標準通信三管塔倒塌安全性分析

高 山，李曉明，韓華杰（中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司，河北石家莊050000）

0 前言

通信鐵塔是信號發(fā)射、接收和傳輸設備的主要載體，是移動通信網(wǎng)完成信號覆蓋的重要基礎(chǔ)設施［1］。通信鐵塔作為一種典型的高聳結(jié)構(gòu)，其控制的設計荷載通常為水平荷載，主要包括風荷載和地震荷載。由于通信鐵塔屬于輕柔型結(jié)構(gòu)，其設計屬于鋼結(jié)構(gòu)設計的分支，對于地震的反應相對較小，當設防烈度較低時，通常是風荷載起控制作用［2-8］。

與建筑結(jié)構(gòu)不同，通信鐵塔在設計上具有相似性和重復性，并且設計量往往很大，因此為了規(guī)范鐵塔設計的方案，并提高設計效率，中國鐵塔公司結(jié)合三大運營商已有通信鐵塔的塔型，發(fā)布了《通信鐵塔標準圖集》［9］（下稱《圖集》），以規(guī)范未來我國通信鐵塔的建設。

通信鐵塔按照構(gòu)造形式分為拉線桅桿、單管塔、三管塔和角鋼塔。拉線桅桿和單管塔由于其構(gòu)造簡單、高度較低，其安全性比較容易得到保證，而三管塔和角鋼塔則更多地用于野外開闊場地，建設和使用環(huán)境較差，建設高度較高，組成構(gòu)件較多，在高風壓作用下存在較大的安全隱患，局部構(gòu)件和連接節(jié)點的破壞容易引發(fā)鐵塔的整體倒塌。

隨著通信行業(yè)的蓬勃發(fā)展，大量通信鐵塔在全國各地興建，鐵塔倒塌的事故也不斷出現(xiàn)，輕則通信中斷影響生產(chǎn)，重則造成人員財產(chǎn)損失［10-13］。通信鐵塔長期處于室外自然環(huán)境下，其初始的質(zhì)量狀況、自然因素及人為因素都可能影響到鐵塔的安全性。因此有必要對通信鐵塔高風壓下的倒塌安全性進行分析。

本文選取《圖集》中風壓0.65 kN/m2下高度50 m的四平臺三管塔進行倒塌安全性分析，如圖1所示，該塔型為《圖集》中風壓最大、高度最高的三管塔型，具有一定的代表性。

1 分析模型

1.1 模型建立與驗證

0.65 kN/m2風壓下50 m 三管塔根開5.1 m，頂部寬度1.3 m，共分為10 個塔段，由上到下分別為塔段1 至塔段10。塔身總高50 m，頂部設置有5 m高的避雷針，在33、38、43和48 m處分別設有平臺。

采用通用有限元分析軟件ABAQUS 建立三管塔的有限元分析模型。通信鐵塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為細長的鋼管和角鋼，僅考慮其承受拉壓荷載，不承受彎矩，因此采用Truss 單元對桿件進行模擬。三管塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q345鋼材，屈服強度345 MPa。鋼材的本構(gòu)模型選用帶強化段的理想彈塑性材料模型，強化段剛度取2%Es。建立的有限元模型如圖2所示。

青年志愿者活動參與行為調(diào)查發(fā)現(xiàn)：52.0%的被調(diào)查者只有在單位組織的情況下參加志愿活動，18.2%的被調(diào)查者只有在特殊時間或節(jié)日參加志愿活動；11.3%的被調(diào)查者1年只參加1次志愿活動，9.4%的被調(diào)查者每月或每2月參加1次志愿活動，6.7%的被調(diào)查者每周或每2周參加1次志愿活動[2]。較低的志愿活動參與率導致志愿服務人力資源短缺，醫(yī)務志愿者服務隊伍難以形成規(guī)模，醫(yī)療志愿活動開展受到制約。

圖2 有限元模型

圖1 50 m三管塔

為了驗證有限元模型的正確性，采用3D3S鋼結(jié)構(gòu)設計軟件［14］建立相同模型，并計算模型的前5 階自振頻率。由表1可以看到2個軟件計算的結(jié)果近似，驗證了模型的可靠性。

表1 自振頻率計算

1.2 荷載施加

如前文所述，鐵塔主要承受水平荷載的作用，風荷載通常是在水平荷載中起到控制作用，因此可參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）及《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（YD/T 5131-2005）中給出的風荷載計算公式：

自然風由平均風和脈動風2部分組成，由式（1）可以看到，對于平均風，規(guī)范給出的公式是通過基本風速w0、地面粗糙類別和結(jié)構(gòu)高度決定的風壓高度變化系數(shù)μz、風荷載體形系數(shù)μs來確定的。對于脈動風，則是通過風振系數(shù)βz來考慮脈動風速對結(jié)構(gòu)的影響。

對于本文建立的三管塔模型，考慮到其建設場景，將地面粗糙度設定為較為常見的B 類，基本風壓為0.65 kN/m2，再根據(jù)塔段高度和擋風面積分別計算各塔段相應的μz、μs和βz，得到各塔段的風荷載標準值。將計算得到的風荷載施加于各塔段頂端，模擬風荷載的作用。

