沙箱一體化塔框架基礎可靠性數值模擬研究

許 陽 吳 桐 王 進

(江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210019)

沙箱一體化塔框架基礎可靠性數值模擬研究

許 陽 吳 桐 王 進

(江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210019)

沙箱一體化塔在通信領域日漸普及，主要特點是其新穎的基礎形式，但是尚未有資料分析評價其基礎結構的可靠性。在對其框架基礎進行受力分析的基礎上，利用有限元分析軟件Midas Gen建立整體模型，得到所有桿件的應力結果，發現核心筒部位是其薄弱環節，并通過增加斜撐等方式對框架基礎進行了優化加強。

一體化塔,通信塔,框架基礎,數值模擬

0 引言

為滿足廣大用戶對通信質量的要求，使信號可以實現全方位、高質量的覆蓋，通信鐵塔的建設速度越來越快，并且，部分站點有后期二次搬遷、重復利用的要求，在此背景下，各類一體化塔應運而生。其中，由維蒙特工業(中國)有限公司設計生產的沙箱一體化塔憑借其施工快、造價低、可二次搬遷等優勢在全國范圍內逐漸推廣開來。此塔塔身為普通單管塔，基礎采用沙箱基礎，基礎形式具體為：型鋼桿件焊接成鋼框架，框架四周覆蓋鐵皮，內部灌注砂石填料。單管塔偏心放置，另一側可放置鐵甲機房。此塔從誕生到現在已有五六年時間，隨著推廣的深入使用數量越來越多，但工程界和學術界對其鋼框架基礎的可靠性始終存有疑慮。由于砂石填料沒有剛度，只起到配重的作用，塔身傳遞到基礎的塔腳力由鋼框架承擔，現有的型鋼桿件組合是否具有足夠的承載力來抵抗塔腳力這個關鍵問題一直未得到論證說明。由于鋼框架結構的桿件和節點較多，受力性能和傳力機制比較復雜，難以通過解析方程得到結果，因此，本文在對其框架基礎進行合理受力分析的基礎上，建立有限元分析模型，探究其結構設計是否安全可靠以及是否需要進一步優化。

1 有限元分析

本文以框架基礎原型為參數背景，以有限元分析軟件Midas Gen為工具，建立整體分析模型進行計算分析[1,2]。

1.1背景參數

沙箱一體化塔的基礎有兩種規格，如圖1所示，兩種規格的尺寸分別為6 m×4.6 m×1.1 m和6 m×6 m×1.1 m，由尺寸為6 m×2.3 m×1.1 m和6 m×1.4 m×1.1 m(長×寬×高)的標準化子單元框架通過螺栓連接而成。選擇兩種基礎規格的判斷標準是塔腳彎矩是否大于580 kN·m。鋼材為Q345，主材為L100×8，斜撐L75×5，框架為全焊接結構。

以尺寸為6 m×4.6 m×1.1 m的基礎框架為例，其由桿體單元和機房單元兩部分通過8.8級M24螺栓連接而成(見圖2)，桿體單元與單管塔連接，機房單元上方可放置鎧甲機房。對機房單元受力分析(見圖3)，螺栓群的拉力之和T與摩擦力f平衡，每個螺栓上的拉應力不足其抗拉強度設計值的10%，故認為左右兩部分可靠連接，變形協調，可當做整體來分析。

對基礎框架建立整體模型，由于所有桿件采用焊接連接，所以有限元模型采用梁單元，固結節點。

1.2邊界條件

實際情況中，框架基礎直接放置在地表或基坑中的混凝土墊層上，由式(1),式(2)可驗證其抗傾覆穩定性、抗滑移穩定性均滿足《塔房一體化技術要求(V1.0)》[3]的要求，因此基礎底面所有支座節點采用只受壓的點彈性支撐，約束部分支座節點的X,Y方向位移，避免發生剛體位移。

(1)

(2)

