沙箱一體化塔框架基礎(chǔ)可靠性數(shù)值模擬研究

許 陽 吳 桐 王 進(jìn)

(江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019)

沙箱一體化塔框架基礎(chǔ)可靠性數(shù)值模擬研究

許 陽 吳 桐 王 進(jìn)

(江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019)

沙箱一體化塔在通信領(lǐng)域日漸普及，主要特點(diǎn)是其新穎的基礎(chǔ)形式，但是尚未有資料分析評(píng)價(jià)其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的可靠性。在對(duì)其框架基礎(chǔ)進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件Midas Gen建立整體模型，得到所有桿件的應(yīng)力結(jié)果，發(fā)現(xiàn)核心筒部位是其薄弱環(huán)節(jié)，并通過增加斜撐等方式對(duì)框架基礎(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化加強(qiáng)。

一體化塔,通信塔,框架基礎(chǔ),數(shù)值模擬

0 引言

為滿足廣大用戶對(duì)通信質(zhì)量的要求，使信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)全方位、高質(zhì)量的覆蓋，通信鐵塔的建設(shè)速度越來越快，并且，部分站點(diǎn)有后期二次搬遷、重復(fù)利用的要求，在此背景下，各類一體化塔應(yīng)運(yùn)而生。其中，由維蒙特工業(yè)(中國)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的沙箱一體化塔憑借其施工快、造價(jià)低、可二次搬遷等優(yōu)勢(shì)在全國范圍內(nèi)逐漸推廣開來。此塔塔身為普通單管塔，基礎(chǔ)采用沙箱基礎(chǔ)，基礎(chǔ)形式具體為：型鋼桿件焊接成鋼框架，框架四周覆蓋鐵皮，內(nèi)部灌注砂石填料。單管塔偏心放置，另一側(cè)可放置鐵甲機(jī)房。此塔從誕生到現(xiàn)在已有五六年時(shí)間，隨著推廣的深入使用數(shù)量越來越多，但工程界和學(xué)術(shù)界對(duì)其鋼框架基礎(chǔ)的可靠性始終存有疑慮。由于砂石填料沒有剛度，只起到配重的作用，塔身傳遞到基礎(chǔ)的塔腳力由鋼框架承擔(dān)，現(xiàn)有的型鋼桿件組合是否具有足夠的承載力來抵抗塔腳力這個(gè)關(guān)鍵問題一直未得到論證說明。由于鋼框架結(jié)構(gòu)的桿件和節(jié)點(diǎn)較多，受力性能和傳力機(jī)制比較復(fù)雜，難以通過解析方程得到結(jié)果，因此，本文在對(duì)其框架基礎(chǔ)進(jìn)行合理受力分析的基礎(chǔ)上，建立有限元分析模型，探究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否安全可靠以及是否需要進(jìn)一步優(yōu)化。

1 有限元分析

本文以框架基礎(chǔ)原型為參數(shù)背景，以有限元分析軟件Midas Gen為工具，建立整體分析模型進(jìn)行計(jì)算分析[1,2]。

1.1背景參數(shù)

沙箱一體化塔的基礎(chǔ)有兩種規(guī)格，如圖1所示，兩種規(guī)格的尺寸分別為6 m×4.6 m×1.1 m和6 m×6 m×1.1 m，由尺寸為6 m×2.3 m×1.1 m和6 m×1.4 m×1.1 m(長(zhǎng)×寬×高)的標(biāo)準(zhǔn)化子單元框架通過螺栓連接而成。選擇兩種基礎(chǔ)規(guī)格的判斷標(biāo)準(zhǔn)是塔腳彎矩是否大于580 kN·m。鋼材為Q345，主材為L(zhǎng)100×8，斜撐L75×5，框架為全焊接結(jié)構(gòu)。

以尺寸為6 m×4.6 m×1.1 m的基礎(chǔ)框架為例，其由桿體單元和機(jī)房單元兩部分通過8.8級(jí)M24螺栓連接而成(見圖2)，桿體單元與單管塔連接，機(jī)房單元上方可放置鎧甲機(jī)房。對(duì)機(jī)房單元受力分析(見圖3)，螺栓群的拉力之和T與摩擦力f平衡，每個(gè)螺栓上的拉應(yīng)力不足其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的10%，故認(rèn)為左右兩部分可靠連接，變形協(xié)調(diào)，可當(dāng)做整體來分析。

對(duì)基礎(chǔ)框架建立整體模型，由于所有桿件采用焊接連接，所以有限元模型采用梁?jiǎn)卧探Y(jié)節(jié)點(diǎn)。

1.2邊界條件

實(shí)際情況中，框架基礎(chǔ)直接放置在地表或基坑中的混凝土墊層上，由式(1),式(2)可驗(yàn)證其抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定性均滿足《塔房一體化技術(shù)要求(V1.0)》[3]的要求，因此基礎(chǔ)底面所有支座節(jié)點(diǎn)采用只受壓的點(diǎn)彈性支撐，約束部分支座節(jié)點(diǎn)的X,Y方向位移，避免發(fā)生剛體位移。

