基于ANSYS Workbench的插接式管塔抗震性能分析

趙曉琪，楊啟志*,，赫明勝，華希俊，盧文建

基于ANSYS Workbench的插接式管塔抗震性能分析

趙曉琪1，楊啟志*,1，赫明勝1，華希俊2，盧文建3

（1.江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；3.江蘇北洋通訊有限公司，江蘇 泰州 225300）

通訊管塔的使用安全問題對移動通信事業至關重要。目前對于大型通信鐵塔抗震性能的研究尚較少，對插接式管塔的分析則更少。本文以江蘇某地所使用的移動內爬插接景觀塔（金輪）為研究對象，采用SolidWorks建立該插接式管的三維模型，結合有限元分析軟件ANSYS Workbench對該單插接式管塔抗震性能進行分析。得到了該單管塔在8級地震下的方向位移云圖與應力響應云圖，其中塔頂最大位移434 mm，小于高聳結構水平位移的極限值；單管塔在地震激勵下最大應力值為131 MPa，發生位置為單管塔底部，且最大應力值小于管塔材料的極限應力值450 MPa。本次研究分析證明了該單管塔的抗震可靠性，為管塔的優化與加強提供參考依據。

插接式；單管塔；抗震性能；有限元；ANSYS Workbench

隨著我國互聯網金融、電子商務等快速的發展，我國已成為世界上最大的移動終端式網絡購物、網絡支付國家，其對網絡信號的質量及數據傳輸速度等提出了越來越高的要求。其中，通信鐵塔是構建網絡，建設信息傳遞通路的極其重要組成部分，是承擔數字、模擬等信號在發射過程、接收過程以及傳輸過程中所需要的通信設備的唯一的載體[1]。為保證信號質量與設備安全，通訊管塔的剛度與強度在大風、地震、雪災等極端天氣情況下，必須滿足相應的安全性能要求。插接式單管塔結構為一根下大上小、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[2]，對管塔頂部安裝設備通信的穩定性與整個單管塔的安全性有很大的影響。所以，單管塔的抗震性能分析至關重要。

針對通信管塔的抗震性能，張永偉等[3]采用ANSYS Workbench對某通信角鋼塔進行地震響應譜分析，得到等效應力和方向位移云圖，證明在地震激勵下，發射塔滿足抗震強度要求。為確定通信單管塔在地震載荷作用下結構設計的安全性。孫國良[4]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，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并綜合分析計算結果評估通信單管塔的抗震性能。沈忠明等[5]對幾種典型移動通信塔桅的地震作用進行計算，通過與風荷載的計算結果進行比較，得出地震作用對通信塔桅的影響，為設計和規范編制提供參考。毛晨曦等[6]評估了不同高度的四方塔、法蘭連接式單管塔等通信鐵塔的抗震性能，為通信系統地震中災害的評估和預測提供了參考。趙玉明等[7]通過數值模擬的方式分析了高聳通信塔在強震作用下的動力特點。

可見目前對于大型通信鐵塔的研究尚且較少，有限的研究基本集中于對角鋼塔和法蘭連接式管塔在受風載狀況下的性能研究。而插接式管塔是近幾年快速發展起來的一種新型通信管塔技術，對其抗震性能分析的研究還不成熟。針對插接式單管塔的抗震性能的研究問題，本文以江蘇省某地所使用的移動內爬插接景觀塔（金輪）為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Response spectrum模塊進行必要的模態分析，再采用響應譜分析法對通信塔結構進行抗震性能分析。Response spectrum是一種計算模型應力的分析技術，它能將模態分析結果與已知頻譜緊密聯系起來，對模型進行模擬仿真，得到單管塔在地震作用下的位移云圖與應力響應云圖[7-8]。

