高耸通信铁塔的地震动力响应分析
2015-11-17赵玉明王丽卢玉林
赵玉明+王丽+卢玉林
摘 要： 通过数值模拟的方式分析了高耸通信塔在强震作用下的动力特点，根据平台和信号器设置的数量，在塔顶施加等效荷载来模拟通信设备及平台自重的影响。结果表明，避雷针与塔身连接位置主要以拉应力为主，容易断裂。配重下的塔体应力延时程变化略大于无配重结果，而最大水平位移因重力二阶效应要远大于无配重结果。配重区域位移应力都较大，是主塔的薄弱环节。在抗震分析时，应更好地选择附带配重的铁塔作为计算依据是保证结构安全的重要条件。
关键词： 通信塔； 地震反应； 数值模拟； 地震波
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）16?0016?04
Analysis on seismic dynamic response of high communication tower
ZHAO Yuming1， WANG Li2， LU Yulin2
（ 1. Institute of Mine Construction Tiandi Science & Technology Co.， Ltd， Beijing 100013， China；
2. Department of Disaster Prevention Engineering， Institute of Disaster Prevention， Yanjiao 605201， China）
Abstract： The seismic response characteristic of communication tower is analyzed by numerical simulation. The influence of the communication equipment and platform dead?weight was simulated by imposing the equivalent load on the tower top according to the platform and annunciator quantity. The numerical simulation results show that the tensile stress is the main force at the junction of lightning rod and tower and this position is easily ruptured， the stress delay of the tower with counterweight is slightly larger than that with no counterweight， and the maximum horizontal displacement are larger due to the gravity second?order effect. The communication tower weak link is located at the counterweight area， that means the counterweight of the tower should be chosen carefully as the computed basis in the seismic analysis to ensure the construe safety.
Keywords： communication tower； seismic response； numerical simulation； seismic wave
通信铁塔是电信系统的重要组成部分，汶川、玉树等震害经验表明信号塔的运行与否直接关乎通信系统的畅通。历史震害经验证明虽然通信塔具有良好的抗震性能，但个别高塔及顶部的通信设备易受到较大的破坏。按照《电力设施抗震设计规范》（GB50260?96）规定，铁塔在Ⅷ度及以下可不进行抗震验算，但对于超过50 m的高耸铁塔而言，顶部通常附属有上人平台和一定数量的信号发射器，因此顶部铁塔质量一般较大，边梢效应会造成顶部产生大变形，出现破坏[1?4]。
在传统的通信铁塔分析中，通常只考虑主塔的动力性能，即塔身在地震作用下的力学行为，而往往忽略顶部通信设备和上人平台自重对铁塔动力性能的影响，这样的计算结果往往比实际值受力，在一定程度上会影响对塔体安全性的研判。铁塔顶部集中了较大的质量是受平台自身所用钢材和通信设备数量的影响，这一部分的配重往往造成铁塔呈现“头重脚轻”的结构受力特点，因此分析带有顶部含有配重质量的铁塔就显得尤为重要。本文通过数值模拟的方式，分析华北地区典型四角高耸铁塔（高度大于50 m）在强震作用下的反应，并对比考虑在设备、平台自重与无配重塔架自身条件下的应力、位移场变化，从而分析不同烈度区铁塔的动力性能和薄弱环节，为铁塔的抗震设计分析提供基础。
1 计算模型及方法
1.1 通信塔计算模型
通信塔模型采用华北地区常用的设计型号，由塔架、平台、塔梯、支架及避雷针等组成，塔身所用的型钢、圆钢和板材均采用Q235B型，如图1所示。根据设计资料，平台自重一般为500 kg，单支天线支架及天线总重量一般在50 kg左右，根据顶部附属天线数量，可计算其配重大小。鉴于强震分析的重要性，计算采用空间桁梁混合模型，即塔身主材和横隔材视为梁单元，斜材视为杆单元，同时还考虑了梁受剪切变形的影响，使得结构的刚度对自振周期和频率的贡献与实际相符[2]。根据塔身材料分为6个计算区段，除主材之外，塔身截面每区段内设置斜撑杆保证主塔整体稳定性，且斜撑之间采用铰接方式连接，三维有限元模型如图2所示。最终离散的有限单元总数为20 880，节点总数为20 630个，钢塔底部采用全固结方式处理。endprint
