基于實(shí)測(cè)模型的通信鐵塔抗震性能仿真分析

張朋波　高永強(qiáng)　杜文嫚　閆佳麟

摘要： 針對(duì)目前通信鐵塔抗震性能仿真分析結(jié)果存在較大誤差的問(wèn)題，提出基于實(shí)測(cè)模型進(jìn)行仿真分析的方法.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到鐵塔的動(dòng)態(tài)參數(shù)，依據(jù)測(cè)得的動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)建成的有限元模型進(jìn)行修正，使其能更加準(zhǔn)確地反映鐵塔的動(dòng)力特性.依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選用人工合成地震波和2條真實(shí)地震波對(duì)鐵塔模型進(jìn)行抗震性能分析.結(jié)果表明鐵塔的響應(yīng)位移和應(yīng)力均小于標(biāo)準(zhǔn)要求值，滿足抗震要求.

關(guān)鍵詞： 通信鐵塔； 抗震性能； 時(shí)程曲線； 實(shí)測(cè)模型

中圖分類號(hào)： TM753文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： As to the issue that the error of anti-seismic performance simulation analysis on communication tower is large， a method based on measured model is proposed for the simulation analysis. According to the dynamic parameters of a tower obtained by field test， the finite element model is corrected to reflect the dynamic characteristics of the communication tower more accurately. According to the relevant standards， one artificially synthesized earthquake wave and two seismic recorded waves are used to simulate and analyze the anti-seismic performance of the tower model. The results indicate that the response displacement and stress of the tower are less than the requirement in the standards and the tower meets the anti-seismic requirements.

Key words： communication tower； anti-seismic analysis； time history curve； measured model

0引言

通信鐵塔是通信網(wǎng)的重要組成部分，其抗震性能的好壞直接影響地震災(zāi)害中通信網(wǎng)絡(luò)的暢通與否.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于通信鐵塔的抗震性能也有明確要求.[1]然而，由于鐵塔體積大、質(zhì)量大，所以無(wú)法通過(guò)地震模擬試驗(yàn)臺(tái)考核其抗震性能.[2-5]計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)在汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，在鐵塔仿真分析中也有一定應(yīng)用.[6]在鐵塔仿真分析中，一般根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙或三維模型建立有限元模型，從而對(duì)其進(jìn)行載荷及抗震性能分析.該方法只針對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析，無(wú)法準(zhǔn)確反映設(shè)備真實(shí)運(yùn)行工況下的性能.[7-9]本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到鐵塔的動(dòng)態(tài)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)鐵塔的有限元模型進(jìn)行修正，使其動(dòng)態(tài)參數(shù)與實(shí)測(cè)參數(shù)相吻合，保證有限元分析結(jié)果準(zhǔn)確反映鐵塔的抗震特性.

1基本理論

1.1動(dòng)力特性測(cè)試

每個(gè)結(jié)構(gòu)都有自己的動(dòng)力特性，稱為自振特性.了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的重要步驟.目前，在結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中廣泛采用振型疊加原理的反應(yīng)譜分析方法，該方法以確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性為前提.表征結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的主要參數(shù)是結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比.通過(guò)測(cè)試結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，得到其動(dòng)態(tài)參數(shù).[6]

一個(gè)自由度為N的結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)態(tài)參數(shù)可由N階微分方程表示，即Mx¨+Cx·+Kx=p（t）（1）式中：p（t）為外部作用力的N維隨機(jī)過(guò)程矩陣；M，C和K分別為結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，均為N維矩陣；x¨，x·和x分別為結(jié)構(gòu)的N維加速度響應(yīng)矩陣、速度響應(yīng)矩陣和位移響應(yīng)矩陣.

動(dòng)力特性測(cè)試的方法有很多，常用的有穩(wěn)態(tài)正弦激振法、脈動(dòng)測(cè)試法和自由振動(dòng)法，其中脈動(dòng)測(cè)試法被廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)、斜拉橋及懸索橋等柔性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性測(cè)試中.本文考慮鐵塔的結(jié)構(gòu)特征，選用脈動(dòng)測(cè)試法.

1.2有限元分析

有限元分析是一種針對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析快速發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代計(jì)算方法，其利用數(shù)學(xué)近似方法對(duì)真實(shí)的幾何和載荷工況進(jìn)行模擬.

有限元分析用簡(jiǎn)化的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題然后再求解，將一個(gè)整體模型分解為有限多個(gè)小單元，對(duì)每個(gè)單元建立方程并求解，進(jìn)而求得整體響應(yīng).

