雙層對(duì)數(shù)周期天線桅桿在風(fēng)載荷作用下的靜力分析

袁英光 戴永梅 趙朋

摘要：塔桅結(jié)構(gòu)是一種高聳的構(gòu)筑物，其特點(diǎn)是高度較大，橫截面相對(duì)較小，桿身長(zhǎng)細(xì)比通常在100～200左右，遠(yuǎn)大于一般的高聳結(jié)構(gòu)，橫向載荷起主要作用。針對(duì)塔桅結(jié)構(gòu)幾何非線性的特點(diǎn)，首先對(duì)風(fēng)載荷和桅桿的整體穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了介紹。鑒于雙層對(duì)數(shù)周期天線桅桿有兩處水平受力點(diǎn)，本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)載荷作用下的靜力分析，并通過提取數(shù)據(jù)計(jì)算出了桅桿的整體穩(wěn)定安全系數(shù)。采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析既簡(jiǎn)單又可行，并應(yīng)用于實(shí)際工程中。

關(guān)鍵詞：雙層對(duì)數(shù)周期天線；桅桿；整體穩(wěn)定；風(fēng)載荷；ANSYS

塔桅結(jié)構(gòu)是一種高聳的構(gòu)筑物，其特點(diǎn)是高度較大，橫截面相對(duì)較小，桿身長(zhǎng)細(xì)比通常在100～200左右，遠(yuǎn)大于一般的高聳結(jié)構(gòu)，橫向載荷起主要作用。另一方面，與一般結(jié)構(gòu)相比，塔桅結(jié)構(gòu)是受氣候影響更顯著的高聳結(jié)構(gòu)，如風(fēng)載荷和裹冰載荷常常是桅桿結(jié)構(gòu)的控制載荷[1]。

1 風(fēng)載荷計(jì)算

載荷的大小根據(jù)GB50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中4.2節(jié)確定。

根據(jù)風(fēng)速，基本風(fēng)壓按下式計(jì)算：

………………（01）

垂直作用于高聳結(jié)構(gòu)表面單位面積上的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算：

………………（02）

式中： —為作用在高聳結(jié)構(gòu)z高度處單位投影面積上的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2，按風(fēng)向投影）；

—基本風(fēng)壓（kN/m2），其取值不得小于0.35kN/m2；

—z高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

—風(fēng)載荷體型系數(shù)；

—z高度處的風(fēng)振系數(shù)。

根據(jù)GB50135-2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中表4.2.6-1和表4.2.7分別確定風(fēng)壓高度變化系數(shù) 和體型系數(shù) ，風(fēng)振系數(shù)則根據(jù)4.2.9節(jié)確定，經(jīng)計(jì)算得到風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值 。 乘以桅桿的受風(fēng)面積即可得到桅桿的壓力值。

2 塔桅穩(wěn)定性分析

2.1纖繩載荷換算為均布載荷

由小垂度柔索理論[3]，纖繩載荷包括纖繩自身單位長(zhǎng)重量、纖繩風(fēng)荷絕緣子重量、絕緣子風(fēng)荷。

………………（03）

2.2纖繩節(jié)點(diǎn)水平載荷

纖繩節(jié)點(diǎn)水平載荷

………………（04）

其中：

Py —纖繩節(jié)點(diǎn)水平載荷（kg）；

R —桅桿桿身在纖繩節(jié)點(diǎn)處的支座反力（kg）；

u —纖繩風(fēng)載荷在纖繩節(jié)點(diǎn)處的水平壓力（kg）， 。

2.3 支座剛度

假如我們將節(jié)點(diǎn)發(fā)生單位水平位移所需要的結(jié)點(diǎn)水平載荷，稱作桅桿桿身的支座剛度，以 表示，則根據(jù)纖繩計(jì)算結(jié)果可得：

………………（05）

2.4整體穩(wěn)定性計(jì)算

采用平均參數(shù)法對(duì)桅桿進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算，穩(wěn)定安全系數(shù)可以用下式表示

…………..（06）

式中：n—纖繩層數(shù)；

—支座剛度；

—桿身軸向力；

—桿身長(zhǎng)度；

—可由文獻(xiàn)[4]表7-1中查得。通過查文獻(xiàn)[4]中表7-1知，兩層拉線 。

3 基于ANSYS的塔桅結(jié)構(gòu)分析

有限元軟件ANSYS是一種通用的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件，可以用于桅桿結(jié)構(gòu)的受力分析。本文中研究的模型為雙層對(duì)數(shù)周期天線用桅桿，此桅桿上有兩處受水平力作用，受力情況與以往不同。高塔是以鐵塔距地端形心為坐標(biāo)原點(diǎn)，三角塔一邊法向?yàn)閄軸，鐵塔軸線為Z軸（豎直向上為正），右手法則確定Y軸。

因?yàn)樵贏NSYS中不能直接施加初始預(yù)應(yīng)力，所以，需要采用施加初始應(yīng)變的方式來給索單元施加初始預(yù)應(yīng)力。設(shè)索單元初始預(yù)加的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

…………..（07）

式中，T為索單元的預(yù)張力；

為彈性模量E的0.001～0.0001倍；

A為索的截面面積。

4 算例

抗風(fēng)能力要求：穩(wěn)定風(fēng)速47.6 m/s不損壞。

塔節(jié)：邊寬1000mm、主柱φ45mm，斜撐φ18mm的三角形塔節(jié)。

鐵塔載荷：下層拉力2300kg；上層拉力2600kg。

通過用有限元ANSYS軟件仿真，得到鐵塔的最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值為75.3MPa<200MPa（該鐵塔材質(zhì)為Q235，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為200MPa），出現(xiàn)在第一層拉線主柱處。鐵塔最大位移出現(xiàn)在頂部，位移值為380mm<580mm（根據(jù)GB50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范3.0.10節(jié)桅桿非線性分析時(shí)，最大位移<高度的1/75）。

由已知該桅桿的最大應(yīng)力為75.6MPa，小于Q235鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值200MPa。

=3.75>2.0…..（08）

根據(jù)GB50135-2006 高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]中5.3.2節(jié)知，鐵塔整體穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)低于2.0。

5 結(jié)論

用于各種鐵塔、桅桿和纖繩組合的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，并可借助于有限元軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷分析。此類型計(jì)算的方法既簡(jiǎn)單快捷，又完全適用于工程應(yīng)用。

6.參考文獻(xiàn)

[1]. 王肇民.桅桿結(jié)構(gòu). 北京：科學(xué)出版社，2001.

[2]. 上海市建設(shè)和交通委員會(huì). GB50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范. 北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社， 2007.

[3]. Качурин В К. 小垂度柔索計(jì)算理論. 楊福新， 譯. 上海： 科學(xué)技術(shù)出版社， 1958

[4]. 原北京工業(yè)建筑設(shè)計(jì)院金屬結(jié)構(gòu)室. 塔桅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 1972.

[5]. 唐喜.基于ANSYS參數(shù)化語言的索膜結(jié)構(gòu)找形優(yōu)化和荷載分析.南京：河海大學(xué)，2005.