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構設計的安全性，選取典型的通信單管塔為研究對象，通過合理的結構簡化建立有限元模型；參考規范中8烈度罕遇地震的要求，通過靜力分析法、振型分解反應譜法和非線性時程法分析計算結構的抗震性能；對3種計算方法得到的結果進行對比，得出不同分析方法計算結果的差別；通過綜合分析計算結果評估通信單管塔的抗震性能.

關鍵詞： 通信單管塔； 抗震分析； 靜力分析； 反應譜分析； 非線性時程分析； 有限元

中圖分類號： TU352.1文獻標志碼： 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、聯通三大運營商共有通信鐵塔200多萬根.隨著4G的發展，通信鐵塔的數量將以每年萬級的數量增長.汶川地震、雅安地震均有通信鐵塔受到地震載荷激勵而倒塌，直接造成局部通信網中斷，使抗震救災搶險的難度增大.為能準確了解災情，提高通信鐵塔的抗震可靠性，需對通信鐵塔進行抗震分析.

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、節約用地、制作方便、易于批量生產等優點，近年來在通信工程中被廣泛地應用.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件為一根下大上小、橫截面漸變的懸臂鋼管，結構的高度遠大于其直徑，屬于典型的高聳結構.同時，單管通信塔的徑厚比通常很大，屬于薄壁殼體結構，在地震、風載荷等橫向載荷的作用下，結構的側向位移較大.同時，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效應明顯，有較強的非線性.[3]

由于國內地震模擬振動臺能力的限制，不能進行通信單管塔抗震性能原型的抗震性能試驗，而《高聳結構設計規范：GB 50135—2006》，《建筑抗震設計規范：GB 50011—2010》和《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范：YD/T 5131—2005》中規定可通過有限元法確定通信單管塔結構的抗震性能.

1單管塔結構說明

單管塔模型見圖1.塔身總高40 m，質量約為10.1 t；管塔結構材料采用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，內環加勁肋厚度為10 mm，管段加強板厚度為15 mm.

根據《鋼結構設計規范》，Q345B鋼材的材料力學性能為：厚度≤16 mm，抗拉、抗壓和抗彎強度為310 MPa，抗剪強度為180，刨平頂緊的端面承壓強度為400 MPa.[4]

2單管塔結構模型簡化說明

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構，將管塔附屬構件（避雷針、平臺、塔梯和安全繩等）用集中質量單元進行簡化.塔段之間采用套接、法蘭盤或內螺栓連接，各段塔管的結構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個節點，50 147個單元，最小單元尺寸為60 mm.塔段、底部法蘭加勁板、內環加勁板和加強板用板殼單元模擬，底部法蘭盤用實體單元模擬.通信單塔網絡劃分示意見圖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環加勁肋與塔段5之間的焊接均采用共節點方式模擬；加強板與塔段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地角螺栓安裝位置約束x，y和z這3個方向的平動自由度.假設管塔底部基座為剛性基礎[7]，不進行管塔底部錨栓埋深及抗拔承載力分析，不考慮地基沉陷、土壤液化引起的結構損壞.

3動力特性分析結果

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

4單管塔抗震性能分析

通過靜力分析、振型分解反應譜分析和非線性時程分析，分別計算在8烈度罕遇地震作用下單管塔結構的變形和應力，阻尼比取3%[7].

4.1靜力分析

根據GB 50011—2010第5.1.2條規定，高度不超過40 m以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構以及近似于單質點體系的結構可采用底部剪力法簡化方法.[8]根據GB 50135—2006第3.0.7條規定，高聳結構設計時應的極限狀態表達式[9]為γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+wEγwSwk≤R/γRE（1）式中：γG為永久載荷分項因數；γEh和γEv分別為水平和垂直地震作用分項因數；γw為風載荷分項因數，取1.4；SGE為重力載荷代表值的效應；SEhk為水平地震作用標準值的作用效應值；SEvk為豎向地震作用標準值的作用效應值；Swk為風載荷標準值的效應；wE為抗震基本組合中的風載荷組合值因數，可取0.2；R為抗力；rRE為抗力抗震調整因數，取1.0.

計算8烈度地震對單管塔結構的影響，同時考慮水平地震載荷和豎向地震載荷的影響，式（1）中各個因數的取值見表2.

