分層空間桁架法對角鋼塔安全評估的可行性分析

龐文輝 許良軍

【摘要】 通過將分層空間桁架法與有限元分析的結(jié)果進行對比，驗證運用分層空間桁架法對通信角鋼塔安全性能快速評估的可行性。將通信角鋼塔結(jié)構(gòu)進行簡化，運用分層空間桁架法對其進行靜力計算。以有限元結(jié)果為精確解，來分析分層空間桁架法的計算結(jié)果。得到的結(jié)論如下：分層空間桁架法適用于通信角鋼塔的簡化計算。所以，可以利用該方法對角鋼塔的安全性能進行快速評估。

【關(guān)鍵詞】 通信角鋼塔 分層空間桁架法 安全評估

Abstract： In this paper， the layered space truss method and finite element analysis results are compared to verify feasibility of using layered space truss method of communication angle steel tower safety performance evaluation.The structure of communication angle steel tower is simplified， using layered space truss method for static calculation. With the finite element results as the exact solution， the calculation results of the layered space truss method are analyzed. The conclusions obtained are as follows： layered space truss method is applied to the simplified calculation of communication angle steel tower. Therefore， this method can be used for the rapid safety assessment of angle steel tower.

Keywords： communication angle-steel tower； layered space truss method； safety assessment

引言

隨著通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是移動通信量的增大，通信塔的需求也日益增多。通信塔作為天線的“載體”，其安全可靠運行是天線正常工作的基本保障。所以，角鋼塔的安全性能也引起了大家廣泛關(guān)注。角鋼塔是應(yīng)用最早，結(jié)構(gòu)最復雜且穩(wěn)定性較好的塔型之一[1]。對于傳送模擬信號或?qū)Π惭b角度要求嚴格的天線，角鋼塔作為其“載體”至今仍被大量使用。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元軟件已經(jīng)被大量應(yīng)用于通信塔的安全評估中。在運用有限元軟件時，由于建模仿真過程較為繁瑣，有限元模型需要不斷精確化，造成對通信塔進行安全評估時，評估周期較長。本文希望通過利用基本的角鋼塔結(jié)構(gòu)參數(shù)，來實現(xiàn)對角鋼塔安全性能的快速評估。本文主要將分層空間桁架法[2]運用到通信角鋼塔上，通過與有限元分析結(jié)果進行對比，最終驗證其對角鋼塔安全性能快速評估的可行性。

一、角鋼塔結(jié)構(gòu)特性

本文選取45m通信角鋼塔為例，基本風壓為0.65KN/ m2，地面粗糙度為B類。本塔體共設(shè)4層平臺，分別置于塔段①-④。每層平臺安裝6副天線和6個RRU，且每副天線面積不大于0.6m2，每個RRU面積不大于0.2m2。本結(jié)構(gòu)斜桿全部為剛性斜桿。將角鋼塔分為八段，從塔頂至塔底依次為①-⑧段（如圖1）。

二、角鋼塔的簡化計算

塔架的靜力計算方法主要包括空間法和平面法。平面法是將塔架結(jié)構(gòu)分解為幾個平面桁架結(jié)構(gòu)進行計算，這樣忽略了桿件間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，導致計算結(jié)果與實際相差較大。空間法分為空間桁架法與空間剛架法?？臻g桁架法又分為簡化的空間桁架法、分層空間桁架法以及整體空間桁架法，主要區(qū)別就是假定不同[3]。其中，分層空間桁架法計算精度相對較高。這里先對角鋼塔結(jié)構(gòu)進行簡化，然后將分層空間桁架法運用到通信角鋼塔的靜力計算中。

2.1角鋼塔的結(jié)構(gòu)簡化

分層空間桁架法是針對高聳塔架結(jié)構(gòu)的靜力計算方法。楊更新[2]利用最常見的塔架結(jié)構(gòu)形式對分層空間桁架法進行了詳細推導，并給出了K型與交叉型斜桿的塔架結(jié)構(gòu)靜力計算公式。對于標準通信角鋼塔結(jié)構(gòu)而言，它并不是完全由K型塔架與交叉型塔架結(jié)構(gòu)組成。通信角鋼塔的主桿與斜桿之間通常會有許多輔助桿做連接，屬于再分式結(jié)構(gòu)[4]。

在對角鋼塔結(jié)構(gòu)進行簡化時，需要將所有輔桿去掉，主要原因在于：

（1）對于通信角鋼塔，設(shè)置輔桿主要是從穩(wěn)定性角度去考慮。因為角鋼回轉(zhuǎn)半徑小，采用單角鋼構(gòu)件必須考慮其構(gòu)件長細比的限值。