根據(jù)《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》YD/T 5131-2005中的要求，三角形截面的自立式鋼塔架，在風荷載作用下，應考慮如圖3所示的3種風向作用。

圖3 水平力作用方向

1.3 分析方法

實際結(jié)構(gòu)的倒塌過程實際上是一個復雜的動力過程，結(jié)構(gòu)的自振頻率、構(gòu)件失效時間和沖擊作用等因素都會對結(jié)構(gòu)在拆柱后的響應產(chǎn)生重要影響。對于結(jié)構(gòu)的抗倒塌動力分析，通常采用替換路徑法（AP法）結(jié)合動力時程分析的方法，即在一定時間內(nèi)（或瞬時）拆除關(guān)鍵部位的柱，并對剩余結(jié)構(gòu)進行動力時程分析。美國GSA規(guī)范［15］規(guī)定在進行結(jié)構(gòu)的動力拆柱分析時，構(gòu)件的失效時間不得大于結(jié)構(gòu)自振周期的十分之一。因此，本節(jié)采用的柱子的失效時間為0.07 s，并在移除構(gòu)件后附加5 s的穩(wěn)定時間，以觀察結(jié)構(gòu)的動力響應。因此，荷載的施加過程分為3步，首先對塔身施加水平風荷載，待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，拆除指定位置處的柱，然后觀察結(jié)構(gòu)的動力響應。

構(gòu)件破壞平面位置見圖4（a），即三角形截面頂點軸線上的構(gòu)件，對于工況一和工況二，1點位置軸線上的塔柱破壞最不利，對于工況三則分別考慮2點和3點位置軸線上的塔柱破壞。從立面位置上看，由于各塔段的荷載施加在塔段頂端，因此選擇每個塔段上內(nèi)力最大的底部塔柱，如圖4（b）所示。

圖4 構(gòu)件破壞位置

2 三管塔倒塌安全性分析

選擇塔頂標高50 m 處的順風向水平位移作為分析參數(shù)，分析研究不同方向風荷載作用下，各塔段柱失效后的塔頂水平位移的動力時程曲線，結(jié)構(gòu)在塔柱失效后的動力響應。《高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50135-2006）中對于鐵塔水平位移限制的規(guī)定，在風荷載作用下，按非線性分析的自立塔水平位移限制為1/50，對于本文的三管塔模型，水平位移限制為1 000 mm。

2.1 工況一

圖5 工況一塔頂位移動力時程曲線

對于工況一方向的風荷載，失效軸線上的柱處于受壓狀態(tài)。塔頂順風向的位移時程曲線如圖5 所示?？梢钥吹?，當風荷載施加完成后，塔頂?shù)乃轿灰茷?53 mm，滿足規(guī)范要求。當拆除塔段1的塔柱時，塔頂水平位移基本沒有任何變化，仍為353 mm；當拆除塔段2 的底層塔柱時，塔頂?shù)乃轿灰埔矝]有明顯增大和振動，位移最大時為410 mm；當拆除塔段3時，塔頂水平位移出現(xiàn)了明顯的振動，位移最大時達到了612 mm，并最終維持在500 mm 左右。根據(jù)以上分析可以看到，塔段3及以上部分的塔柱失效時，剩余塔身具有足夠的內(nèi)力重分配路徑和能量耗散能力，三管塔并不會發(fā)生倒塌，甚至并未超過規(guī)范要求的水平位移限值。

當拆除塔段4 的底層柱時，可以看到塔頂?shù)乃轿灰企E增至2 000 mm，此時雖然水平位移最終穩(wěn)定，但已經(jīng)超過了規(guī)范規(guī)定的水平位移。由于塔頂位移并未出現(xiàn)發(fā)散性增大，可以認為此時的三管塔仍具有一定的抗倒塌能力，但塔段4 仍存在較大安全隱患。而對于塔段5到塔段10的底層柱，在拆除后塔頂位移出現(xiàn)了發(fā)散，說明三管塔發(fā)生了倒塌。

2.2 工況二

圖6 工況二塔頂位移動力時程曲線

對于工況二方向的風荷載，失效軸線上的柱處于受拉狀態(tài)。塔頂順風向的位移時程曲線如圖6 所示?？梢钥吹?，與工況一相似的是，當塔段1、塔段2和塔段3 的底層塔柱破壞時，剩余塔架均具有充足的內(nèi)力重分配能力，并未發(fā)生倒塌，并滿足規(guī)范要求，工況二下前3 個塔段拆除后的水平位移要略小于工況一，這是由于工況一下重力與風荷載產(chǎn)生同向的內(nèi)力，加劇了結(jié)構(gòu)的傾斜，而工況二下重力作用方向與風荷載相反，有利于保持結(jié)構(gòu)平衡?；谙嗤颍斔? 的底層柱失效時，其失效后的平衡位移僅為1 400 mm，雖然超過了規(guī)范限制，但該方向風荷載作用下三管塔的抗倒塌能力要強于工況一。

