通信塔桅結構的單點脈動風時程模擬技術研究

摘要：通信塔通常具有較高的高度，這就決定了該結構受風荷載的作用十分明顯。塔身各點所承受的自然風可以分解成脈動風、平均風兩類，其中，平均風的作用和靜力作用相似，脈動風的作用則更接近于動力作用。由于脈動風速具有不可預估的特性，因此，需要提前模擬脈動風速給塔桅結構帶來的影響，為制訂項目設計方案提供依據。[A2] 結合實際項目，探討了模擬脈動風時程的方法。仿真模擬結果表明，諧波合成法所模擬的功率譜和對應目標譜的重合度較高，可以為修改行業標準、建設5G基站等工作提供便利。

關鍵詞：脈動風時程" 塔桅結構" 通信塔" 5G基站

Research on Single-Point Pulsating Wind Time History Simulation Technology for Communication Tower Mast Structure

XU Qiyuan

China Electronics Technology Putian Technology Co.， Ltd.， Anqing， Anhui Province， 246600 China

Abstract： Communication towers usually have a high height， which determines that the structure is significantly affected by wind loads. The natural wind borne by each point on the tower can be decomposed into two types： fluctuating wind and average wind. Among them， the effect of average wind is similar to static wind， while the effect of fluctuating wind is closer to dynamic wind. Due to the unpredictable nature of fluctuating wind speeds， it is necessary to simulate the impact of fluctuating wind speeds on tower and mast structures in advance to provide a basis for developing project design plans. Based on practical projects， the method of simulating pulsating wind time history was explored. The simulation results showed that the power spectrum simulated by the harmonic synthesis method had a high degree of coincidence with the corresponding target spectrum， which can provide convenience for modifying industry standards， constructing 5G base stations， and other work.

Key Words： Pulsating wind time; Tower and mast structure; Communication tower; 5G base station

通信塔結構具有自振周期長、高度高、對風敏感等特征，塔身極易受風荷載作用而出現側向位移、振動等情況，對風荷載做出的動力響應極為顯著。近幾年，由于強風作用發生變形、彎曲甚至倒塌問題的通信塔的數量有所增加，該問題不僅造成了嚴重的經濟損失，還給居民生活、企業生產帶來了不便。在此背景下，有關人員加大了對通信塔結構的研究力度，希望能夠盡快確定強化通信塔穩定性、抗風性的方案，使通信塔充分發揮作用。

1模擬脈動風時程的理論

在設計工程結構時，設計人員往往會用風壓表示風荷載。結合空氣動力學有關理論，可知風壓、風速密切相關。風壓由脈動風壓、平均風壓組成，其中，平均風壓由平均風速決定，脈動風壓則同時受平均風速、脈動風速影響[1]。對脈動風時程進行模擬的方法并不唯一，具體包括逆傅里葉變換、小波分析、線性濾波、諧波合成等，不同理論的原理往往存在顯著差異。

1.1 逆傅里葉變換

該方法的原理是基于頻域分析和時間域信號的轉換，對脈動風時程進行準確模擬。實際工作中，首先，要計算結構的固有頻率和阻尼比，結合塔桅結構的動力特性建模，獲取其在風力作用下的頻率響應特性。再通過風洞試驗或參考已有的脈動風力數據，確定脈動風速的頻譜信息。其次，使用快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）算法將頻譜分解成各個頻率分量，通過振幅和相位信息重構出對應的時間域信號，順利將信息從頻域轉換到時間域。為了確保模擬效果的準確性，工作人員還要對重構后的時程信號展開時域分析，觀察其在特定時間長度內的波動特性。最后，將信號寫入模型，根據有限元分析結果，評估其在實際風載下的動態響應，得到具體的位移、應力等反饋信息，通過反復迭代優化塔桅設計，提高其抗風性能。

