角钢通信塔抗震性能分析

史国富

(同济大学建筑设计研究院集团(有限)公司 上海200092)

引言

角钢通信塔作为一种常用塔型大量应用于通信基站建设,其高度通常在40m ～60m 之间以满足无线通信天线挂高的要求,少数高度可达80m。对于此类高耸结构,由于其轻柔、低阻尼的特性,以及天线、微波等附属物挡风面积较大的特点,控制设计荷载通常为风荷载。近年来结构抗震性能化设计理论逐渐得到应用,基于此理念,本文分析了不同水准地震作用下角钢通信塔的地震响应,得出各水准地震下结构的实际性能水准状态,以综合评判角钢通信塔结构的抗震性能,为该类型的通信塔结构抗震性能化设计提供参考。

1 角钢通信塔抗震、抗风分析地区的选取原则

本文拟通过一系列高度角钢通信塔进行抗风、抗震分析,综合评价此类塔型的抗震性能,并对该塔型的抗风与抗震性能进行对比分析,因此在中国地震动区划和基本风压表中筛选出抗震设防烈度最大与基本风压最小的地区,对于其他基本风压大而抗震设防烈度小的地区,本文的分析结果及结论可涵盖。在中国满足上述条件的地区见表1。

表1 抗震设防烈度最大与基本风压最小的地区[1,2]Tab.1 The area with the greatest earthquake intensity and the lowest basic wind pressure

基于上述基本条件,首先进行基本风压作用下角钢通信塔的抗风计算,确定结构构件规格。其次,基于结构抗风设计的结果分别进行在一定的场地条件、不同地震水准作用下的角钢通信塔抗震验算; 根据其结构抗震性能水准确定其所能达到的结构抗震性能目标,并对结构的抗风、抗震性能进行比较分析,以确定实际设计控制工况。

2 角钢通信塔分析参数及动力特性

2.1 角钢通信塔结构概况

选取40m ～80m 高度范围内的典型角钢通信塔,其几何参数及工艺参数见表2。

表2 角钢通信塔结构参数Tab.2 Structural parameters of angle steel communication towers

塔柱钢材材质采用Q345B,斜杆及横杆采用Q235B,主要连接螺栓采用6.8 级普通螺栓。整体塔架外形沿竖向高度逐渐收进,腹杆体系采用十字交叉体系,并采用再分式腹杆以减少杆件计算长度增强腹杆稳定性。

图1 角钢通信塔立面(单位： mm)Fig.1 Elevation view of angle steel communication towers(unit: mm)

2.2 基本分析参数

风荷载工况下基本分析参数: 根据《高耸结构设计规范》(GB50135 -2006)[3]之4.2.1 条规定当重现期为50 年时,风压代表值为基本风压w0,取值不得小于0.35kN/m2。故基本风压采用0.35kN/m2,地貌类别: B 类。风荷载工况考虑风向沿正塔面和45°对角线方向共两种工况。角钢通信塔风荷载主要由以下几部分组成: 塔体风荷载、平台风荷载、天线风荷载、馈线爬梯风荷载,各部分引起的风荷载分别叠加计算。由于覆冰荷载条件下风压采用0.15kN/m2[3],对于通信塔而言一般不起控制作用,本文不考虑此工况。

地震作用工况下基本分析参数: 抗震设防类别为丙类; 抗震设防烈度9 度,设计基本地震加速度值0.4g; 设计地震分组第三组,场地类别Ⅳ类。地震作用参数见表3,地震作用计算采用振型分解反应谱法计算。振型组合采用CQC 法,方向组合采用SRSS 法则。考虑到节点板、辅助杆件、爬梯、设备等自重影响,计算地震作用、自振特性时将塔身自重乘以相应放大系数,顶部平台、天线作为集中质量单元附加于相应位置。

表3 地震作用参数[2]Tab.3 Seismic parameters

2.3 计算模型及结构动力特性

角钢通信塔计算模型采用空间桁架模型[4,5],杆件节点连接为铰接,符合角钢塔架的实际受力特点。分析采用专业有限元软件SAP2000 进行空间建模整体分析,塔架杆件均采用梁单元,释放单元两端弯曲自由度使各杆件之间为铰接连接。

地震响应分析须以结构动力特性分析结果为依据,通过不同高度角钢通信塔模态分析可以看出铁塔刚度分布情况,进而判定铁塔的薄弱部位,提取前11 阶的自振周期和振型特点见表4,前8 阶振型见图2。

表4 各高度塔架结构自振周期(单位： s)Tab.4 Natural vibration period of the different height towers(unit: s)

图2 各阶振型Fig.2 Modal diagram of each order

3 风荷载作用下的内力分析

首先考虑风荷载工况,对风荷载作用下的结构进行内力分析,然后根据具体内力分析结果进行各高度塔架结构设计。

风荷载工况组合作用下,结构构件的承载力应符合[1]:

式中:γG为重力荷载分项系数,取1.2;SGk为重力荷载的效应;γL为考虑设计使用年限的荷载调整系数,取1.0;ΨQ为平台活荷载组合值系数,取0.7;γQ为平台活荷载分项系数,取1.4;Slk为平台活荷载标准值效应;Ψw风荷载的组合值系数,取1;γw为风荷载分项系数,取1.4;Swk为风荷载标准值的效应;Rd为构件承载力设计值。

