單管通信塔脈沖型地震動強度參數研究

李波 李曉飛 王志江

摘要：以一典型的30 m高薄壁單管通信塔為研究對象，從太平洋地震工程研究中心（PEER）地震動數據中心選取50條近斷層脈沖型地震動組成脈沖型地震動集。選取幅值參數、頻譜參數、持時參數和能量參數4大類共14個地震動強度參數進行對比分析，從有效性和充分性兩個維度得到在脈沖型地震動作用下最優地震動強度參數。結果表明：在同時考慮有效性和充分性的前提下，對于薄壁式單管通信塔，在脈沖型地震動作用下，地震動強度參數最優的是結構基本周期對應的譜加速度Sa（T1）和有效峰值加速度EPA。該結論可為薄壁式單管塔動力時程分析時選擇最優地震動強度參數提供理論依據。

關鍵詞：單管通信塔；脈沖型地震動；地震動強度參數；有效性；充分性

中圖分類號：R315.9?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2023）02-0291-09

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0029

0 引言

通信系統是生命線工程系統的重要組成部分，截至2015年底，中國大陸移動通信用戶數量已經達到13.06億（阮左正等，2017），相應的基站通信鐵塔數量及其覆蓋范圍也急劇增大。作為通信天線的主要支撐體，通信鐵塔的運行與否直接關系到整個通信系統的暢通。2018年四川汶川8.0級地震、2013年蘆山7.0級地震以及2015年尼泊爾8.1級地震等震害調查均表明（《汶川特大地震抗震救災志》編纂委員會，2015；劉愛文等，2012；劉金龍等，2013，2016），由于通信鐵塔的破壞導致局部地區震后與外界通信聯系中斷，使救援工作不能及時有效地開展，從而造成巨大的人員傷亡和財產損失。

選取天然地震動對工程結構進行動力時程分析是結構抗震性能研究的主要手段之一，研究結果表明（Pan et al，2021；Tian et al，2017，2018；Amiri，Massah，2007），結構類型不同、地震動特性不同，適用于結構抗震性能研究的地震動強度參數（Intensity Measure，簡稱IM）也不同。對于格構式鐵塔來說，比如輸電塔和通信塔，目前，動力時程分析采用的地震強度參數主要有峰值加速度（PGA）（Pan et al，2021）、峰值速度（PGV）（Tian et al，2017）、結構基本周期對應的譜加速度Sa（T1）（Tian et al，2017；Amiri，Massah，2007）等。薄壁式的單管塔由于占地面積小、易于裝飾成和環境相協調的造型，在市區較常見，但是對其進行地震作用下的動力響應分析時，應選取哪些最優地震動強度參數還鮮有研究，目前主要是借鑒房屋結構或者格構式鐵塔取PGA或者Sa（T1）的研究居多，但其合理性還有待驗證。

在理論研究和工程實踐中，地震動強度一般由地震動強度參數進行量化表征，其中標量型參數主要包括幅值參數、頻譜參數、持時參數和能量參數等（來慶輝等，2020；Baker，2006；吳文朋等，2020）。采用恰當的地震動參數來調整天然地震動，并選用合適的結構動力響應指標來評估結構損傷，有利于減少結構動力時程分析計算結果的離散性，提高計算效率。因此，選用合理的地震動參數對結構動力響應分析至關重要。另外，與普通地震動相比，近斷層脈沖型地震動常有較寬的反應譜敏感區，由于其在短時間內會對結構產生很高的能量輸入，故這類地震動對工程結構的潛在破壞力通常會更大（戴靠山等，2020；徐亞洲等，2020）。

本文選取《通信塔標準圖集》（Q/ZTT 1002—2015）中的典型薄壁式單管通信塔為分析模型，50條近斷層脈沖型地震動組成脈沖型地震動集。從幅值參數、頻譜參數、持時參數和能量參數4個方面選取14個地震動強度參數進行對比分析，從有效性和充分性兩個維度得到在脈沖型地震動作用下最優地震動強度參數，以期為薄壁式單管塔動力時程分析時選擇最優地震動強度參數提供參考。

1 脈沖型地震動選取

近年來，與場地和地震斷層之間相對位置密切相關的近場脈沖型地震動越來越受到結構工程領域學者的關注，近斷層脈沖型地震動由于其主要能量發生在相對比較集中的時域或頻域段，被普遍認為是導致各類工程結構產生嚴重破壞的關鍵因素。

Zhai 等（2018）提出了一種簡單有效的脈沖型地震動定量識別方法。該方法主要基于脈沖型地震動的固有特征，引入了有效速度半周期的概念，然后提出確定速度脈沖的一個有效指標——脈沖能量比EP，并根據有效速度半周數將地面運動分為幾種類型，并為每種類型確定相應的EP閾值。本文依據該方法從PEER地震動數據中心選取50條近斷層脈沖型地震動組成脈沖型地震動集，并采用貝葉斯云分析法（Bayesian cloud analysis）（Jalayer et al，2015）對結構進行分析。本文研究所選脈沖型地震動基本參數見表1，其地震動震級統計分布情況如圖1所示。