1.2 小波分析

該方法強調通過對風速時程做一系列處理，明確其對塔桅結構的影響。若工作人員決定使用該方法完成模擬任務，則要按照順序完成以下幾項工作：通過氣象數據采集系統獲取特定環境下的風速時程數據；應用小波變換對數據進行分解，根據信號展示出的瞬時特征，提取出不同頻率成分，以便更好地分析瞬態脈動風的特性；選擇有良好的時間—頻率局部化特性的小波基函數，通過逆小波變換這一方式，將重要的頻率成分合成，重構加速度、位移等結構響應數據；利用滿足工作需求的數值模擬方法，將風力作用下的響應數據代入動力學方程，求解出結構的動態特性和穩定性，評估其抗風性能。上述工作結束后，繪制風速與塔桅響應之間的關系圖，識別關鍵的影響因素，為塔桅的設計與安全評估提供理論依據。事實證明，科學使用小波分析法，不僅可以提高分析的準確性，還能夠為復雜環境下的結構健康監測提供不同于以往的全新思路。

1.3 線性濾波

線性濾波法的基本原理是通過對風速信號做濾波處理，獲得結構在特定頻率范圍內的響應。實際操作時，首先，需要通過風洞實驗獲取具有典型性、代表性的風速時程信號；其次，將通過實驗獲取的風速信號視為輸入信號，結合實踐經驗與實際情況，設定合適的濾波器，并利用所設定濾波器對輸入信號進行一系列處理，提取對塔桅結構響應影響較大的頻率成分；再次，確定塔桅的材料屬性、幾何特征和邊界條件，據此建立相應的動力學模型，并設定合適的邊界條件和阻尼特性，將濾波后的信號與動力學模型結合，利用結構動力學理論分析風荷載對塔桅結構的影響，如塔桅在風載下的位移、速度與加速度響應；最后，將分析結果與設計規范對比，判斷結構是否具有符合要求的安全性和可靠性。

1.4 諧波合成

諧波合成是將風速信號分解為多個諧波成分，通過合成諧波來重構所需的風時程的方法。現階段，該方法的使用頻率有所增加，針對諧波合成制訂的工作方案也變得更加完善。實踐經驗表明，要想最大化實現該方法的價值，關鍵是要保證操作流程規范。首先，收集風速數據，并通過傅里葉變換將其分解為頻譜，提取主要的頻率成分和幅值信息。其次，選擇合適的頻率和幅值，利用諧波函數構建風速的數學模型，保證模擬的風速信號能夠反映實際情況。再次，按照規定將諧波成分相加，生成模擬的風速時程。最后，利用有限元分析，將合成的風速時程輸入到動力學模型中，通過結構響應分析有效捕捉風對塔桅的作用，準確預測塔桅在復雜風環境下的表現，從而優化設計和安全防范措施。

2模擬脈動風時程的必要性

雖然現有設計規范中涉及通信塔設計的內容較多，但多數設計規范均將風荷載與靜力荷載畫上等號。通信塔結構作為對風敏感、柔性較強的結構，有較大概率會因強風作用而損壞甚至倒塌，因此，要想保證設計方案合理，設計人員應全面落實分析結構動力響應的工作。模擬脈動風時程的意義主要體現在以下方面。

2.1提高結構安全性

正式投入運行的通信塔往往長時間暴露在各種風速和風向的環境中，模擬單點脈動風，可以幫助設計人員識別和分析結構在風載荷作用下可能出現的振動和響應特性，在設計階段優化塔桅的形狀、材料和連接方式，從而提高結構具有的抗風性能，減少受風影響帶來的潛在損壞風險，確保通信塔的長期穩定性和安全性[2]。

2.2保證經濟效益

正確的風載荷評估不僅能夠保證通信塔設計的合理性，避免過度設計帶來的資源浪費等問題，還能防范由于設計不足導致的潛在損失，使通信塔更具有經濟效益。施工方可以根據設計方提供的風載荷數據，對建材和施工工藝加以選擇，降低材料成本和施工時間，提高項目的盈利能力。此外，監測風對正常運行狀態的塔桅的影響，還能夠使運維人員及時發現潛在問題，通過采取恰當的維護和加固措施，延長通信塔的有效使用壽命，最終實現效益的最大化。

2.3實現智能化監測與管理

將模擬脈動風時程得到的數據、分析結果與智能監測系統結合，可以使實時監測塔桅的設想成為現實。其中，監測系統的作用主要是捕捉環境變化和風載荷變化對塔桅的影響，及時發出警報，指導維修和加固策略。此外，工作人員還可以利用機器學習和數據分析技術，處理積累歷史風載荷和結構響應數據，對未來的風載荷展開預測，實施更為高效的管理措施，在保障通信基礎設施整體安全性的前提下，為未來智慧城市的建設提供支持。