2.3 工況三

對于工況三方向的風荷載，2 點位置上的柱處于受壓狀態(tài)，3 點位置上的柱處于受拉狀態(tài)，考慮2 個位置上的塔柱分別失效下塔架的動力響應。由于工況三風向下結(jié)構(gòu)的界面不對稱，塔架在風荷載作用下會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，因此分別考察順風向和垂直風向上塔頂?shù)乃轿灰啤?/p>

對于重力荷載起到不利作用的2 點位置，由圖7（a）可以看到，相比于工況一，塔段1到塔段2的塔柱失效時，塔頂順風向位移基本沒有變化，塔頂垂直風向位移基本為0；塔段3 的塔柱失效時，塔頂順風向位移略有減小，此時塔頂垂直風向位移也較小，峰值約為100 mm；塔段4的塔柱失效時，塔頂順風向位移約為1 100 mm，略大于規(guī)范限制，但考慮到塔柱失效，可以認為此時塔柱是相對安全的，其垂直風向位移約為450 mm，2個方向位移的矢量和為1 188.5 mm。塔段5到塔段10拆除后，塔頂?shù)乃轿灰圃陧橈L向和垂直風向上都發(fā)生了發(fā)散，證明塔架無法繼續(xù)承載，發(fā)生了倒塌。

對于重力荷載起有利作用的3 點位置，由圖8 可知，相比于2點位置，3點位置的塔柱破壞后，結(jié)構(gòu)的整體響應較小。塔段4的塔柱失效后塔頂順風向最大位移約為1 000 mm，垂直風向最大位移約為340 mm，2個方向的矢量位移約為1 056 mm，基本滿足規(guī)范要求。值得注意的是，與工況二類似，由于重力荷載的有利作用，當塔段10 的塔柱失效時，塔頂順風向位移并沒有出現(xiàn)發(fā)散，而是穩(wěn)定在1 450 mm 左右，塔架并未發(fā)生倒塌。與地面連接的斜撐也起到了一定的作用，可見節(jié)點作為鐵塔的內(nèi)力匯集點，在內(nèi)力重分配過程中起到了十分重要的作用，保證了當主要承重構(gòu)件發(fā)生破壞時，荷載可以有效地傳遞到與其相鄰的構(gòu)件上。

圖7 工況三2點塔頂位移動力時程曲線

圖8 工況三3點塔頂位移動力時程曲線

3 結(jié)論

本文針對鐵塔公司發(fā)布的《通信鐵塔標注圖集》中的標準三管塔，選取風壓0.65 kN/m2下高度50 m 的四平臺塔型進行倒塌安全性分析，主要結(jié)論如下。

a）對于風壓0.65 kN/m2下50 m 三管塔，其塔段3（38 m）以上部分塔身安全儲備較大，當塔柱失效后塔架不會發(fā)生倒塌；塔段4的底層柱（33 m）失效時，塔身出現(xiàn)較大位移，但并未倒塌；其余塔段在失效后結(jié)構(gòu)基本都發(fā)生了倒塌。

b）塔身擋風面與風向呈一定角度時，雖然塔身在塔柱失效后發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，但總體變形仍小于風向垂直于擋風面的工況。當失效塔柱承受拉力時，重力荷載將起到有利的作用。

c）在進行塔身設計時，應盡量避免塔身迎風面與主風向垂直，并降低塔柱承受的壓應力水平。

［1］ 李曉亮，孫國良，黃維學，等.淺析通信鐵塔的安全性及其安全性評估方法［J］.數(shù)據(jù)通信，2013（5）：32-34.

［2］ GB 50135-2006 高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2007.

［3］ GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［4］ CECS 236：2008 鋼結(jié)構(gòu)單管通信塔技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［5］ 王肇民. 高聳結(jié)構(gòu)設計手冊［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.

［6］ 黃本才.結(jié)構(gòu)抗風分析原理及應用［M］.上海：同濟大學出版社，2001.

［7］ 張向東，李帥，石泰山.通信鐵塔動力效應分析［J］.廣西大學學報，2011，36（1）：9-14.

［8］ 蔡銘.高聳異型鐵塔風荷載作用下結(jié)構(gòu)的分析計算［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2005，20（81）：32-34.

［9］ 中國鐵塔公司.通信鐵塔標注圖集［S/OL］.［2015-07-12］.http://www.gong123.com/jianzhu/2015-05-29/1068525.htm l.

［10］舒興平，胡習兵，于中一.某鐵塔倒塌的事故分析［J］.湖南大學學報，2004，31（1）：56-58.

［11］生濤.對某移動通信塔傾倒的原因分析［J］.特種結(jié)構(gòu)，2000，17（4）：67-68.

［12］范增為. 基于通信鐵塔抗風分析［J］. 中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（20）：23.

［13］葛衛(wèi)春.移動通信鐵塔事故案例分析［J］.城市建設，2010（35）：47-48.

［14］上海同磊土木工程技術(shù)有限公司. 3D3S 鋼結(jié)構(gòu)設計軟件［CP/OL］.［2015-07-12］.http://www.lubanpx.com/bd/3d3s/.

［15］ General Service Administration. Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Mod?ernization Projects［S］.USA，2003.