由公式1可知，構(gòu)件的長細比λ與計算長度和構(gòu)件回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。由于角鋼回轉(zhuǎn)半徑很小[5]，所以需要減小計算長度來控制長細比。長細比值越小，構(gòu)件越不容易失穩(wěn)。采用輔桿可以將主桿與斜桿的計算長度下降到1/3-1/2[6]。因此，角鋼塔采用了再分式結(jié)構(gòu)，增加了許多輔助桿件。

（2）輔助桿會對被支撐桿提供一定的剛度，但并不只是單純的靠支撐桿來提供，而是主要靠主桿、斜桿以及橫桿等共同構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)起作用。桁架結(jié)構(gòu)能夠提供較大剛度是利用了三角形的幾何不可變特性。當去除輔桿后，斜桿與橫桿及主桿構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)將提供主要剛度。所以，去除輔桿對角鋼塔整體剛度影響不大。同時，這里借助有限元驗證了這一觀點（如圖2和圖3）。 所以，輔桿對角鋼塔剛度的影響基本可以忽略不計。

（3）輔桿在角鋼塔結(jié)構(gòu)中提供一定的支撐力，但不是主要的承力構(gòu)件。由《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》可知：塔架結(jié)構(gòu)輔助桿件的承載力一般不低于主桿內(nèi)力的2%即可。因此，對于塔架結(jié)構(gòu)而言，輔助桿件并不是主要的受力構(gòu)件。

綜上，在對通信角鋼塔結(jié)構(gòu)簡化時，可以將輔桿去除。同時，本文旨在于運用分層空間桁架法對角鋼塔的安全性能進行評估，而對于通信角鋼塔局部穩(wěn)定驗算，文獻[7]中已經(jīng)給出了明確計算公式。所以，本文主要從強度與剛度方面對通信角鋼塔的安全性能進行評估。

標準通信塔的塔身是由塔底、塔中和塔頂構(gòu)成。運用分層空間桁架法進行計算時，需要將塔底（塔段⑦和⑧）簡化為K型結(jié)構(gòu)，塔中（塔段⑤和⑥）和塔頂（塔段①、②、③和④）分別簡化為二層和三層的交叉型結(jié)構(gòu)進行計算。

2.2角鋼塔簡化計算結(jié)果分析

通過將分層空間桁架法運用到角鋼塔的靜力計算中，只考慮工況一（0°風荷載），得到了各塔段的絕對位移。提取每層頂端位移，并與有限元中分析結(jié)果進行對比。（如圖4）

由圖4可知，簡化計算與有限元分析得到的各層位移結(jié)果都基本一致，隨著塔段層數(shù)的增大，兩者結(jié)果相差逐漸增大，這主要是由于誤差累計造成。但各層絕對位移結(jié)果的相對誤差均小于5%，滿足工程允許誤差。角鋼塔的最大位移與應(yīng)力是對其進行安全評估的重要指標[8]。所以，需要將角鋼塔最大位移與應(yīng)力的簡化計算與有限元分析結(jié)果進行對比。

僅重力作用下底層主桿內(nèi)力：

全部載荷作用下底層主桿平均應(yīng)力：

由以上表1可知，簡化計算的結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本一致。最大位移相對誤差為2.73%，平均應(yīng)力相對誤差為5.51%。

通過將分層空間桁架法運用到不同高度角鋼塔的靜力計算中，并將計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)：簡化計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本一致，產(chǎn)生誤差的主要原因是分層空間桁架法的基本假設(shè)與實際情況并不完全相符，但產(chǎn)生的誤差均在工程允許范圍內(nèi)。

三、結(jié)束語

本文通過將分層空間桁架法運用到45m通信角鋼塔靜力計算中，建立了結(jié)構(gòu)基本參數(shù)與角鋼塔位移、應(yīng)力之間的關(guān)系，得到了一種對角鋼塔安全性能的快速評估方法。同時，將簡化計算與有限元分析所得的應(yīng)力與位移結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果基本一致，滿足工程允許誤差。所以，分層空間桁架法可以作為角鋼塔安全性能的快速評估方法。

參 考 文 獻

[1] 趙滇生. 輸電塔架結(jié)構(gòu)的理論分析與受力性能研究[D].杭州：浙江大學，2003.

[2] 楊更新. 高聳塔架靜力計算的空間桁架法[J]. 土木工程學報，1966，01：31-47.

[3] 夏大橋，尹昊，王謙，王建磊，趙海龍. 鋼塔架結(jié)構(gòu)靜力計算的分層空間桁架法研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2014，31（4）：61-66.

[4] 歐陽可慶，劉長學. 塔架的靜力和振動計算[J]. 同濟大學學報，1978，1：06

[5] 沈之容，王肇民. 鋼結(jié)構(gòu)通信塔設(shè)計與施工[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[6] 陳紹番. 塔架輔助桿的支撐力[J]. 西安建筑科技大學學報，2009，04：445-449.

[7] 國家標準. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-201X[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[8] 國家標準. 高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50135-2006[S].北京：中國計劃出版社，2007.