钢结构支撑塔风荷载数值仿真分析*

徐兴盛，邵 将，康 鹏，朱 晨

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 机械设计中心，山东 青岛 266107)

风荷载是建筑结构的最主要环境荷载之一，建筑结构的抗风研究一直是结构工程领域中的热点。每年有多起因为强风作用导致铁塔、桥梁、房屋等结构损坏、倒塌的事故发生。因此在结构设计时必须考虑结构的抗风验算，国内外的科研人员对此进行了大量的研究工作，提出了很多有关的计算方法。其中，文献[1]针对现有的桥梁静风稳定分析方法中存在的问题，提出了增量与内外两重迭代相结合的新方法。文献[2]在分析了单目标等效风荷载不足和局限性的基础上，提出了一种新的多目标等效风荷载计算方法。文献[3]采用数值模拟方法研究500 kV超高压输电线路在随机风荷载作用下的风偏问题。

钢结构支撑塔具有强度高、自重轻、运输方便等优点，因此大量应用于工程实际中。本文以实际工程为例，采用有限元法分析一款支撑塔在设计要求条件下的受力情况。

1 工程概况

在实际工程中，某型号钢结构支撑塔是由3节相同的钢结构立柱架设而成。单节钢立柱尺寸如图1所示，钢立柱由n76×5钢管和n25圆钢2种材料焊接而成，单节立柱的高度为3 575 mm，n76×5钢管的中心宽度为800 mm。支撑杆中的材料参数见表1。在支撑塔的顶部安装有天线设备，天线设备在风荷载的作用下会产生载荷。分析该支撑塔的受力情况，一方面支撑塔受到天线设备的作用，包括天线设备的自重G0、天线设备的风荷载F0及风载产生的弯矩M0；另一方面支撑塔受自身的重力G和自身的风载F。根据支撑塔和天线设备的受力分析，为保证支撑塔满足天线设备的架设，钢结构支撑塔应满足的设计要求如下：1)支撑塔的承载质量不小于500 kg；2)在16级风载作用下，支撑塔顶部承受侧向力300 kg和弯矩2 kN·m而不发生破坏；3)在条件16级风载作用下，支撑塔顶部偏移不大于25 mm。

2 构建仿真模型

根据支撑塔结构的特征尺寸参数，建立支撑塔的仿真分析模型。钢管和圆钢(力学参数见表1)结构都考虑选用BEAM188梁单元。定义钢管的截面尺寸：外径76 mm，内径66 mm；圆钢的截面尺寸：

表1 主要材料力学参数

直径25 mm。钢管和圆钢的材质均为钢Q345，它们的弹性模量E为210 GPa，泊松比υ为0.3，取材料的安全系数S=1.5，则许用应力为230 MPa。单节钢立柱的质量为463 kg。将天线设备简化为一个刚体，以500 kg质点的形式施加在支撑塔的顶部。仿真分析模型进行有限元网格划分，可获得2 572个节点和1 412个单元。

根据设计要求，将支撑塔结构分为如下2种工况进行研究。

工况1为支撑塔仅受到重力作用，其边界约束条件如下：支撑塔底部固定；自重加速度为g。

工况2为支撑塔受到重力和风载的双重作用，其边界约束条件如下：支撑塔底部固定；自重加速度为g；支撑塔顶部施加侧向力300 kg和弯矩2 kN·m；支撑塔本身受到16级风荷载。

3 仿真结果与讨论

3.1 风荷载计算

查询参考文献，有关风载论述和研究的文献[4-10]较多，对于不同研究问题，研究人员提出多种可计算风载的方法。本文根据文献[11]确定，作用在结构单位面积上的风荷载应按下式计算：

ωk=βzμsμzω0

(1)

式中，ωk是作用在结构单位面积上的风荷载；ω0是基本风压；μz是风压高度变化系数；μs是风荷载体型系数；βz是风振系数。

风荷载为

F=ωkAk

(2)

式中，Ak是结构的迎风面积。

计算风向为0°、30°和45°时(见图2)支撑塔的16级风载值，具体值见表2。

表2 16级风荷载的计算值

3.2 结果讨论

在工况1中，如上文所述支撑塔结构模型仅受自重加速度g的作用，计算支撑塔在工况1下的受力，图3所示为支撑塔在工况1下的变形和应力云图。从图3中可以看出，在工况1下支撑塔的最大变形和最大应力分别为0.09 mm和4.3 MPa，它们的数值远远小于结构的设计要求。因此支撑塔的刚度和强度满足设计要求。

在工况2中，支撑塔结构模型受到重力和风载的双重作用，为研究不同风向对结构受力产生的影响，下面将工况2分为如下3种情况：1)工况2-1(风向角度为0°)；2)工况2-2(风向角度为30°)；3)工况2-3(风向角度为45°)。风向角度如图2所示。图4、图5和图6分别为支撑塔在上述3种工况下计算的变形和应力云图。

图4a、图5a和图6a分别为支撑塔在上述3种工况下的变形云图，可以看出，这3种工况中支撑塔的最大变形分别为18.4、21.2和17.0 mm，比较发现3个数值之间的差距不大，且均小于设计要求的最大偏移25 mm。

图4b、图5b和图6b分别为支撑塔在上述3种工况下的应力云图。可以看出，在这3种工况中支撑塔整体呈现应力较小的状态，仅在一些局部出现较大的应力，其中3种工况的最大应力位置均出现在第一节钢立柱的圆钢处；3种工况中支撑塔的最大应力分别为137.1、172.3和102.1 MPa，均小于材料的许用应力230 MPa。比较发现，3个应力最大值之间存在一定的差距，工况2-2的数值要大于工况2-1和工况2-2，从中可以看出，不同的风向对结构的应力是有一定影响的，这是因为风向的改变一方面造成迎风面积的改变，另一方面导致结构的截面刚度发生变化。本节所述支撑塔的刚度和强度满足设计要求，不会在16级风载作用下产生破坏。

比较工况1和工况2可知，工况2产生的应力和变形要远大于工况1，因此不难看出风荷载对支撑塔的影响要远远大于自重产生的影响，因此在工程中对风荷载进行分析研究是必要的。

4 结语

本文以实际工程中的钢结构支撑塔为分析对象，采用有限元法进行支撑杆结构的抗风分析。通过对结构的强度和刚度进行分析计算，结果说明该支撑塔结构的设计是合理可行的，能很好地满足结构设计要求。后期可依据分析方法对支撑塔进行优化设计，在降低结构应力水平的同时减轻结构质量，提高整体性能。