單管通信塔底部連接節點受力性能研究

郎金權

電聯工程技術股份有限公司 杭州310016

引言

目前，單管塔的塔身各段間連接主要通過法蘭及套接連接，法蘭連接方式計算理論相對成熟，規范［1，2］對此連接的計算方法做出了具體的規定。然而規范對塔身與基礎的連接（即塔身通過預埋在基礎內的地腳螺栓連接固定于基礎上）節點計算方法沒有明確的規定。本文通過Midas FEA數值模擬有限元軟件分析此類節點的受力特性，由于此類節點屬于接觸受力狀態，其為高度邊界非線性受力問題，只有通過有限元來模擬分析各部件（底法蘭、基礎、地腳螺栓及其螺母）間的受力狀態。通過分析結果確定底法蘭相對合理的旋轉軸，中性軸和截面旋轉軸并不重合，中性軸是底法蘭板拉、壓應力的分界線，就是底法蘭板上壓應力為零的位置的連線，而取用的截面旋轉軸則應是底法蘭板受壓區壓應力合力點的位置［3］。旋轉軸用來描述地腳螺栓以哪條幾何直線轉動，確定旋轉軸后才能通過公式計算地腳螺栓最大拉力，并采用現有規范［1，2］中對法蘭與加勁板強度計算公式進行分析驗算，確定單管塔底法蘭節點系統完整的實用驗算方法。

1 單管塔底法蘭節點連接種類

根據現場實際調查，目前單管塔底法蘭節點連接種類較多，主要可以分為三類。第一類底法蘭節點：有加勁板底法蘭、且進行二次填充澆注，如圖1所示；第二類底法蘭節點：有加勁板底法蘭、未進行二次填充澆注，如圖2所示；第三類底法蘭節點：無加勁板底法蘭、且進行二次填充澆注，如圖3所示。

圖1 第一類底法蘭節點Fig.1 Node diagram of the first type bottom flange

圖2 第二類底法蘭節點Fig.2 Node diagram of the second type bottom flange

2 單管塔底法蘭節點數值模擬

2.1 模型建立

本文采用Midas FEA有限元軟件對單管塔底法蘭節點進行建模分析，分析模型中包含基礎短柱、二次澆灌混凝土、地腳螺栓及螺母、底法蘭、加勁板和塔筒。本模型混凝土采用C35，鋼材采用Q345。基礎短柱直徑為1800mm，高度為2000mm；塔身鋼管直徑為1420mm，壁厚為10mm，高度為5000mm；底法蘭規格為-52×1400/1800mm，中心徑為1600mm；加勁板規格為-14×180×300，切角20mm；地腳螺栓為12-M52。分析時，在塔身頂部節點處施加2500 kN·m的節點彎矩。分析模型如圖4所示。

圖3 第三類底法蘭節點Fig.3 Node diagram of the third type bottom flange

圖4 底法蘭節點模型Fig.4 Node model diagram of the bottom flange

2.2 計算結果

各類節點加載條件（在塔身頂部節點處施加2500kN·m的彎矩值）一致，各類連接節點數值模擬分析結果如圖5～圖7所示。

3 數值模擬結果分析

圖5 第一類底法蘭節點應力分析結果（單位：N/mm2）Fig.5 Stress analysis results of the first type of bottom flange joints（unit：N/mm2）

單管塔以風控，風荷載直接影響塔體受彎矩值大小。對于第一類底法蘭節點而言，彎矩作用下底法蘭板底面與二次澆注區頂面相互接觸，在上受力過程中，形成拉壓兩個區域，受拉區剛度由地腳螺栓提供，受壓區剛度由法蘭板及其加勁板提供，該截面剛度不連續，受力復雜；對于第二類底法蘭節點而言，二次澆注區未填充高強度微膨脹細石混凝土，彎矩作用下底法蘭板底面與螺母接觸，在上受力過程中，形成拉壓兩個區域，受拉區剛度由地腳螺栓提供，受壓區剛度主要由地腳螺栓提供，該截面剛度不連續，受力復雜；對于第三類底法蘭節點而言，彎矩作用下底法蘭板底面與二次澆注區頂面相互接觸，在上受力過程中，形成拉壓兩個區域，受拉區剛度由地腳螺栓提供，受壓區剛度由法蘭板提供，該截面剛度不連續，受力復雜。第一類底法蘭節點與第三類底法蘭節點主要區別在于底法蘭的剛度大小，前者帶加勁板，法蘭剛度大，可以視為剛性法蘭，底法蘭板基本能保持平截面，受拉螺栓拉力大小與其至中性軸的位置呈線性關系。前者無加勁板，法蘭剛度小，可以視為柔性法蘭，底法蘭板基不能保持平截面。中性軸和截面旋轉軸并不重合，中性軸是底法蘭板拉、壓應力的分界線，就是底法蘭板上壓應力為零的位置的連線，而取用的截面旋轉軸則應是底法蘭板受壓區壓應力合力點的位置。

圖7 第三類底法蘭節點應力分析結果（單位：N/mm2）Fig.7 Stress analysis results of the third type of bottom flange joints（unit：N/mm2）

第一類底法蘭節點根據有限元分析結果，中性軸基本位于底法蘭幾何中心，這里采用迭代計算方法尋找受壓區合力作用點位置，使施加的外彎矩和地腳螺栓產生的拉力對受壓區合力點取距之和基本接近，此受壓區合力作用點位置即為旋轉軸的位置。具體各軸位置示意如圖8a所示。

第二類底法蘭節點根據有限元分析結果，中性軸基本位于底法蘭幾何中心，中性軸即為旋轉軸。由于有限元分析結果顯示應力集中較明顯，地腳螺栓等構件應力較大，所以采用1/3R為旋轉軸時，計算分析結果與有限元分析結果較吻合。具體各軸位置示意如圖8b所示。

第三類底法蘭節點根據有限元分析結果，中性軸基本位于底法蘭幾何中心，這里采用迭代計算方法尋找受壓區合力作用點位置，使施加的外彎矩和地腳螺栓產生的拉力對受壓區合力點取距之和基本接近，此受壓區合力作用點位置即為旋轉軸的位置。具體各軸位置示意如圖8b所示。

圖8 底法蘭節點中性軸、旋轉軸示意Fig.8 Schematic diagram of neutral axis and rotating axis of bottom flange node

從圖5～圖7可知地腳螺栓、法蘭及加勁板最大應力值（基本涵蓋99%的區域范圍值），具體數值見表1。

表1 各類節點分析結果（單位：N/mm2）Tab.1 Analysis results of various nodes（unit：N/mm2）

根據表1中確定的各類節點旋轉軸、規范［1］第5.9.2條公式5.9.2-2至5.9.2-4及規范［2］第5.4.3條公式5.4.3-1至5.4.3-2，加勁板承擔反力的比例系數α和彎矩計算系數mb按表2選取，各構件驗算結果見表3。

表2 α和mb系數Tab.2 αand mb coefficient

根據表3驗算結果表明，通過有限元分析確定的合理旋轉軸和現有規范［1，2］計算公式計算得到的各構件應力結果和有限元數值模擬分析的結果基本一致。

表3 各類節點驗算結果（單位：N/mm2）Tab.3 Checking calculation results of various nodes（unit：N/mm2）

4 結語

單管塔三類底法蘭節點受力性能可分別按2/3R、1/3R、1/3R處為旋轉軸，采用《高聳結構設計規范》（GB 50135—2019）計算確定地腳螺栓最大拉力，然后按《高聳結構設計規范》（GB 50135—2019）和《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》（YD/T 5131—2019）計算各構件的應力。