2 地震動強度參數的選取

合理的地震動強度參數IM是預測結構響應和評估結構地震功能可恢復能力的重要基礎，應反映結構地震響應指標或損傷指標。地震動強度參數的選取一方面要做到全面性，涵蓋地震動三要素（幅值參數、頻譜參數和持時參數），以及能量參數（來慶輝等，2020；Lai et al，2022；Baker，2006；Kazantzi，Vamvatsikos，2015），另一方面，應盡可能挑選物理意義明確、應用范圍廣、在地震工程中出現頻次較高且有代表性的參數。本文所選取地震動強度參數不含矢量型參數，表2列出有代表性的地震動參數。

3 計算模型

3.1 單管塔概況及有限元模型

為了使分析對象具有代表性，本文從中國鐵塔公司制定的《通信鐵塔標準圖集》中選取30 m高的薄壁式單管通信塔作為結構原型，采用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，如圖2所示。塔壁為Q345型鋼，采用殼單元模擬，殼單元網格劃分大小根據整體尺寸比例取0.58，阻尼比取2%。由于結構型鋼的材料為非線性，根據理想彈塑性假定，材料屈服準則采用Von Mises準則，材料本構選用雙折線本構模型，力學參數詳見表3。塔頂端天線平臺、避雷針以及各段螺栓、爬梯等作為集中荷載附加施加在各段水平節點處，單管塔底部固結。

3.2 模型驗證

有限元模型的合理性直接關系到分析結果的可靠性，為了驗證所建模型的合理性，筆者在黑龍江省哈爾濱市選取一個依據《通信鐵塔標準圖集》設計的30 m高單管通信塔（圖3a）進行基頻測試。該鐵塔基礎采用樁基且土質較硬，可近似等價于底部固定約束，在28 m高度處有一個天線支架，將三向加速度傳感器布置在該高度?？紤]到通信塔高度和供電條件等原因，需要得到兩個水平方向和豎向的相關數據，儀器主要選取HCF400-A1型加速度儀，采樣頻率為100 Hz，對測試塔采3段數據，每段數據采樣1 min，測得塔在環境激勵下的加速度時如圖3b所示，共有3組數據，第一組和第二組為互為垂直的兩個水平方向的振動數據，第三組為塔的豎向振動數據。通過傅立葉變換得到頻譜曲線如圖3c所示。根據基本頻率和第一周期之間的轉換關系，得到原型結構和有限元模型基本周期見表4。前三階模態質量參與系數分別為33.4%、33.4%和25.5%（自振頻率分別為0.765 Hz、0.765 Hz和3.698 Hz），合計為92.3%，振型模態如圖4所示。有限元模型和原型結構基本周期的差值在10%以內，表明本文基于ABAQUS軟件建立的單管通信塔有限元模型是合理可靠的。

3.3 結構響應

單管通信塔的作用在于支撐通信天線進行區域范圍內信號的接收和傳遞，地震作用下單管塔的動力響應主要由自身塔頂相對于塔底水平向相對位移角（Top Drift Ratio，簡稱TDR）來衡量。另外，單管塔作為高聳型鋼結構，在水平地震作用下，塔頂加速度放大效應較大，而通信天線和塔頂平臺主要通過螺栓連接，塔頂放大之后的加速度將對連接的螺栓產生較大的動力響應，所以塔頂加速度放大系數（Acceleration Amplification Factor，簡稱AAF）也是重要的結構動力響應需求參數，故本文選用TDR和AAF作為工程需求參數（Engineering Demand Parameter，簡稱EDP）。本文所選取的單管塔在單向脈沖型地震動作用下的結構動力響應見表5。

4 地震動強度參數可靠性分析

4.1 有效性分析

IM參數的有效性是指在某一地震動強度條件下，工程結構需求參數的離散性相對較小，在不降低計算精度的前提下，可減少估計條件概率P（EDPIM），并且可一定程度減少分析所需的地震動記錄數量和動力時程分析工況。通常地震動強度參數的有效性通過條件對數標準差β來判別，有效性是用來衡量一個IM參數優越性最核心的指標（Hossein et al，2015）。

工程結構地震響應指標與地震動強度之間近似滿足對數關系（來慶輝等，2020；Baker，2006），表示為：

ln（EDP）=ln（a）+bln（IMi）（1）

式（1）滿足一元線性回歸模型，可采用最小二乘原理對獲得的n個散點（IMi，EDPi）進行回歸分析，進而獲得ln（IMi） 和ln（EDP）的經驗回歸直線，并得到條件對數標準差為：

βln（EDP｜IMi）=∑［ln（EDP）-ln（a·IMbi）］2n-2（2）

對于任意一種IMi參數來說，條件對數標準差βln（EDP｜IMi）越小，則工程結構地震響應的離散性越小，表明該IMi參數有效性越高，反之則有效性越低（Baker，2006）。

結構在脈沖型地震動作用下，利用貝葉斯云分析方法計算得到待分析IM參數和結構動力響應（TDR和AAF）對應的條件對數標準差βln（EDP｜IMi）如圖5所示，可得出以下結論：

