不同覆冰厚度下通信鐵塔主桿應(yīng)力的分析研究

孫濤　艾鵬

摘要：通過(guò)有限元程序MIDAS GEN，對(duì)45m角鋼塔在不同覆冰厚度情況下的主桿應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，覆冰厚度與主桿應(yīng)力存在線性關(guān)系。對(duì)通信鐵塔覆冰狀態(tài)下的覆冰增大系數(shù)進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：MIDAS GEN；通信鐵塔；覆冰

中圖分類(lèi)號(hào)：TM75文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3024（2016）13-245-02

前言

通信鐵塔作為一種特殊的高聳結(jié)構(gòu)，具有高度高、重量輕、剛度小、外形細(xì)長(zhǎng)等特點(diǎn)。可能作用在通信鐵塔上的外部荷載有風(fēng)荷載、地震荷載、覆冰荷載、溫度效應(yīng)等等，其中風(fēng)荷載往往是其控制荷載，強(qiáng)風(fēng)對(duì)高聳結(jié)構(gòu)造成的破壞尤其嚴(yán)重。近年來(lái)，極端嚴(yán)寒天氣造成的災(zāi)害頻發(fā)，覆冰狀態(tài)下使得通信鐵塔的擋風(fēng)面積增加，使得作用在塔身上的風(fēng)荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了正常工作壞境中的風(fēng)荷載值，導(dǎo)致塔身因受水平荷載過(guò)大而破壞的風(fēng)險(xiǎn)增加。輸電塔、通信塔、電視塔、桅桿等高聳結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足而倒塌的事故屢有發(fā)生。所以對(duì)覆冰荷載下通信鐵塔受力性能進(jìn)行研究對(duì)于鐵塔設(shè)計(jì)的安全性有重要意義。

1.工程概況

某通信鐵塔實(shí)例：通信鐵塔采用正方形截面，塔總高47m，跟開(kāi)6m，總重19.10噸，基本風(fēng)壓O.75kN/m²，分別在塔段2與塔段3之間、塔段7與塔段8之間進(jìn)行兩次變坡處理。單線圖、塔體主材、斜材、次材材料型號(hào)等數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1

2.結(jié)構(gòu)分析

應(yīng)用有限元理論，用Midas Gen建立計(jì)算模型，模型中計(jì)算節(jié)點(diǎn)總數(shù)為369個(gè)，計(jì)算單元總數(shù)為916個(gè)。

根據(jù)風(fēng)壓計(jì)算公式，在通信鐵塔所處的地理位置以及基本結(jié)構(gòu)形式確定的情況下，迎風(fēng)面積是風(fēng)荷載作用力的主要參數(shù)。在覆冰狀態(tài)下，冰的厚度將引起通信鐵塔迎風(fēng)面積的增加，風(fēng)荷載對(duì)桿塔的作用也隨之增加。

覆冰厚度為Omm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm不同覆冰厚度下?lián)躏L(fēng)率的數(shù)據(jù)詳表1，分析內(nèi)容詳圖2（注：以下計(jì)算表格中寬度、長(zhǎng)度表示該塔段內(nèi)的桿件尺寸，單位為mm；面積單位為mmz）：

（1）鐵塔的覆冰厚度與其擋風(fēng)率為一次函數(shù)關(guān)系，擋風(fēng)率隨著覆冰厚度的增大而增大：

（2）相比鐵塔塔身，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面較小且相鄰間距較密，隨著覆冰厚度的增加，由覆冰引起的擋風(fēng)率的增長(zhǎng)率也比后者要高很多。因此鐵塔在選材上在滿(mǎn)足構(gòu)件設(shè)計(jì)強(qiáng)度的條件下，宜選用擋風(fēng)率相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)形式，不僅可以減小風(fēng)荷載對(duì)塔架結(jié)構(gòu)影響；另一方面，在覆冰條件下，也可最大限度地減小因覆冰引起的擋風(fēng)面積，從而減小風(fēng)荷載對(duì)塔架結(jié)構(gòu)作用力，提高塔架的安全性。

選取半剛性節(jié)點(diǎn)連接的鐵塔模型作為基本模型，將風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為作用在連接節(jié)點(diǎn)上的集中荷載，如圖3所示（圖中集中力為覆冰厚度5mm情況下的風(fēng)荷載值）：

通過(guò)Midas Gen進(jìn)行風(fēng)荷載單工況下的分析，分別得到8個(gè)塔段的主材在不同覆冰厚度情況下截面的最大壓應(yīng)力值與壓力值，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果詳圖4.1-圖4.8：

圖4.1-圖4.8反應(yīng)的是每個(gè)塔段在不同覆冰厚度條件下的壓力變化值，變量X的常數(shù)項(xiàng)可以理解為是在不同的風(fēng)荷載影響下各個(gè)塔段壓力值增加量的幅度——數(shù)值越大，壓力增加幅度也就越大。因此應(yīng)對(duì)主材的“安全系數(shù)”進(jìn)行包絡(luò)取值，避免因“安全系數(shù)”的不同而導(dǎo)致安全系數(shù)較小的主材提前失效。

3.結(jié)論及展望

通過(guò)對(duì)不同覆冰厚度下通信鐵塔整體受力分析對(duì)比可知：

（1）塔身的擋風(fēng)面積與覆冰的厚度呈線性關(guān)系：

（2）在鐵塔高度、塔腳跟開(kāi)、主次材型號(hào)等客觀條件不變的情況下，且僅考慮風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，忽略因覆冰重量引起的二階效應(yīng)，鐵塔的桿件應(yīng)力和風(fēng)荷載呈線性關(guān)系：

（3）隨風(fēng)荷載的增加，越接近地面的塔段的軸壓力曲線的斜率越大，即越接近地面的塔段隨風(fēng)荷載變化其內(nèi)力變化的敏感度越高。因此，在考慮有不確定因素引起的附加水平荷載的情況下，在對(duì)鐵塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及后期的安全復(fù)核過(guò)程中，對(duì)底部結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)加以重視。

《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“重覆冰區(qū)輸電高塔覆冰后風(fēng)荷載，按桿塔風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算時(shí)，應(yīng)乘以覆冰增大系數(shù)A=zo”。由于通信鐵塔和電力鐵塔荷載情況有很大差異，通信鐵塔直接采用輸電高塔的覆冰增大系數(shù)可能造成較大誤差。本文對(duì)通信鐵塔覆冰下的風(fēng)荷載及其效應(yīng)進(jìn)行了初步探討，后續(xù)可繼續(xù)研究，提出相對(duì)合理的通信鐵塔覆冰增大系數(shù)。