3模擬脈動風時程的方法討論

工作人員將某處具有代表性的風場作為模擬通信塔結構響應的算例，將作為脈動風速譜，確定脈動風速曲線特征后，基于進行編程，通過分析模擬譜，判斷模擬算例風場的操作是否能夠取得理想效果。

3.1項目概況

項目所配備單管塔的高度為40 m，支架分別設置在35 m和38 m處。其中，35 m處的支架配有3根迎風面積在0.8 m2以內的天線，38 m處的支架則配有6根迎風面積在0.6 m2以內的天線[3]。閱讀客戶所提供的項目資料，可知此通信塔的額定風為壓0.35 kN/m2，計劃使用50年，要求結構安全性達到二級水平，地面粗糙程度符合B類要求，抗震設防情況滿足丙類條件。在了解項目情況后，工作人員通過空間鋼結構專用計算機輔助設計（Computer-Aided Design，CAD）建立結構模型，模型以梁單元為主桿，包括天饋線、爬梯和螺栓在內的重要部件統一轉化成標準的質量點并直接作用于塔身，塔底則通過固接的方式連接[4]。在不考慮通信塔結構、下方土體間所存在相互作用的前提下，建模并剖析通信塔結構具有的動力特征，最終結果和實際情況基本一致。

3.2模擬風荷載

脈動風是典型的隨機動態作用，雖然隨機振動普遍具有無法重現的特性，但仍遵循一定的規律，因此，除極特殊情況外，都可以通過概率論對其進行統計并從中提取發生規律。本項目中，工作人員將開闊平坦區域距離地面10 m處的10 min平均風速最大值作為風壓系的標準，通過上文介紹的方法完成模擬風速的工作。考慮到按照順序模擬塔身各點所對應風速時程的做法難度極大，因此，工作人員決定將荷載規范提出的要求作為主要依據，在塔身各點中選擇距離地面10 m的點作為風場模擬的核心。10 m位置風速的平均值取16 m/s，模擬采樣間隔時間取0.01 s，頻率范圍對應等分數值取1 024（具體見表1），通過諧波疊加的方式，對10 m/s風速條件下通信塔距離地面10 m的實際風速時程加以模擬。

結合行業最新模擬理論、本項目的各項參數，不難看出，把節點設置成承受風荷載的核心作用點，在此基礎上，對能夠如實反映脈動風時程的曲線進行模擬的做法可行。本項目中，工作人員結合曲線對樣本表現出的統計學特征進行了檢驗，結果表明，目標譜、模擬譜在低頻區間存在微小誤差。鑒于此，日后再次開展模擬曲線、轉換脈動風速的工作時，可以有選擇性地忽略部分點的數據，避免瞬態效應的影響過于顯著，導致模擬譜無法和目標譜重合[5]。

4結論

通過研究，可以得出以下結論。（1）諧波合成模擬所得到的功率譜、目標譜的重合度較高，這表示諧波合成法可行，通過該方法模擬脈動風時程，能夠得到有實際意義的結果。（2）在基于諧波合成法對風場進行模擬時，應引入FFT、互譜密度矩陣，對三角函數進行疊加，這樣做能夠降低計算強度，使工作效率得到提高。（3）模擬脈動風得到的結果可以為日后研究脈動風荷載對高聳結構的影響、結構針對脈動風荷載所做出的響應夯實基礎，降低設計高聳結構工作的難度，助力行業快速發展。

參考文獻

[1]翟曉春.基于時域分析的風荷載計算及斜拉橋響應分析[J].西部交通科技，2024（6）：142-145.

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[3]王澤國，趙菲菲，吉春明，等.多排多跨柔性光伏支架的風致振動分析[J].武漢大學學報（工學版），2021，54（S2）：75-79.

[4]吳凡平，徐釗，劉志剛，等.山區峽谷地形風場下柔性接觸網風振特性研究[J].鐵道學報，2021，43（5）：47-61.

[5]劉言彬.通信塔桅結構的單點脈動風時程模擬[J].江蘇通信，2022，38（6）：121-124.