基于ANSYS Workbench的插接式管塔抗震性能分析

赵晓琪，杨启志*,，赫明胜，华希俊，卢文建

基于ANSYS Workbench的插接式管塔抗震性能分析

赵晓琪1，杨启志*,1，赫明胜1，华希俊2，卢文建3

（1.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；3.江苏北洋通讯有限公司，江苏 泰州 225300）

通讯管塔的使用安全问题对移动通信事业至关重要。目前对于大型通信铁塔抗震性能的研究尚较少，对插接式管塔的分析则更少。本文以江苏某地所使用的移动内爬插接景观塔（金轮）为研究对象，采用SolidWorks建立该插接式管的三维模型，结合有限元分析软件ANSYS Workbench对该单插接式管塔抗震性能进行分析。得到了该单管塔在8级地震下的方向位移云图与应力响应云图，其中塔顶最大位移434 mm，小于高耸结构水平位移的极限值；单管塔在地震激励下最大应力值为131 MPa，发生位置为单管塔底部，且最大应力值小于管塔材料的极限应力值450 MPa。本次研究分析证明了该单管塔的抗震可靠性，为管塔的优化与加强提供参考依据。

插接式；单管塔；抗震性能；有限元；ANSYS Workbench

随着我国互联网金融、电子商务等快速的发展，我国已成为世界上最大的移动终端式网络购物、网络支付国家，其对网络信号的质量及数据传输速度等提出了越来越高的要求。其中，通信铁塔是构建网络，建设信息传递通路的极其重要组成部分，是承担数字、模拟等信号在发射过程、接收过程以及传输过程中所需要的通信设备的唯一的载体[1]。为保证信号质量与设备安全，通讯管塔的刚度与强度在大风、地震、雪灾等极端天气情况下，必须满足相应的安全性能要求。插接式单管塔结构为一根下大上小、横截面渐变的悬臂钢管，结构的高度远大于其直径，属于典型的高耸结构，同时，单管通信塔的径厚比通常很大，属于薄壁壳体结构，在地震、风载荷等横向载荷的作用下，结构的侧向位移较大[2]，对管塔顶部安装设备通信的稳定性与整个单管塔的安全性有很大的影响。所以，单管塔的抗震性能分析至关重要。

针对通信管塔的抗震性能，张永伟等[3]采用ANSYS Workbench对某通信角钢塔进行地震响应谱分析，得到等效应力和方向位移云图，证明在地震激励下，发射塔满足抗震强度要求。为确定通信单管塔在地震载荷作用下结构设计的安全性。孙国良[4]选取典型的通信单管塔为研究对象，通过合理的结构简化建立有限元模型，通过静力分析法、振型分解反应谱法和非线性时程法分析计算结构的抗震性能并综合分析计算结果评估通信单管塔的抗震性能。沈忠明等[5]对几种典型移动通信塔桅的地震作用进行计算，通过与风荷载的计算结果进行比较，得出地震作用对通信塔桅的影响，为设计和规范编制提供参考。毛晨曦等[6]评估了不同高度的四方塔、法兰连接式单管塔等通信铁塔的抗震性能，为通信系统地震中灾害的评估和预测提供了参考。赵玉明等[7]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。

可见目前对于大型通信铁塔的研究尚且较少，有限的研究基本集中于对角钢塔和法兰连接式管塔在受风载状况下的性能研究。而插接式管塔是近几年快速发展起来的一种新型通信管塔技术，对其抗震性能分析的研究还不成熟。针对插接式单管塔的抗震性能的研究问题，本文以江苏省某地所使用的移动内爬插接景观塔（金轮）为研究对象，采用有限元分析软件ANSYS Workbench中的Response spectrum模块进行必要的模态分析，再采用响应谱分析法对通信塔结构进行抗震性能分析。Response spectrum是一种计算模型应力的分析技术，它能将模态分析结果与已知频谱紧密联系起来，对模型进行模拟仿真，得到单管塔在地震作用下的位移云图与应力响应云图[7-8]。