1 單管塔模型建立

1.1 單管塔

圖1為單管塔結構示意圖，該移動內爬插接景觀塔（金輪）塔身部分由5段塔身插接而成，塔身截面為正多邊形，邊數為18，單管塔總高45 m。在塔身頂部安裝有5 m高的避雷針，塔身高度44.5 m與38.5 m處均安裝有金輪，除此之外還有抱桿、天線、內爬梯等安裝在單管塔的相應位置。該通信管塔為滿足使用要求，需要在每根抱桿上安裝一根天線，每根天線質量約為15 kg，其迎風面積不超過0.5 m2。另外，每根天線需另配置一臺RRu（Remote Radio Unit，射頻拉遠單元）設備，每臺質量約為15 kg，迎風面積0.15 m2。本鐵塔管身采用ASTM A572 Gr65鋼板，其余鋼材（不含螺栓）均采用Q235B鋼，該單管塔總重量約12277 kg。每段塔身的參數如表1所示。

圖1 單管塔結構示意圖

單管塔上安裝的金輪、天線支架、天線、內爬梯等部件的質量如表2所示，為了使建模與分析計算簡單化但仿真結果貼近真實情況，可以省去這些部件模型的建立，分析時保留添加這些質量。

表1 管塔塔身參數

表2 管塔其余部件質量

1.2 單管塔模型的建立及簡化

首先根據二維圖紙利用SolidWorks建立該單管塔的三維模型，而后為了使劃分網格簡單、減少計算消耗的時間、保證計算的準確性，因此在將模型導入ANSYS之前，在不影響仿真結果的基礎上要先對模型進行簡化，去除倒角、圓角、安裝孔等小特征[9]。導入ANSYS之后，將抱桿、天線及RRu設備以質量點的方式添加在單管塔的相應位置。對管塔材料性能進行設置，其中ASTM A572 Gr65鋼板的彈性模量為2.06 GPa、泊松比為0.26、密度為7850 kg/m3，Q235B鋼的彈性模量為2.11 GPa、泊松比為0.28、密度為7850 kg/m3。完成材料各屬性的設置之后對比模型質量與實際單管塔質量，再將質量差以質量點方式添加到單管塔的重心位置，使模型質量與單管塔實際質量一致，以提高仿真分析結果的準確性。添加質量點的ANSYS三維仿真模型如圖2所示。

將管塔材料與質量點均設置好之后，利用ANSYS對整個結構進行網格劃分。經過多種劃分方式的對比，最終選擇自動劃分網絡的方法，獲得節點數為198116個、單元數為96970個，主要為四邊形tet10單元。劃分網格時，畸變量為0.86、正交質量參數為0.25，都在接受范圍內。該單管塔的有限元網格劃分圖如圖3所示。

圖2 添加質量點ANSYS模型

圖3 有限元網格劃分

2 分析過程

ANSYS Workbench軟件可以選用不同的模塊組合進行結構靜力學分析、動力學分析、非線性分析、熱分析等。本研究選用Response spectrum模塊進行單管塔的抗震性能分析的過程如圖4所示。

將SolidWorks中建好的單管塔模型導入ANSYS中，進行材料、連接方式及質量點的設置與添加。利用ANSYS軟件進行地震響應譜分析之前，必須先利用Modal模塊對單管塔的模態振型進行分析，為抗震性能分析做準備。

圖4 抗震性能分析過程

3 單管塔抗震性能分析

地震作用與一般載荷作用不同，其作用方向是隨機的，與地面加速度大小、持續時間和強度都有一定關系，除此之外還與結構的動力特征（阻尼、自振頻率等）有密切關系，所以其動力特征十分復雜，確定地震載荷對單管塔得作用要比其他載荷得作用要復雜得多。且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GB 50135－2006《高聳結構設計規范》、YD/T 5131－2005《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》和GB 50011－2010《建筑抗震設計規范》中均規定可以通過有限元法確定通信單管塔結構的抗震性能[10-11]。所以需要利用ANSYS有限元分析軟件來仿真計算，以得到單管塔得抗震性能。