(1)

(2)

式中：G——塔房一體化結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值，kN,需考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)0.9；

L——塔房一體化的重心到傾覆邊的距離,m；

Mk——風(fēng)荷載或者地震荷載傳到配重體系底面的彎矩代表值，kN·m，取荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.0的承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合;

μ——配重體系底面對(duì)地基的摩擦系數(shù)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定或經(jīng)驗(yàn)分析值;

Ph——風(fēng)荷載或者地震荷載傳到配重體系底面的水平力代表值,kN，取荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.0的承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合。

1.3施加荷載

為實(shí)現(xiàn)單管塔與框架基礎(chǔ)之間的連接，在桿體單元中心處做一個(gè)局部加強(qiáng)的核心筒(見圖4a)和圖4b))，內(nèi)置與單管塔底徑相同的桿體，桿體頂端通過法蘭盤與單管塔連接，桿身通過上、中、下三層16 mm厚的定位板與周圍豎向桿件焊接(見圖4c))，定位板四周設(shè)有加勁肋，防止定位板發(fā)生局部屈曲，可認(rèn)為定位板將塔腳力有效傳遞給周圍桿件，因此在模型中，將桿體形心點(diǎn)與周圍桿件建立剛性約束，塔腳力作用在主節(jié)點(diǎn)上，以此模擬定位板對(duì)塔腳力的傳遞分散作用。風(fēng)荷載考慮X方向和Y方向兩個(gè)荷載工況。

1.4有限元計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算得到的應(yīng)力包絡(luò)圖如圖5所示，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)超過材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最大應(yīng)力比達(dá)到4.83。高應(yīng)力桿件集中在基礎(chǔ)與單管塔連接的核心筒位置，此處是框架基礎(chǔ)的受力關(guān)鍵部位，既要有足夠的強(qiáng)度承擔(dān)塔腳力，又要有足夠的剛度將塔腳力傳遞給周圍桿件。從應(yīng)力云圖看出，現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的桿件承載力明顯不足，需要加強(qiáng)。

由圖6可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在風(fēng)荷載作用在Y方向時(shí)(沿長(zhǎng)邊方向)，在Y方向上，與核心筒直接相連的桿件只有兩根水平桿，無法對(duì)核心筒提供足夠的側(cè)向支撐。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過有限元計(jì)算可知，核心筒處桿件的承載能力是制約框架基礎(chǔ)可靠性的關(guān)鍵因素，要使框架基礎(chǔ)滿足使用要求，需要對(duì)核心筒周圍的桿件進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)。圖7是對(duì)核心筒桿件進(jìn)行優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化手段是將構(gòu)成核心筒的桿件由角鋼改為截面模量W更大的方管，增大周圍斜撐的截面，并增加短斜撐，以達(dá)到增強(qiáng)核心筒剛度的目的，使其可以將塔腳力傳遞給周圍桿件，使框架桿件受力趨向于均勻化。

3 結(jié)語

沙箱一體化塔的框架基礎(chǔ)存在嚴(yán)重的設(shè)計(jì)缺陷，主要問題在于核心筒設(shè)計(jì)過于薄弱。塔腳力直接作用于核心筒，但由于核心筒承載力不足會(huì)提前達(dá)到屈服，無法把塔腳力傳遞給周圍桿件。優(yōu)化核心筒設(shè)計(jì)是提高整個(gè)框架基礎(chǔ)可靠性的關(guān)鍵，增加斜撐、改用截面模量更大的桿件是提高核心筒承載能力的有效方式。

[1] 王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[2] 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.MIDAS GEN分析設(shè)計(jì)原理[R].北京:北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司,2010.

[3] Q/ZTT 1021—2016,塔房一體化技術(shù)要求(V1.0)[S].

Numericalsimulationoffoundationreliabilityofintegratedtower

XuYangWuTongWangJin

(JiangsuPosts&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210019,China)

The sandbox-integrated tower, characterized by its novel form, is increasingly popular in the field of communication. But there is no data available to evaluate the reliability of its foundation. Based on the force analysis of the frame foundation, this paper created an overall model, using the finite element analysis software Midas Gen. The stress results of all the struts are obtained. The results show that core-tube is the weak link, and increasing bracing and other methods are used to strengthen the frame foundation.

integrated tower, communication tower, frame foundation, numerical simulation

1009-6825(2017)29-0064-02

2017-08-05

許 陽(1990- )，女，碩士

TU323.5

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