1 单管塔模型建立

1.1 单管塔

图1为单管塔结构示意图，该移动内爬插接景观塔（金轮）塔身部分由5段塔身插接而成，塔身截面为正多边形，边数为18，单管塔总高45 m。在塔身顶部安装有5 m高的避雷针，塔身高度44.5 m与38.5 m处均安装有金轮，除此之外还有抱杆、天线、内爬梯等安装在单管塔的相应位置。该通信管塔为满足使用要求，需要在每根抱杆上安装一根天线，每根天线质量约为15 kg，其迎风面积不超过0.5 m2。另外，每根天线需另配置一台RRu（Remote Radio Unit，射频拉远单元）设备，每台质量约为15 kg，迎风面积0.15 m2。本铁塔管身采用ASTM A572 Gr65钢板，其余钢材（不含螺栓）均采用Q235B钢，该单管塔总重量约12277 kg。每段塔身的参数如表1所示。

图1 单管塔结构示意图

单管塔上安装的金轮、天线支架、天线、内爬梯等部件的质量如表2所示，为了使建模与分析计算简单化但仿真结果贴近真实情况，可以省去这些部件模型的建立，分析时保留添加这些质量。

表1 管塔塔身参数

表2 管塔其余部件质量

1.2 单管塔模型的建立及简化

首先根据二维图纸利用SolidWorks建立该单管塔的三维模型，而后为了使划分网格简单、减少计算消耗的时间、保证计算的准确性，因此在将模型导入ANSYS之前，在不影响仿真结果的基础上要先对模型进行简化，去除倒角、圆角、安装孔等小特征[9]。导入ANSYS之后，将抱杆、天线及RRu设备以质量点的方式添加在单管塔的相应位置。对管塔材料性能进行设置，其中ASTM A572 Gr65钢板的弹性模量为2.06 GPa、泊松比为0.26、密度为7850 kg/m3，Q235B钢的弹性模量为2.11 GPa、泊松比为0.28、密度为7850 kg/m3。完成材料各属性的设置之后对比模型质量与实际单管塔质量，再将质量差以质量点方式添加到单管塔的重心位置，使模型质量与单管塔实际质量一致，以提高仿真分析结果的准确性。添加质量点的ANSYS三维仿真模型如图2所示。

将管塔材料与质量点均设置好之后，利用ANSYS对整个结构进行网格划分。经过多种划分方式的对比，最终选择自动划分网络的方法，获得节点数为198116个、单元数为96970个，主要为四边形tet10单元。划分网格时，畸变量为0.86、正交质量参数为0.25，都在接受范围内。该单管塔的有限元网格划分图如图3所示。

图2 添加质量点ANSYS模型

图3 有限元网格划分

2 分析过程

ANSYS Workbench软件可以选用不同的模块组合进行结构静力学分析、动力学分析、非线性分析、热分析等。本研究选用Response spectrum模块进行单管塔的抗震性能分析的过程如图4所示。

将SolidWorks中建好的单管塔模型导入ANSYS中，进行材料、连接方式及质量点的设置与添加。利用ANSYS软件进行地震响应谱分析之前，必须先利用Modal模块对单管塔的模态振型进行分析，为抗震性能分析做准备。

图4 抗震性能分析过程

3 单管塔抗震性能分析

地震作用与一般载荷作用不同，其作用方向是随机的，与地面加速度大小、持续时间和强度都有一定关系，除此之外还与结构的动力特征（阻尼、自振频率等）有密切关系，所以其动力特征十分复杂，确定地震载荷对单管塔得作用要比其他载荷得作用要复杂得多。且由于国内地震模拟振动台能力的限制，不能进行通信单管塔抗震性能原型的抗震性能试验，而GB 50135－2006《高耸结构设计规范》、YD/T 5131－2005《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》和GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》中均规定可以通过有限元法确定通信单管塔结构的抗震性能[10-11]。所以需要利用ANSYS有限元分析软件来仿真计算，以得到单管塔得抗震性能。

该通信单管塔与底法兰盘焊接后通过地脚螺栓安装在地面，当发生地震时，地震波直接作用在地脚螺栓与底法兰盘上。在ANSYS仿真中，地震加速度载荷可以以不同的方向直接添加在单管塔底部来进行仿真分析。

