分層空間桁架法對(duì)角鋼塔安全評(píng)估的可行性分析

龐文輝 許良軍

【摘要】 通過(guò)將分層空間桁架法與有限元分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證運(yùn)用分層空間桁架法對(duì)通信角鋼塔安全性能快速評(píng)估的可行性。將通信角鋼塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，運(yùn)用分層空間桁架法對(duì)其進(jìn)行靜力計(jì)算。以有限元結(jié)果為精確解，來(lái)分析分層空間桁架法的計(jì)算結(jié)果。得到的結(jié)論如下：分層空間桁架法適用于通信角鋼塔的簡(jiǎn)化計(jì)算。所以，可以利用該方法對(duì)角鋼塔的安全性能進(jìn)行快速評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】 通信角鋼塔 分層空間桁架法 安全評(píng)估

Abstract： In this paper， the layered space truss method and finite element analysis results are compared to verify feasibility of using layered space truss method of communication angle steel tower safety performance evaluation.The structure of communication angle steel tower is simplified， using layered space truss method for static calculation. With the finite element results as the exact solution， the calculation results of the layered space truss method are analyzed. The conclusions obtained are as follows： layered space truss method is applied to the simplified calculation of communication angle steel tower. Therefore， this method can be used for the rapid safety assessment of angle steel tower.

Keywords： communication angle-steel tower； layered space truss method； safety assessment

引言

隨著通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是移動(dòng)通信量的增大，通信塔的需求也日益增多。通信塔作為天線的“載體”，其安全可靠運(yùn)行是天線正常工作的基本保障。所以，角鋼塔的安全性能也引起了大家廣泛關(guān)注。角鋼塔是應(yīng)用最早，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜且穩(wěn)定性較好的塔型之一[1]。對(duì)于傳送模擬信號(hào)或?qū)Π惭b角度要求嚴(yán)格的天線，角鋼塔作為其“載體”至今仍被大量使用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件已經(jīng)被大量應(yīng)用于通信塔的安全評(píng)估中。在運(yùn)用有限元軟件時(shí)，由于建模仿真過(guò)程較為繁瑣，有限元模型需要不斷精確化，造成對(duì)通信塔進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，評(píng)估周期較長(zhǎng)。本文希望通過(guò)利用基本的角鋼塔結(jié)構(gòu)參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)角鋼塔安全性能的快速評(píng)估。本文主要將分層空間桁架法[2]運(yùn)用到通信角鋼塔上，通過(guò)與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終驗(yàn)證其對(duì)角鋼塔安全性能快速評(píng)估的可行性。

一、角鋼塔結(jié)構(gòu)特性

本文選取45m通信角鋼塔為例，基本風(fēng)壓為0.65KN/ m2，地面粗糙度為B類(lèi)。本塔體共設(shè)4層平臺(tái)，分別置于塔段①-④。每層平臺(tái)安裝6副天線和6個(gè)RRU，且每副天線面積不大于0.6m2，每個(gè)RRU面積不大于0.2m2。本結(jié)構(gòu)斜桿全部為剛性斜桿。將角鋼塔分為八段，從塔頂至塔底依次為①-⑧段（如圖1）。

二、角鋼塔的簡(jiǎn)化計(jì)算

塔架的靜力計(jì)算方法主要包括空間法和平面法。平面法是將塔架結(jié)構(gòu)分解為幾個(gè)平面桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，這樣忽略了桿件間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大。空間法分為空間桁架法與空間剛架法。空間桁架法又分為簡(jiǎn)化的空間桁架法、分層空間桁架法以及整體空間桁架法，主要區(qū)別就是假定不同[3]。其中，分層空間桁架法計(jì)算精度相對(duì)較高。這里先對(duì)角鋼塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后將分層空間桁架法運(yùn)用到通信角鋼塔的靜力計(jì)算中。

2.1角鋼塔的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

分層空間桁架法是針對(duì)高聳塔架結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算方法。楊更新[2]利用最常見(jiàn)的塔架結(jié)構(gòu)形式對(duì)分層空間桁架法進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)，并給出了K型與交叉型斜桿的塔架結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算公式。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)通信角鋼塔結(jié)構(gòu)而言，它并不是完全由K型塔架與交叉型塔架結(jié)構(gòu)組成。通信角鋼塔的主桿與斜桿之間通常會(huì)有許多輔助桿做連接，屬于再分式結(jié)構(gòu)[4]。

在對(duì)角鋼塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，需要將所有輔桿去掉，主要原因在于：

（1）對(duì)于通信角鋼塔，設(shè)置輔桿主要是從穩(wěn)定性角度去考慮。因?yàn)榻卿摶剞D(zhuǎn)半徑小，采用單角鋼構(gòu)件必須考慮其構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的限值。