該通信單管塔與底法蘭盤焊接后通過地腳螺栓安裝在地面，當發生地震時，地震波直接作用在地腳螺栓與底法蘭盤上。在ANSYS仿真中，地震加速度載荷可以以不同的方向直接添加在單管塔底部來進行仿真分析。

3.1 地震載荷分析

地震時地面運動的加速度大小可以用地震烈度來表示，進行單管塔的抗震性能仿真時應該管塔將設計要求中的抗震烈度轉化為地面運動加速度進行加載仿真。在《建筑抗震設計規范》[10]中給出了地震影響系數曲線，在ANSYS仿真計算中需要加載的加速度響應譜數據可根據地震影響系數曲線圖確定[10]。

該插接式移動內爬單管塔的設計與安裝要求為：抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為8度，基本地震加速度值為0.2g，特征周期為0.3 s。依據地震影響系數曲線計算10個頻率點的結構加速度頻率響應譜，其值如表3所示。

表3 加速度頻率響應譜

3.2 模態分析

在進行地震響應譜分析之前，首先要利用ANSYS Workbench中modal模塊分析單管塔的模態振型和模態頻率。模態分析時不需要添加任何約束和外載荷，進行自由模態分析。仿真得到單管塔前6階模態的固有頻率幾乎為0，即此時單管塔為剛體模態，因此要提取前六階非零模態即第7～12階模態進行分析，得到該單管塔的各階模態頻率如表4所示，各階模態振型如圖5所示。

表4 通信塔前6階非零模態固有頻率

圖5 單管塔7～12階模態振型

由單管塔模態分析結果分析可知，在設計過程中要考慮使單管塔的自振周期遠離目標安裝場地的主振周期，避免地震時發生共振，加快單管塔的破損倒塌；且單管塔中部以上扭轉變形較為嚴重，而外掛通信設備多集中安裝在單管塔上部，所以要注意外掛設備安裝的穩定性，避免單管塔倒塌及設備損壞，造成嚴重的經濟損失。

3.3 地震響應譜分析

在模態分析之后，選用ANSYS軟件中的Response spectrum模塊對單管塔進行地震響應譜分析。在單管塔底部添加固定約束，按照表2分別從方向、方向和方向在單管塔底部進行加速度加載計算。

當施加方向的加速度載荷時，仿真得到單管塔塔頂的響應云圖如圖6所示，可知最大應力發生在單管塔的底部、約131.98 MPa，塔頂最大位移為434.08 mm。

當施加方向的加速度載荷時，仿真得到單管塔塔頂的響應云圖如圖7所示，可知最大應力發生在單管塔底部、約為95.184 MPa，塔頂最大位移為422.17 mm。

圖6 x方向地震作用下響應云圖

圖7 y方向地震作用下響應云圖

由分析可知，在單管塔底部水平方向和方向施加加速度載荷時，對單管塔的作用效果相似，受到的應力與塔頂發生的最大位移均沒有很大的差別；當在施加方向（即豎直方向）的加速度載荷時，該單管塔整體應力與位移較小，方向的加速度載荷對管塔的安全性能幾乎沒有影響，故在此不做特別說明。

根據《高聳結構設計規范》[11]，在外荷載作用下，高聳塔結構的水平位移，按非線性分析要小于總高的1/50，按線性分析要小于總高的1/75。經過計算得到該單管塔在外載荷作用下水平位移的極限值為666 mm，而該單管塔受地震載荷作用時其避雷針頂部最大位移約434 mm，小于規定的極限值，所以該單管塔剛度滿足要求；單管塔受到地震載荷時最大應力發生在單管塔底部進入口位置附近、約131 MPa，遠小于管塔材料的許用應力450 MPa，滿足強度要求，且安全系數較高。綜上所述，該移動內爬插接式單管塔在地震載荷作用下的安全性能符合相關規定的要求。