3.1 地震载荷分析

地震时地面运动的加速度大小可以用地震烈度来表示，进行单管塔的抗震性能仿真时应该管塔将设计要求中的抗震烈度转化为地面运动加速度进行加载仿真。在《建筑抗震设计规范》[10]中给出了地震影响系数曲线，在ANSYS仿真计算中需要加载的加速度响应谱数据可根据地震影响系数曲线图确定[10]。

该插接式移动内爬单管塔的设计与安装要求为：抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度，基本地震加速度值为0.2g，特征周期为0.3 s。依据地震影响系数曲线计算10个频率点的结构加速度频率响应谱，其值如表3所示。

表3 加速度频率响应谱

3.2 模态分析

在进行地震响应谱分析之前，首先要利用ANSYS Workbench中modal模块分析单管塔的模态振型和模态频率。模态分析时不需要添加任何约束和外载荷，进行自由模态分析。仿真得到单管塔前6阶模态的固有频率几乎为0，即此时单管塔为刚体模态，因此要提取前六阶非零模态即第7～12阶模态进行分析，得到该单管塔的各阶模态频率如表4所示，各阶模态振型如图5所示。

表4 通信塔前6阶非零模态固有频率

图5 单管塔7～12阶模态振型

由单管塔模态分析结果分析可知，在设计过程中要考虑使单管塔的自振周期远离目标安装场地的主振周期，避免地震时发生共振，加快单管塔的破损倒塌；且单管塔中部以上扭转变形较为严重，而外挂通信设备多集中安装在单管塔上部，所以要注意外挂设备安装的稳定性，避免单管塔倒塌及设备损坏，造成严重的经济损失。

3.3 地震响应谱分析

在模态分析之后，选用ANSYS软件中的Response spectrum模块对单管塔进行地震响应谱分析。在单管塔底部添加固定约束，按照表2分别从方向、方向和方向在单管塔底部进行加速度加载计算。

当施加方向的加速度载荷时，仿真得到单管塔塔顶的响应云图如图6所示，可知最大应力发生在单管塔的底部、约131.98 MPa，塔顶最大位移为434.08 mm。

当施加方向的加速度载荷时，仿真得到单管塔塔顶的响应云图如图7所示，可知最大应力发生在单管塔底部、约为95.184 MPa，塔顶最大位移为422.17 mm。

图6 x方向地震作用下响应云图

图7 y方向地震作用下响应云图

由分析可知，在单管塔底部水平方向和方向施加加速度载荷时，对单管塔的作用效果相似，受到的应力与塔顶发生的最大位移均没有很大的差别；当在施加方向（即竖直方向）的加速度载荷时，该单管塔整体应力与位移较小，方向的加速度载荷对管塔的安全性能几乎没有影响，故在此不做特别说明。

根据《高耸结构设计规范》[11]，在外荷载作用下，高耸塔结构的水平位移，按非线性分析要小于总高的1/50，按线性分析要小于总高的1/75。经过计算得到该单管塔在外载荷作用下水平位移的极限值为666 mm，而该单管塔受地震载荷作用时其避雷针顶部最大位移约434 mm，小于规定的极限值，所以该单管塔刚度满足要求；单管塔受到地震载荷时最大应力发生在单管塔底部进入口位置附近、约131 MPa，远小于管塔材料的许用应力450 MPa，满足强度要求，且安全系数较高。综上所述，该移动内爬插接式单管塔在地震载荷作用下的安全性能符合相关规定的要求。

且根据位移响应云图可以看到，从单管塔中上部即塔身2开始单管塔横向位移发生较大的变化。而金轮、抱杆、天线等设备均集中于塔身2以上部位，会导致单管塔上部质量较大，在地震作用下发生大的位移。所以可以考虑加固塔身2附近的强度，如增加塔身1与塔身2之间的插接深度或增加加固结构，也可以在保证通信功能的前提下减小外挂设备的质量，来提高管塔的抗震性能。