在风荷载工况组合下,各高度角钢通信塔不同塔段的塔柱、斜杆有限元内力分析结果见图3。由图3 可见,相对于塔柱而言,斜杆内力均较小,通常由长细比控制。构件均采用《高耸结构设计规范》(GB50135 -2006)轴心受力构件公式进行强度、稳定计算,按满应力设计选取结构构件,在此基础上进行各水准地震作用下的抗震分析。

图3 风荷载工况组合下角钢通信塔结构内力Fig.3 Internal force of angle steel communication tower under wind load combination

4 地震作用下的内力分析及与风荷载作用下的内力比较

4.1 多遇地震作用

多遇地震作用下,荷载和地震作用基本组合的效应设计值应按式(2)确定[6]:

式中:SGE为重力荷载代表值的效应;γEh为水平地震作用分项系数,取1.3;SEhk为水平地震作用标准值的效应,尚应乘以相应的增大系数;γEv为竖向地震作用分项系数,取0.5;SEvk为竖向地震作用标准值的效应,尚应乘以相应的增大系数;Ψw为风荷载的组合值系数,取0.2;γRE为构件承载力抗震调整系数,取0.8。

4.2 设防烈度地震作用

设防烈度地震作用下,荷载和地震作用基本组合的效应设计值应按式(3)确定[6]:

式中:为水平地震作用标准值的效应,不需考虑增大系数;为竖向地震作用标准值的效应,不需考虑增大系数。

多遇地震作用下,各高度角钢通信塔不同塔段的塔柱、斜杆内力分析结果见图4。其内力分布与风荷载作用下的内力有着相似的变化规律。

从图5 可以看出各高度、各塔段塔柱和斜杆的内力比值均小于1,这表明多遇地震下杆件内力均小于风荷载工况,结构满足弹性设计要求,因此在多遇地震作用下角钢通信塔其抗震性能水准为第1 性能水准。

图4 多遇地震工况组合下角钢通信塔结构内力Fig.4 Internal force of angle steel communication tower under frequent earthquake

图5 多遇地震工况组合与风荷载工况组合角钢塔内力比值Fig.5 Internal force ratio of Angle steel tower in the case of frequent earthquake and wind load

设防烈度地震作用下,各高度角钢通信塔不同塔段之塔柱、斜杆内力分析结果见图6。

从图7 可以看出各高度、各塔段塔柱内力比值均小于1; 60m、70m、80m 通信塔最顶部一段斜杆的内力比值大于1,其比值在1.065 ～1.135 之间; 40m、50m 通信塔顶部三段斜杆内力比值大于1,其比值在1.061 ～1.177 之间。考虑到构件承载力抗震调整系数γRE为0.8,因此在设防烈度地震作用下角钢通信塔抗震承载力符合式(3),结构满足弹性设计要求,其抗震性能水准满足第2 性能水准。

图6 设防地震工况组合下角钢通信塔结构内力Fig.6 Internal force of Angle steel communication tower under fortification earthquake

图7 设防地震工况组合与风荷载工况组合角钢塔内力比值Fig.7 Internal force ratio of angle steel tower in the case of fortification earthquake and wind load

4.3 罕遇地震作用

罕遇地震作用下,对于第3 性能水准的结构,其荷载和地震作用基本组合的效应设计值应按式(4)确定[6]:

式中:Rk为截面承载力标准值,按材料强度标准值计算。

罕遇地震作用下,各高度角钢通信塔不同塔段之塔柱、斜杆内力分析结果见图8。

从图9 可以看出各高度、各塔段塔柱内力比值大多小于1,仅顶部1 ～2 段大于1,其最大值为1.096; 斜杆的内力比值最下塔段及顶部部分塔段大于1,其比值在1.008 ～1.365 之间; 考虑到构件钢材(Q235)强度标准值与设计值的比值为1.093。塔柱均满足式(4)的要求,部分斜杆略超,塔架设计中斜杆规格多为长细比所决定,具有一定的余量,故可认为罕遇地震作用下其抗震性能水准为第3 性能水准,部分构件轻微损坏,宏观破坏程度为轻度损坏。

图9 罕遇地震工况组合与风荷载工况组合角钢塔内力比值Fig.9 Internal force ratio of angle steel tower in the case of rare earthquake and wind load

5 结论与建议

1.在中国抗震设防防烈度最大与基本风压最小的地区,场地类别为Ⅳ类的条件下,满足抗风设计的角钢通信塔,其在多遇地震作用下结构的抗震性能满足第1 性能水准的要求,即结构处于弹性状态,结构完好无损坏; 在设防地震作用下抗震性能满足第2 性能水准的要求,即结构基本完好; 结构在罕遇地震作用下结构的抗震性能满足第3 性能水准的要求,即结构轻度损坏。综合判断结构的整体抗震性能目标可达B 级,具有较好的抗震性能。

2.从上述性能水准分析结果可知,塔柱均处于弹性状态,斜杆仅最下塔段及顶部部分塔段的内力在罕遇地震作用下超出风荷载工况较多,是抗震设计中较为薄弱的部位,在实际设计中予以注意。

3.在本文所述同等通信工艺条件下(平台、天线数量相同)且满足抗风设计的条件下,角钢通信塔必然满足B 级抗震性能目标。

4.如无特殊抗震性能要求,在实际设计实践中为简化设计工作提高设计效率,分析设计可以风荷载工况为主,可不考虑地震工况。

图8 罕遇地震工况组合下角钢通信塔结构内力Fig.8 Internal force of angle steel communication tower under rare earthquake