且根據位移響應云圖可以看到，從單管塔中上部即塔身2開始單管塔橫向位移發生較大的變化。而金輪、抱桿、天線等設備均集中于塔身2以上部位，會導致單管塔上部質量較大，在地震作用下發生大的位移。所以可以考慮加固塔身2附近的強度，如增加塔身1與塔身2之間的插接深度或增加加固結構，也可以在保證通信功能的前提下減小外掛設備的質量，來提高管塔的抗震性能。

4 小結

本文結合建模軟件SolidWorks與有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Response spectrum模塊對江蘇某地所使用的移動內爬插接景觀塔（金輪）的抗震性能進行分析。根據地震響應譜分析，得到的結論如下：

（1）通過對該插接式單管塔施加不同方向的地震加速度，分析可知與方向的應力響應與最大位移變化差別甚微，方向施加加速度載荷對管塔安全性能的影響不大；

（2）通過分析應力響應云圖可知，當受到地震載荷作用時，最大應力作用發生在管塔底部進入孔附近、為131 MPa，小于管塔材料的許用應力；

（3）通過分析方向位移云圖可知，在地震載荷的作用下，避雷針頂部位移最大，約為434 mm，小于高聳結構位移的極限值，故塔身整體的抗震性能符合相關規定要求；

（4）根據分析結果，該單管塔的強度較大易滿足安全性能的要求，而剛度較小，可以通過結構優化的方式，如添加加強筋或者其他加固結構，來提高該單管塔的剛度，以提高抗震性能。

通過對該插接式單管塔抗震性能的仿真分析，驗證了該插接式單管塔抗震性能符合相關規定的要求，同時可以為該管塔的結構優化提供依據，也為其他類似的插接式單管塔的抗震性能分析提供參考依據。

[1]李曉亮，孫國良，黃維學，汲書強. 淺析通信鐵塔的安全性及其安全性評估方法[J]. 數據通信，2013（5）：32-34

[2]穆宇亮，劉巧英，張博. 單管通信鐵塔結構基本自振周期分析及抗震應用[J]. 華北地震科學，2011，29（4）：58-60.

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[10]GB 50011－2010，建筑抗震設計規范[S].

[11]GB 50135－2006，高聳結構設計規范[S].

Anti-Seismic Analysis of Plug-In Tube Towers Based on ANSYS Workbench

ZHAO Xiaoqi1，YANG Qizhi1，HE Mingsheng1，HUA Xijun2，LU Wenjian3

(1.School of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 3.Jiangsu Beiyang Communications Co., Ltd., Taizhou 225300, China)

The safety of communication tower is very important to mobile communication. At present, there are few researches on large communication towers, especially on plug-in tubular towers. Therefore, this paper takes the mobile internal climbing plug-in landscape tower (Golden Wheel) in Jiangsu province as the research object, uses SolidWorks to establish the three-dimensional model of the plug-in pipe, and employs the finite element analysis software ANSYS Workbench to analyze the anti-seismic performance of the single pipe tower. Through the research, the direction displacement cloud map and stress response cloud map of the single tube tower under a 8 magnitude earthquake are obtained, and the maximum displacement of the tower top is 434mm, which is less than the limit value of the horizontal displacement of the high-rise structure, and the maximum stress value of the tube tower under the earthquake is 131 MPa, which occurs at the bottom of the tube tower, and it is less than the limit stress value of the tube tower material. This study proves the anti-seismic reliability of the plug-in tube tower, and provides reference for the optimization and strengthening of the tube tower.

plug-in；single-tube tower；anti-seismic performance；finite element；ANSYS Workbench

TH128

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.001

1006－0316 (2020) 11－0001－07

2020－06－24

國家自然基金（51675239）；泰州市科技支撐計劃（TG201806）；泰州市“雙創計劃－企業創新人才”項目

趙曉琪（1995－），女，山西晉中人，碩士研究生，主要從事農業機械裝備設計與研究，E-mail：1145193547@qq.com。*通信作者：楊啟志（1974－），男，江蘇徐州人，工學博士，教授，主要研究方向為農業機器人、移栽種植機械和機電一體裝備，E-mail：yangqz@ujs.edu.cn。