿件結構，末梢效應造成塔尖變形大，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，應加強避雷針與主塔的構造連接措施。

圖4 不同時刻水平位移變化

圖5（a）是鐵塔水平位移隨加速度變化的時程分布，可以看出振動時刻的2 s之前位移基本隨加速度變化成正比關系，但是在最大加速度發生后，位移與加速度關系變得復雜。特別是在振動后期，位移瞬間值高于最大加速度所對應的位移，出現了整個時程中的最大水平位移，這主要是因為鐵塔隨加速度絕對值增加而導致慣性增加，當加速度峰值過后，因慣性作用造成塔尖水平擺動劇烈，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以拉應力為主的分布特點，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、位移與避雷針應力分布

2.2 有無配重鐵塔動力比較

圖6是在實際地震波作用下，有無配重的鐵塔應力、位移數值結果比較。無配重塔身的最大工作應力為175.4 MPa，位移是137.5 mm；配重下的鐵塔最大工作應力為177.4 MPa，位移是151.3 mm。兩者之間最大應力值近似，但最大位移值相差13.8 mm，這是因為頂部加載配重后，因重力二階效應造成頂部位移變大。在地震動的前期可以看出配重下的鐵塔自身應力穩定，而沒有配重的主塔隨時程應力變化明顯，這是因為頂部附加的信號器配重在小波動下有利于高聳結構的穩定。塔身應力在附加配重后，主壓應力有所提高，是因為塔身在地震作用下形成“拉彎”的疊合變形，壓應力自然有所增加。通過時程分析還可以看出波動前期有配重鐵塔應力的變化過程要比無配重條件下大很多，兩者最大應力相差68.15 MPa。雖然兩者的最大工作應力都小于鋼材的屈服應力，但不難發現不考慮配重的鐵塔在抗震計算方面是不全面的，因為與配重鐵塔相比，其在初始的振動階段應力偏小，這不能完整反映塔身的動力性能。在抗震分析過程中應優先考慮帶配重鐵塔的問題，以便更好的分析鐵塔的薄弱環節。

圖6 應力、位移對比

圖7 高度區應力、位移對比

時程分析中輸入的實際地震波可以模擬Ⅷ度以下鐵塔的動力特點，對于高烈度區域需按照折減系數的原則進行推算。根據抗震設計規范要求，Ⅸ度設計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，所以理論計算結果應比實際地震波結果大。將實際地震波與Ⅷ度設防條件下的位移，應力進行比較，推算不同烈度區域下的鐵塔動力特點，結果如圖7所示，高烈度地區應力和位移都成線性增大。因此綜合考慮，選取配重的鐵塔應力計算模型是較為合理的，其計算結果是偏于安全的。經計算Ⅸ度下最大應力是207.6 MPa，位移為177.3 mm。對比不同烈度區，將有無配重的鐵塔的最大位移和最大應力提取出，見表1。

表1 配重下的最大應力和位移

3 結 語

考慮平臺配重和通信設備自重影響的鐵塔，其應力、位移都要比無配重下的鐵塔結果大，這就說明抗震設計時選取附帶配重的通信塔模型是相對合理的，計算結果也將是偏于安全的。兩種計算模型的應力、位移隨時程都出現了震蕩性變化，最大工作應力基本接近，但應力幅度變化較大。受頂部配重的影響，配重鐵塔初始階段應力要遠大于無配重結果，其應力差接近于70 MPa。位移也因頂部配重的二階效應比無配重位移增大近10%。另外，避雷針因大變形而需強化與塔身的連接。對于高烈度地區特別是Ⅹ度以上地區，規范還未給出基本地震加速度與設防烈度的關系，這一部分的鐵塔應力還未深入分析，如何估算鐵塔的動力性能是目前抗震計算的難點，也是后續的重點工作。

參考文獻

[1] 李佳穎，任春玲，黃志龍.自然通風冷卻塔的實驗及有限元分析[J].力學季刊，2007，28（3）：443?447.

[2] 穆宇亮，劉巧英，張博.單管通信鐵塔結構基本自振周期分析及抗震應用[J].華北地震科學，2011，29（4）：58?60.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011?2010建筑抗震設計規范[S].北京：建筑工業出版社，2010.

[4] 盧玉林，陳曉冉，李佳锜.地震作用對小型雙曲線冷卻塔的影響分析[J].工程抗震與加固改造，2013，35（3）：31?36.

[5] 李鐵英.高層建筑結構在地震作用下的豎向振動研究[J].太原工業大學學報，1997，28（z1）：86?90.

[6] 陳健云，周晶，馬恒春，等.高聳煙囪結構豎向地震響應的模型試驗研究及分析[J].建筑結構學報，2005，26（2）：87?93.

[7] LOUGH C， RAY W. Dynamics of structure[M]. New York： McGraw?Hill， 1993

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50191?2012，構筑物抗震設計規范[S].北京：建筑工業出版社，2012.