正確建立模型是有限元分析結(jié)果準(zhǔn)確的前提，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的體現(xiàn).通過(guò)修正有限元模型，使其動(dòng)態(tài)參數(shù)與實(shí)測(cè)值相近，從而使模型表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的真實(shí)特性.

2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1鐵塔參數(shù)和測(cè)試方案

本次測(cè)試選取武漢某地區(qū)的三管塔為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，塔高50 m，塔底根開(kāi)3.6 m，底部通過(guò)3個(gè)法蘭安裝在樁基上，總重為14 025 kg.通信塔上部共3個(gè)平臺(tái)供安裝天線；全塔共7段，塔段與塔段之間通過(guò)法蘭連接；鐵塔主材為直縫電焊鋼管，輔材為角鋼塔柱和法蘭材料為Q345B，其他構(gòu)件材料為Q235B.鐵塔整體見(jiàn)圖1.

通信鐵塔結(jié)構(gòu)較大，不利于人為激勵(lì)，因此選用自然激勵(lì)法即脈動(dòng)法，依靠地脈動(dòng)和隨機(jī)風(fēng)等自然激勵(lì)使其自振，通過(guò)采集其響應(yīng)得到其動(dòng)力特性.由于鐵塔的固有頻率較低，測(cè)試傳感器選擇941B型低頻拾振器.根據(jù)有限元模型初步分析，觀察鐵塔的幾階振型分布，結(jié)合現(xiàn)有的器材數(shù)量，自下至上沿鐵塔接點(diǎn)布置8層傳感器，傳感器布置方式為：在一邊中點(diǎn)和其對(duì)角布置2個(gè)x方向傳感器，另外2個(gè)角各布置1個(gè)y向傳感器[10]，見(jiàn)圖2.因鐵塔固有頻率較低，故采樣頻率fs選51.2 Hz，采集時(shí)長(zhǎng)30 min.

2.2測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試分析軟件選用Dasp V10，根據(jù)鐵塔圖紙對(duì)其進(jìn)行建模，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確，采用隨機(jī)子空間法和多參考點(diǎn)IIR算法分別對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)擬合.擬合的固有頻率見(jiàn)表1，鐵塔的前4階振型見(jiàn)圖3.從圖3可以看出，前2階為2個(gè)方向的1階彎曲振型，第3階為鐵塔的扭轉(zhuǎn)振型，第4階為鐵塔的2階彎曲振型.

3仿真建模

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用HyperWorks對(duì)鐵塔進(jìn)行建模，結(jié)果見(jiàn)圖4.模型中鐵塔的主材和橫材采用梁?jiǎn)卧M，斜材和輔材采用桿單元模擬，對(duì)地連接采用剛性單元模擬.對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多次修正，前4階模態(tài)振型見(jiàn)圖5，與實(shí)測(cè)模型基本一致；前5階固有頻率見(jiàn)表2.由圖4和5可以看出：彎曲模態(tài)的誤差均小于20%，且2個(gè)1階彎曲和1個(gè)2階彎曲的誤差均在10%以內(nèi).由于鐵塔塔段與塔段之間采用法蘭連接，介于剛性連接和鉸接之間，而現(xiàn)有有限元分析方法只能模擬一種連接，同時(shí)，由于扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度之間存在耦合關(guān)系，所以通過(guò)調(diào)整彎曲剛度使彎曲固有頻率與實(shí)測(cè)相符時(shí)，扭轉(zhuǎn)頻率誤差較大.考慮實(shí)際中彎曲引起的危害占主要因素，因此認(rèn)為模型能正確反映實(shí)際鐵塔的動(dòng)力特性.

由于標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于位移的限制是在風(fēng)載荷和地震載荷共同作用下的要求，對(duì)于通信塔等高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的位移影響更大，因此位移結(jié)果遠(yuǎn)小于要求值.本文主要從材料強(qiáng)度和位移2方面考核鐵塔抗震性能.

5結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)通信鐵塔的結(jié)構(gòu)特征和動(dòng)力特性制定有效的動(dòng)力特性測(cè)試方案，得到鐵塔的動(dòng)力特性參數(shù).根據(jù)得到的參數(shù)對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，改變有限元模型單純依靠設(shè)計(jì)圖紙建模的現(xiàn)狀，使修正后的模型具有與真實(shí)鐵塔相近的動(dòng)力特性，從而在鐵塔抗震性能仿真分析中能夠準(zhǔn)確反映鐵塔的抗震性能，為鐵塔的運(yùn)行、維護(hù)和擴(kuò)容等提供依據(jù).參考文獻(xiàn)：

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