角鋼通信塔抗震性能分析

史國富

(同濟大學建筑設計研究院集團(有限)公司 上海200092)

引言

角鋼通信塔作為一種常用塔型大量應用于通信基站建設,其高度通常在40m ～60m 之間以滿足無線通信天線掛高的要求,少數高度可達80m。對于此類高聳結構,由于其輕柔、低阻尼的特性,以及天線、微波等附屬物擋風面積較大的特點,控制設計荷載通常為風荷載。近年來結構抗震性能化設計理論逐漸得到應用,基于此理念,本文分析了不同水準地震作用下角鋼通信塔的地震響應,得出各水準地震下結構的實際性能水準狀態,以綜合評判角鋼通信塔結構的抗震性能,為該類型的通信塔結構抗震性能化設計提供參考。

1 角鋼通信塔抗震、抗風分析地區的選取原則

本文擬通過一系列高度角鋼通信塔進行抗風、抗震分析,綜合評價此類塔型的抗震性能,并對該塔型的抗風與抗震性能進行對比分析,因此在中國地震動區劃和基本風壓表中篩選出抗震設防烈度最大與基本風壓最小的地區,對于其他基本風壓大而抗震設防烈度小的地區,本文的分析結果及結論可涵蓋。在中國滿足上述條件的地區見表1。

表1 抗震設防烈度最大與基本風壓最小的地區[1,2]Tab.1 The area with the greatest earthquake intensity and the lowest basic wind pressure

基于上述基本條件,首先進行基本風壓作用下角鋼通信塔的抗風計算,確定結構構件規格。其次,基于結構抗風設計的結果分別進行在一定的場地條件、不同地震水準作用下的角鋼通信塔抗震驗算; 根據其結構抗震性能水準確定其所能達到的結構抗震性能目標,并對結構的抗風、抗震性能進行比較分析,以確定實際設計控制工況。

2 角鋼通信塔分析參數及動力特性

2.1 角鋼通信塔結構概況

選取40m ～80m 高度范圍內的典型角鋼通信塔,其幾何參數及工藝參數見表2。

表2 角鋼通信塔結構參數Tab.2 Structural parameters of angle steel communication towers

塔柱鋼材材質采用Q345B,斜桿及橫桿采用Q235B,主要連接螺栓采用6.8 級普通螺栓。整體塔架外形沿豎向高度逐漸收進,腹桿體系采用十字交叉體系,并采用再分式腹桿以減少桿件計算長度增強腹桿穩定性。

圖1 角鋼通信塔立面(單位： mm)Fig.1 Elevation view of angle steel communication towers(unit: mm)

2.2 基本分析參數

風荷載工況下基本分析參數: 根據《高聳結構設計規范》(GB50135 -2006)[3]之4.2.1 條規定當重現期為50 年時,風壓代表值為基本風壓w0,取值不得小于0.35kN/m2。故基本風壓采用0.35kN/m2,地貌類別: B 類。風荷載工況考慮風向沿正塔面和45°對角線方向共兩種工況。角鋼通信塔風荷載主要由以下幾部分組成: 塔體風荷載、平臺風荷載、天線風荷載、饋線爬梯風荷載,各部分引起的風荷載分別疊加計算。由于覆冰荷載條件下風壓采用0.15kN/m2[3],對于通信塔而言一般不起控制作用,本文不考慮此工況。

地震作用工況下基本分析參數: 抗震設防類別為丙類; 抗震設防烈度9 度,設計基本地震加速度值0.4g; 設計地震分組第三組,場地類別Ⅳ類。地震作用參數見表3,地震作用計算采用振型分解反應譜法計算。振型組合采用CQC 法,方向組合采用SRSS 法則。考慮到節點板、輔助桿件、爬梯、設備等自重影響,計算地震作用、自振特性時將塔身自重乘以相應放大系數,頂部平臺、天線作為集中質量單元附加于相應位置。

表3 地震作用參數[2]Tab.3 Seismic parameters

2.3 計算模型及結構動力特性

角鋼通信塔計算模型采用空間桁架模型[4,5],桿件節點連接為鉸接,符合角鋼塔架的實際受力特點。分析采用專業有限元軟件SAP2000 進行空間建模整體分析,塔架桿件均采用梁單元,釋放單元兩端彎曲自由度使各桿件之間為鉸接連接。

地震響應分析須以結構動力特性分析結果為依據,通過不同高度角鋼通信塔模態分析可以看出鐵塔剛度分布情況,進而判定鐵塔的薄弱部位,提取前11 階的自振周期和振型特點見表4,前8 階振型見圖2。

表4 各高度塔架結構自振周期(單位： s)Tab.4 Natural vibration period of the different height towers(unit: s)

圖2 各階振型Fig.2 Modal diagram of each order

3 風荷載作用下的內力分析

首先考慮風荷載工況,對風荷載作用下的結構進行內力分析,然后根據具體內力分析結果進行各高度塔架結構設計。

風荷載工況組合作用下,結構構件的承載力應符合[1]:

式中:γG為重力荷載分項系數,取1.2;SGk為重力荷載的效應;γL為考慮設計使用年限的荷載調整系數,取1.0;ΨQ為平臺活荷載組合值系數,取0.7;γQ為平臺活荷載分項系數,取1.4;Slk為平臺活荷載標準值效應;Ψw風荷載的組合值系數,取1;γw為風荷載分項系數,取1.4;Swk為風荷載標準值的效應;Rd為構件承載力設計值。