1.2 理论计算依据
在分析铁塔的动力性能时，采用时程分析可以较好的反应主塔在地震作用过程中的力学行为，能够研判铁塔位移场随时间的变化过程。根据铁塔模型，在计算区段内可将其视为多自由的振动体系[5?6]，塔身的6段划分可为计算提供简化手段，将主塔模型视为弹性结构，系统的运动方程可表示为式（1）：
[MX（t）+CX（t）+KX（t）=-Mu（t）] （1）
式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；X（t）为位移向量；u（t）为地面加速度向量；t为时间。
在时间增量Δt内，可将C，K视为不变的常数矩阵，则动力方程可以表示为增量形式如式（2）所示，可通过Newmark?b法求解动力方程[7?8]：
[MX（t）i+CiX（t）i+KiX（t）i=-Mu（t）i] （2）
1.3 数值模拟方法
以有限元数值模拟为基础，借助ANSYS软件通过时程分析完成主塔的地震模拟。地震动以实际记录的天津波为依据，提取最大波动的4 s范围作为计算时程，离散的波动曲线如图3所示。
采用时程分析时，在塔底部施加地震波，考虑塔基为刚性基础，根据地震波的影响将水平与竖直方向的加速度比可按照1∶0.8进行调整施加，以保证铁塔动力计算的可靠性[4]。计算程序中平台围护铁板及天线支架并未建立实体模型，通过在主塔平台和顶部位置施加等效集中荷载来模拟平台和通信设备自重的影响。
图3 地震波时程曲线
2 计算结果
2.1 高耸铁塔动力特点
图4是不同时刻铁塔的水平位移云图，可以看出在平台及塔顶都是大位移出现的区域。顶部的避雷针是独立杆件结构，末梢效应造成塔尖变形大，主塔底部为全约束方式所以变形最小。顶部避雷针在水平地震作用下产生最大位移变形，是塔身整体最为脆弱的位置，与历史震害中顶部避雷针的脱落相吻合，所以在考虑抗震时，应加强避雷针与主塔的构造连接措施。
图4 不同时刻水平位移变化
图5（a）是铁塔水平位移随加速度变化的时程分布，可以看出振动时刻的2 s之前位移基本随加速度变化成正比关系，但是在最大加速度发生后，位移与加速度关系变得复杂。特别是在振动后期，位移瞬间值高于最大加速度所对应的位移，出现了整个时程中的最大水平位移，这主要是因为铁塔随加速度绝对值增加而导致惯性增加，当加速度峰值过后，因惯性作用造成塔尖水平摆动剧烈，造成后期位移偏大。也正是基于惯性作用，避雷针与塔身接触的位置主要呈现以拉应力为主的分布特点，从而间接的表明主塔在地震作用下以受弯变形为主，见图5（b）所示。
图5 加速度、位移与避雷针应力分布
2.2 有无配重铁塔动力比较
图6是在实际地震波作用下，有无配重的铁塔应力、位移数值结果比较。无配重塔身的最大工作应力为175.4 MPa，位移是137.5 mm；配重下的铁塔最大工作应力为177.4 MPa，位移是151.3 mm。两者之间最大应力值近似，但最大位移值相差13.8 mm，这是因为顶部加载配重后，因重力二阶效应造成顶部位移变大。在地震动的前期可以看出配重下的铁塔自身应力稳定，而没有配重的主塔随时程应力变化明显，这是因为顶部附加的信号器配重在小波动下有利于高耸结构的稳定。塔身应力在附加配重后，主压应力有所提高，是因为塔身在地震作用下形成“拉弯”的叠合变形，压应力自然有所增加。通过时程分析还可以看出波动前期有配重铁塔应力的变化过程要比无配重条件下大很多，两者最大应力相差68.15 MPa。虽然两者的最大工作应力都小于钢材的屈服应力，但不难发现不考虑配重的铁塔在抗震计算方面是不全面的，因为与配重铁塔相比，其在初始的振动阶段应力偏小，这不能完整反映塔身的动力性能。在抗震分析过程中应优先考虑带配重铁塔的问题，以便更好的分析铁塔的薄弱环节。
图6 应力、位移对比
图7 高度区应力、位移对比
时程分析中输入的实际地震波可以模拟Ⅷ度以下铁塔的动力特点，对于高烈度区域需按照折减系数的原则进行推算。根据抗震设计规范要求，Ⅸ度设计基本地震加速度值为0.4 g，而天津波东西方向最大水平地震加速度为3 348 mm/s，所以理论计算结果应比实际地震波结果大。将实际地震波与Ⅷ度设防条件下的位移，应力进行比较，推算不同烈度区域下的铁塔动力特点，结果如图7所示，高烈度地区应力和位移都成线性增大。因此综合考虑，选取配重的铁塔应力计算模型是较为合理的，其计算结果是偏于安全的。经计算Ⅸ度下最大应力是207.6 MPa，位移为177.3 mm。对比不同烈度区，将有无配重的铁塔的最大位移和最大应力提取出，见表1。
表1 配重下的最大应力和位移
3 结 语
考虑平台配重和通信设备自重影响的铁塔，其应力、位移都要比无配重下的铁塔结果大，这就说明抗震设计时选取附带配重的通信塔模型是相对合理的，计算结果也将是偏于安全的。两种计算模型的应力、位移随时程都出现了震荡性变化，最大工作应力基本接近，但应力幅度变化较大。受顶部配重的影响，配重铁塔初始阶段应力要远大于无配重结果，其应力差接近于70 MPa。位移也因顶部配重的二阶效应比无配重位移增大近10%。另外，避雷针因大变形而需强化与塔身的连接。对于高烈度地区特别是Ⅹ度以上地区，规范还未给出基本地震加速度与设防烈度的关系，这一部分的铁塔应力还未深入分析，如何估算铁塔的动力性能是目前抗震计算的难点，也是后续的重点工作。
参考文献
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