式中：G——塔房一體化結構自重標準值，kN,需考慮荷載分項系數0.9；

L——塔房一體化的重心到傾覆邊的距離,m；

Mk——風荷載或者地震荷載傳到配重體系底面的彎矩代表值，kN·m，取荷載分項系數為1.0的承載能力極限狀態下荷載效應的基本組合;

μ——配重體系底面對地基的摩擦系數，應根據現場試驗確定或經驗分析值;

Ph——風荷載或者地震荷載傳到配重體系底面的水平力代表值,kN，取荷載分項系數為1.0的承載能力極限狀態下荷載效應的基本組合。

1.3施加荷載

為實現單管塔與框架基礎之間的連接，在桿體單元中心處做一個局部加強的核心筒(見圖4a)和圖4b))，內置與單管塔底徑相同的桿體，桿體頂端通過法蘭盤與單管塔連接，桿身通過上、中、下三層16 mm厚的定位板與周圍豎向桿件焊接(見圖4c))，定位板四周設有加勁肋，防止定位板發生局部屈曲，可認為定位板將塔腳力有效傳遞給周圍桿件，因此在模型中，將桿體形心點與周圍桿件建立剛性約束，塔腳力作用在主節點上，以此模擬定位板對塔腳力的傳遞分散作用。風荷載考慮X方向和Y方向兩個荷載工況。

1.4有限元計算結果

有限元計算得到的應力包絡圖如圖5所示，最大應力值遠超過材料的強度設計值，最大應力比達到4.83。高應力桿件集中在基礎與單管塔連接的核心筒位置，此處是框架基礎的受力關鍵部位，既要有足夠的強度承擔塔腳力，又要有足夠的剛度將塔腳力傳遞給周圍桿件。從應力云圖看出，現有設計中的桿件承載力明顯不足，需要加強。

由圖6可知，最大應力出現在風荷載作用在Y方向時(沿長邊方向)，在Y方向上，與核心筒直接相連的桿件只有兩根水平桿，無法對核心筒提供足夠的側向支撐。

2 結構優化

通過有限元計算可知，核心筒處桿件的承載能力是制約框架基礎可靠性的關鍵因素，要使框架基礎滿足使用要求，需要對核心筒周圍的桿件進行優化加強。圖7是對核心筒桿件進行優化后的計算結果，優化手段是將構成核心筒的桿件由角鋼改為截面模量W更大的方管，增大周圍斜撐的截面，并增加短斜撐，以達到增強核心筒剛度的目的，使其可以將塔腳力傳遞給周圍桿件，使框架桿件受力趨向于均勻化。

3 結語

沙箱一體化塔的框架基礎存在嚴重的設計缺陷，主要問題在于核心筒設計過于薄弱。塔腳力直接作用于核心筒，但由于核心筒承載力不足會提前達到屈服，無法把塔腳力傳遞給周圍桿件。優化核心筒設計是提高整個框架基礎可靠性的關鍵，增加斜撐、改用截面模量更大的桿件是提高核心筒承載能力的有效方式。

[1] 王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學出版社,2003.

[2] 北京邁達斯技術有限公司.MIDAS GEN分析設計原理[R].北京:北京邁達斯技術有限公司,2010.

[3] Q/ZTT 1021—2016,塔房一體化技術要求(V1.0)[S].

Numericalsimulationoffoundationreliabilityofintegratedtower

XuYangWuTongWangJin

(JiangsuPosts&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210019,China)

The sandbox-integrated tower, characterized by its novel form, is increasingly popular in the field of communication. But there is no data available to evaluate the reliability of its foundation. Based on the force analysis of the frame foundation, this paper created an overall model, using the finite element analysis software Midas Gen. The stress results of all the struts are obtained. The results show that core-tube is the weak link, and increasing bracing and other methods are used to strengthen the frame foundation.

integrated tower, communication tower, frame foundation, numerical simulation

1009-6825(2017)29-0064-02

2017-08-05

許 陽(1990- )，女，碩士

TU323.5

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