（1）AAF條件對數標準差結果為0.31～0.51，均值為0.39，而TDR條件對數標準差結果為0.26～0.65，均值為0.49，可知不同地震動強度參數對應的條件對數標準差要比TDR條件對數標準差離散性要小。

（2）從有效性的角度來看，對于TDR和AAF來說，都是幅值參數和頻譜參數的條件對數標準差最小，即在前文提到的4類IM參數中，對于薄壁式單管塔，幅值參數和頻譜參數要比持時參數和能量參數更有效。

（3）薄壁式單管塔動力時程分析IM參數最有效的前3個參數分別是Sa（T1）、EPA和PGA。

4.2 充分性分析

充分性是衡量一個IM參數獨立性的重要指標，它反映了IM參數與地震動信息參數（震級M）之間的相關性，在統計意義上一個充分的IM參數應該與地震動信息參數是相互獨立的（Hossein et al，2015；Padgett et al，2008）。如果需求殘差與地震信息參數之間不是統計相互獨立的，回歸分析的p值會小于給定的顯著水平（取0.05），就說明IM的充分性較差，如果p值越大，則IM的充分性越強（Yakhchalian，Amiri，2019）。IM參數關于地震震級的F檢驗（F-test）得到的p值如圖6所示。因為IM參數需同時滿足有效性和充分性條件，故在充分性分析時，只需重點關注最有效的幅值參數和頻譜參數即可，圖6的結果表明：

（1）不同IM參數對應的TDR條件對數標準差均超過充分性顯著水平限制。

（2）單管塔AAF條件對數標準差持時參數均小于0.05，表明持時參數和地震震級并非相互獨立，而其它的幅值參數、頻譜參數和能量參數對應的條件對數標準差均大于0.05，滿足相互獨立的條件。

（3）對最有效的幅值參數和頻譜參數進行單管TDR和AAF二者的充分性排序，最滿足充分性的前3個參數分別是Sa（T1）、EPA和PGV。

5 結論

本文以一典型的30 m高單管薄壁式通信塔為研究對象，基于貝葉斯云分析的方法，以地震動強度參數線性對數回歸擬合的方法，從有效性和充分性兩個維度來選取在脈沖型地震動作用下最優地震動強度參數，得出以下結論：

（1）從有效性的角度來看，對于薄壁式單管塔，鐵塔頂點水平位移角和塔頂加速度放大系數都是幅值參數和頻譜參數比持時參數和能量參數更有效。

（2）薄壁式單管塔動力時程分析潛在破壞勢參數最有效的前3個參數分別是Sa（T1）、EPA和PGA。

（3）對最有效的幅值參數和頻譜參數進行鐵塔頂點水平位移角和加速度放大系數二者的充分性排序，最滿足充分性的前3個參數分別是Sa（T1）、EPA和PGV。

綜上分析可知，在同時考慮有效性和充分性的前提下，對于薄壁式單管通信塔，在脈沖型地震動作用下，地震動強度參數最優的是Sa（T1）和EPA。需要說明的是，本文考慮的均為標量型地震動強度參數，在后續的研究中，可進一步對比討論矢量型地震動強度參數。

感謝江漢大學來慶輝博士對本文脈沖型地震動選取提供的理論指導和幫助！

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Study on Intensity Parameters of the Monopole Communication TowerSubjected to the Pulse-like Ground Motion

LI Bo1，LI Xiaofei1，WANG Zhijiang2

（1.School of Architecture Engineering，Binzhou University，Binzhou 256600，Shandong，China）

（2.Shandong Binzhou Urban Construction Group Co.Ltd.，Binzhou 256600，Shandong，China）

Abstract

The monopole communication tower is one of the main forms of the mobile communication tower.In this study，a typical 30-meter high monopole communication tower was taken as an example，and 50 pieces of near-fault，pulse-like ground motions were selected from the PEER Ground Motion Data Center to form a pulse-like ground motion set.A total of 14 ground motion parameters including amplitude parameters，spectrum parameters，duration parameters and energy parameters were selected for comparative analysis.The optimal ground motion intensity parameters of the monopole communication tower by the action of the pulse-like ground motion were selected in view of the effectiveness and sufficiency of the parameters.The results show that on the premise of effectiveness and sufficiency，for the monopole communication tower，the optimal intensity parameters are the spectral acceleration Sa（T1） corresponding to the basic period of the tower and the effective peak acceleration EPA.

Keywords：monopole communication tower；pulse-like ground motion；intensity parameters；effectiveness；sufficiency

收稿日期：2022-04-02.

基金項目：山東省自然科學基金面上項目（ZR2022ME209）；濱州學院實驗技術項目（BZXYSYXM202016）.

第一作者簡介：李 波（1988-），講師，主要從事通信系統地震災害模擬與預測研究.E-mail：libo20070025@126.com.

通訊作者簡介：李曉飛（1988-），副教授，博士，主要從事生命線系統抗震研究.E-mail：lxf2011iem@126.com.

李波，李曉飛，王志江.2023.單管通信塔脈沖型地震動強度參數研究［J］.地震研究，46（2）：291-299，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0029.