由公式1可知，構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比λ與計(jì)算長(zhǎng)度和構(gòu)件回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。由于角鋼回轉(zhuǎn)半徑很小[5]，所以需要減小計(jì)算長(zhǎng)度來(lái)控制長(zhǎng)細(xì)比。長(zhǎng)細(xì)比值越小，構(gòu)件越不容易失穩(wěn)。采用輔桿可以將主桿與斜桿的計(jì)算長(zhǎng)度下降到1/3-1/2[6]。因此，角鋼塔采用了再分式結(jié)構(gòu)，增加了許多輔助桿件。

（2）輔助桿會(huì)對(duì)被支撐桿提供一定的剛度，但并不只是單純的靠支撐桿來(lái)提供，而是主要靠主桿、斜桿以及橫桿等共同構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)起作用。桁架結(jié)構(gòu)能夠提供較大剛度是利用了三角形的幾何不可變特性。當(dāng)去除輔桿后，斜桿與橫桿及主桿構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)將提供主要?jiǎng)偠取Ｋ裕コo桿對(duì)角鋼塔整體剛度影響不大。同時(shí)，這里借助有限元驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)（如圖2和圖3）。 所以，輔桿對(duì)角鋼塔剛度的影響基本可以忽略不計(jì)。

（3）輔桿在角鋼塔結(jié)構(gòu)中提供一定的支撐力，但不是主要的承力構(gòu)件。由《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》可知：塔架結(jié)構(gòu)輔助桿件的承載力一般不低于主桿內(nèi)力的2%即可。因此，對(duì)于塔架結(jié)構(gòu)而言，輔助桿件并不是主要的受力構(gòu)件。

綜上，在對(duì)通信角鋼塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化時(shí)，可以將輔桿去除。同時(shí)，本文旨在于運(yùn)用分層空間桁架法對(duì)角鋼塔的安全性能進(jìn)行評(píng)估，而對(duì)于通信角鋼塔局部穩(wěn)定驗(yàn)算，文獻(xiàn)[7]中已經(jīng)給出了明確計(jì)算公式。所以，本文主要從強(qiáng)度與剛度方面對(duì)通信角鋼塔的安全性能進(jìn)行評(píng)估。

標(biāo)準(zhǔn)通信塔的塔身是由塔底、塔中和塔頂構(gòu)成。運(yùn)用分層空間桁架法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要將塔底（塔段⑦和⑧）簡(jiǎn)化為K型結(jié)構(gòu)，塔中（塔段⑤和⑥）和塔頂（塔段①、②、③和④）分別簡(jiǎn)化為二層和三層的交叉型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

2.2角鋼塔簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)將分層空間桁架法運(yùn)用到角鋼塔的靜力計(jì)算中，只考慮工況一（0°風(fēng)荷載），得到了各塔段的絕對(duì)位移。提取每層頂端位移，并與有限元中分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。（如圖4）

由圖4可知，簡(jiǎn)化計(jì)算與有限元分析得到的各層位移結(jié)果都基本一致，隨著塔段層數(shù)的增大，兩者結(jié)果相差逐漸增大，這主要是由于誤差累計(jì)造成。但各層絕對(duì)位移結(jié)果的相對(duì)誤差均小于5%，滿(mǎn)足工程允許誤差。角鋼塔的最大位移與應(yīng)力是對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估的重要指標(biāo)[8]。所以，需要將角鋼塔最大位移與應(yīng)力的簡(jiǎn)化計(jì)算與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

僅重力作用下底層主桿內(nèi)力：

全部載荷作用下底層主桿平均應(yīng)力：

由以上表1可知，簡(jiǎn)化計(jì)算的結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本一致。最大位移相對(duì)誤差為2.73%，平均應(yīng)力相對(duì)誤差為5.51%。

通過(guò)將分層空間桁架法運(yùn)用到不同高度角鋼塔的靜力計(jì)算中，并將計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本一致，產(chǎn)生誤差的主要原因是分層空間桁架法的基本假設(shè)與實(shí)際情況并不完全相符，但產(chǎn)生的誤差均在工程允許范圍內(nèi)。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)將分層空間桁架法運(yùn)用到45m通信角鋼塔靜力計(jì)算中，建立了結(jié)構(gòu)基本參數(shù)與角鋼塔位移、應(yīng)力之間的關(guān)系，得到了一種對(duì)角鋼塔安全性能的快速評(píng)估方法。同時(shí)，將簡(jiǎn)化計(jì)算與有限元分析所得的應(yīng)力與位移結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果基本一致，滿(mǎn)足工程允許誤差。所以，分層空間桁架法可以作為角鋼塔安全性能的快速評(píng)估方法。

參 考 文 獻(xiàn)

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