取通信塔的阻尼比為0.05，分別根據第三組IV類場的場地特征周期選取地震影響因數，本文選取8烈度罕遇地震影響因數為0.9.載荷加載點見圖4，底部最大應力云圖見圖5.根據靜力分析法計算得到單管塔受地震力作用下的結構響應見表3.圖 4載荷加載點

位移/mm塔段114塔段1側壁348塔段231塔段2側壁250塔段348塔段3側壁149塔段453塔段4側壁72塔段5102塔段5與加強筋連接處22

4.2反應譜分析

根據GB 50135—2006第4.4.4條和GB 50011—2010第5.1.2條，對于高聳結構，可采用振型分解反應譜法計算其地震作用.

振型分解反應譜法和底部剪力法都是動力法中的反應譜法，即按照標準反應譜，考慮地震時地面加速度引起的結構自身加速度動力反應，并用作用在結構上的地震慣性力來表示，把動力問題轉化為靜力問題處理.振型分解反應譜法綜合考慮結構在不同振型時的地震反應，而底部剪力法只考慮結構基本振型第1振型時的反應，是一種簡化計算方法[9].

每個質點質量與其在某一振型中相應坐標乘積之和與該振型的主質量（或者該模態質量）之比，即為該振型的振型參與系數.振型參與系數表示振型在整體響應中所占的比重，是不同頻率振型對結構響應的一種貢獻量，表示在特定的方向上每一階振型的特定貢獻.根據FEMA365，模態振型的參與質量需要達到結構總質量的90%[10].本文計算得到的模態參與質量見表4.由此可知：前6階模態參與質量已接近總質量的90%，因此計算6階模態組合得到地震力對結構的影響就可以代表結構所有模態組合的結果.振型分解反應譜法計算結見表5.

位移/mm塔段144塔段1側壁602塔段262塔段2側壁428塔段383塔段3側壁252塔段4103塔段4側壁120塔段5142塔段5與加強筋連接處37

4.3非線性時程分析

采用時程分析法時應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于2組的實際強震記錄和1組人工模擬的加速度時程曲線.[6]本文根據場地類別，選擇2條強震記錄和1條人工合成地震波，并人工將每條波的最大加速度調整為0.4g，滿足規范中8烈度罕遇地震時程分析加速度峰值的要求，見圖6.采用非線性時程分析法計算結構的地震作用.在結構底部螺栓固定點輸入地震加速度時程記錄，見表6.地震波激勵下結構響應結果見表7.

根據上述3種分析結果，可得如下結論.

（1）本文選取的單管塔結構最大計算應力為142 MPa，遠小于鋼結構設計規范中材料的設計強度，最大計算位移為602 mm，小于結構高度的1/75，滿足《高聳結構設計規范：GB 50135—2006》和《建筑抗震設計規范：GB 50011—2010》的要求.

（2）結構響應位移較大，結構變形存在幾何非線性，但振型分解反應譜法只能計算得出結構線性響應結果，而時程分析不僅考慮材料非線性，同時還考慮結構的幾何非線性，因此非線性時程分析計算結果小于振型反應分解法的計算結果.

（3）根據3條地震波非線性時程分析結果，本文選取的單管塔結構在8烈度罕遇地震作用下結構的PΔ效應不明顯.

（4）由圖5可知，塔段5底部天饋線開口處應力最大，為結構的最薄弱環節.

5結論

（1）通過對通信單管塔進行模態分析，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《建筑抗震設計規范：GB 50011—2010》中規定的場地的特征周期最大值.

（2）根據3種方法分析結果，本文選取的通信單管塔結構在8烈度罕遇地震作用下結構處于彈性變形階段，滿足《高聳結構設計規范：GB 50135—2006》和《建筑抗震設計規范：GB 50011—2010》的強度要求剛度.本文選取的通信單管塔在8烈度罕遇地震下不發生破壞.

（3）根據3種方法計算結果，通信單管塔結構在8烈度罕遇地震作用下結構的PΔ效應不明顯.振型分解反應譜法的計算結果對于通信單管塔結構較嚴酷，通信單管塔抗震性能分析宜采用振型分解反應譜法.

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（編輯武曉英）