4 小结

本文结合建模软件SolidWorks与有限元分析软件ANSYS Workbench中的Response spectrum模块对江苏某地所使用的移动内爬插接景观塔（金轮）的抗震性能进行分析。根据地震响应谱分析，得到的结论如下：

（1）通过对该插接式单管塔施加不同方向的地震加速度，分析可知与方向的应力响应与最大位移变化差别甚微，方向施加加速度载荷对管塔安全性能的影响不大；

（2）通过分析应力响应云图可知，当受到地震载荷作用时，最大应力作用发生在管塔底部进入孔附近、为131 MPa，小于管塔材料的许用应力；

（3）通过分析方向位移云图可知，在地震载荷的作用下，避雷针顶部位移最大，约为434 mm，小于高耸结构位移的极限值，故塔身整体的抗震性能符合相关规定要求；

（4）根据分析结果，该单管塔的强度较大易满足安全性能的要求，而刚度较小，可以通过结构优化的方式，如添加加强筋或者其他加固结构，来提高该单管塔的刚度，以提高抗震性能。

通过对该插接式单管塔抗震性能的仿真分析，验证了该插接式单管塔抗震性能符合相关规定的要求，同时可以为该管塔的结构优化提供依据，也为其他类似的插接式单管塔的抗震性能分析提供参考依据。

[1]李晓亮，孙国良，黄维学，汲书强. 浅析通信铁塔的安全性及其安全性评估方法[J]. 数据通信，2013（5）：32-34

[2]穆宇亮，刘巧英，张博. 单管通信铁塔结构基本自振周期分析及抗震应用[J]. 华北地震科学，2011，29（4）：58-60.

[3]张永伟，康兴无. 基于ANSYS Workbench的某通信发射塔模态及地震响应谱分析[J]. 兵器装备工程学报，2016，37（11）： 83-86

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[7]赵玉明，王丽卢，玉林. 高耸通信铁塔的地震动力响应分析[J].现代电子术，2015，38（16）：16-19.

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[9]浦广益. ANSYS Workbench 基础教程和实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社，2013.

[10]GB 50011－2010，建筑抗震设计规范[S].

[11]GB 50135－2006，高耸结构设计规范[S].

Anti-Seismic Analysis of Plug-In Tube Towers Based on ANSYS Workbench

ZHAO Xiaoqi1，YANG Qizhi1，HE Mingsheng1，HUA Xijun2，LU Wenjian3

(1.School of Agricultural Equipment Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 3.Jiangsu Beiyang Communications Co., Ltd., Taizhou 225300, China)

The safety of communication tower is very important to mobile communication. At present, there are few researches on large communication towers, especially on plug-in tubular towers. Therefore, this paper takes the mobile internal climbing plug-in landscape tower (Golden Wheel) in Jiangsu province as the research object, uses SolidWorks to establish the three-dimensional model of the plug-in pipe, and employs the finite element analysis software ANSYS Workbench to analyze the anti-seismic performance of the single pipe tower. Through the research, the direction displacement cloud map and stress response cloud map of the single tube tower under a 8 magnitude earthquake are obtained, and the maximum displacement of the tower top is 434mm, which is less than the limit value of the horizontal displacement of the high-rise structure, and the maximum stress value of the tube tower under the earthquake is 131 MPa, which occurs at the bottom of the tube tower, and it is less than the limit stress value of the tube tower material. This study proves the anti-seismic reliability of the plug-in tube tower, and provides reference for the optimization and strengthening of the tube tower.

plug-in；single-tube tower；anti-seismic performance；finite element；ANSYS Workbench

TH128

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.001

1006－0316 (2020) 11－0001－07

2020－06－24

国家自然基金（51675239）；泰州市科技支撑计划（TG201806）；泰州市“双创计划－企业创新人才”项目

赵晓琪（1995－），女，山西晋中人，硕士研究生，主要从事农业机械装备设计与研究，E-mail：1145193547@qq.com。*通信作者：杨启志（1974－），男，江苏徐州人，工学博士，教授，主要研究方向为农业机器人、移栽种植机械和机电一体装备，E-mail：yangqz@ujs.edu.cn。