在風荷載工況組合下,各高度角鋼通信塔不同塔段的塔柱、斜桿有限元內力分析結果見圖3。由圖3 可見,相對于塔柱而言,斜桿內力均較小,通常由長細比控制。構件均采用《高聳結構設計規范》(GB50135 -2006)軸心受力構件公式進行強度、穩定計算,按滿應力設計選取結構構件,在此基礎上進行各水準地震作用下的抗震分析。

圖3 風荷載工況組合下角鋼通信塔結構內力Fig.3 Internal force of angle steel communication tower under wind load combination

4 地震作用下的內力分析及與風荷載作用下的內力比較

4.1 多遇地震作用

多遇地震作用下,荷載和地震作用基本組合的效應設計值應按式(2)確定[6]:

式中:SGE為重力荷載代表值的效應;γEh為水平地震作用分項系數,取1.3;SEhk為水平地震作用標準值的效應,尚應乘以相應的增大系數;γEv為豎向地震作用分項系數,取0.5;SEvk為豎向地震作用標準值的效應,尚應乘以相應的增大系數;Ψw為風荷載的組合值系數,取0.2;γRE為構件承載力抗震調整系數,取0.8。

4.2 設防烈度地震作用

設防烈度地震作用下,荷載和地震作用基本組合的效應設計值應按式(3)確定[6]:

式中:為水平地震作用標準值的效應,不需考慮增大系數;為豎向地震作用標準值的效應,不需考慮增大系數。

多遇地震作用下,各高度角鋼通信塔不同塔段的塔柱、斜桿內力分析結果見圖4。其內力分布與風荷載作用下的內力有著相似的變化規律。

從圖5 可以看出各高度、各塔段塔柱和斜桿的內力比值均小于1,這表明多遇地震下桿件內力均小于風荷載工況,結構滿足彈性設計要求,因此在多遇地震作用下角鋼通信塔其抗震性能水準為第1 性能水準。

圖4 多遇地震工況組合下角鋼通信塔結構內力Fig.4 Internal force of angle steel communication tower under frequent earthquake

圖5 多遇地震工況組合與風荷載工況組合角鋼塔內力比值Fig.5 Internal force ratio of Angle steel tower in the case of frequent earthquake and wind load

設防烈度地震作用下,各高度角鋼通信塔不同塔段之塔柱、斜桿內力分析結果見圖6。

從圖7 可以看出各高度、各塔段塔柱內力比值均小于1; 60m、70m、80m 通信塔最頂部一段斜桿的內力比值大于1,其比值在1.065 ～1.135 之間; 40m、50m 通信塔頂部三段斜桿內力比值大于1,其比值在1.061 ～1.177 之間。考慮到構件承載力抗震調整系數γRE為0.8,因此在設防烈度地震作用下角鋼通信塔抗震承載力符合式(3),結構滿足彈性設計要求,其抗震性能水準滿足第2 性能水準。

圖6 設防地震工況組合下角鋼通信塔結構內力Fig.6 Internal force of Angle steel communication tower under fortification earthquake

圖7 設防地震工況組合與風荷載工況組合角鋼塔內力比值Fig.7 Internal force ratio of angle steel tower in the case of fortification earthquake and wind load

4.3 罕遇地震作用

罕遇地震作用下,對于第3 性能水準的結構,其荷載和地震作用基本組合的效應設計值應按式(4)確定[6]:

式中:Rk為截面承載力標準值,按材料強度標準值計算。

罕遇地震作用下,各高度角鋼通信塔不同塔段之塔柱、斜桿內力分析結果見圖8。

從圖9 可以看出各高度、各塔段塔柱內力比值大多小于1,僅頂部1 ～2 段大于1,其最大值為1.096; 斜桿的內力比值最下塔段及頂部部分塔段大于1,其比值在1.008 ～1.365 之間; 考慮到構件鋼材(Q235)強度標準值與設計值的比值為1.093。塔柱均滿足式(4)的要求,部分斜桿略超,塔架設計中斜桿規格多為長細比所決定,具有一定的余量,故可認為罕遇地震作用下其抗震性能水準為第3 性能水準,部分構件輕微損壞,宏觀破壞程度為輕度損壞。

圖9 罕遇地震工況組合與風荷載工況組合角鋼塔內力比值Fig.9 Internal force ratio of angle steel tower in the case of rare earthquake and wind load

5 結論與建議

1.在中國抗震設防防烈度最大與基本風壓最小的地區,場地類別為Ⅳ類的條件下,滿足抗風設計的角鋼通信塔,其在多遇地震作用下結構的抗震性能滿足第1 性能水準的要求,即結構處于彈性狀態,結構完好無損壞; 在設防地震作用下抗震性能滿足第2 性能水準的要求,即結構基本完好; 結構在罕遇地震作用下結構的抗震性能滿足第3 性能水準的要求,即結構輕度損壞。綜合判斷結構的整體抗震性能目標可達B 級,具有較好的抗震性能。

2.從上述性能水準分析結果可知,塔柱均處于彈性狀態,斜桿僅最下塔段及頂部部分塔段的內力在罕遇地震作用下超出風荷載工況較多,是抗震設計中較為薄弱的部位,在實際設計中予以注意。

3.在本文所述同等通信工藝條件下(平臺、天線數量相同)且滿足抗風設計的條件下,角鋼通信塔必然滿足B 級抗震性能目標。

4.如無特殊抗震性能要求,在實際設計實踐中為簡化設計工作提高設計效率,分析設計可以風荷載工況為主,可不考慮地震工況。

圖8 罕遇地震工況組合下角鋼通信塔結構內力Fig.8 Internal force of angle steel communication tower under rare earthquake