基于地震和風載復(fù)合作用下通信管塔的有限元分析

赫明勝，楊啟志，趙曉琪，華?？?，盧文建

（1.江蘇大學 農(nóng)業(yè)工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇北洋通訊設(shè)備有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引言

在通信事業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，人們對通信的要求也逐漸變高，這就需要在管塔上安裝更多的外部設(shè)備。通信塔作為一種典型的高聳結(jié)構(gòu)，因其高度高、剛度小、外形細長的特點決定了地震載荷和風載荷將會影響它的結(jié)構(gòu)安全。近年來，世界各地發(fā)生了多次風災(zāi)、地震等自然災(zāi)害，它們對通信管塔和人們的生命財產(chǎn)造成了極大的損害[1]。地震載荷會使管塔底部產(chǎn)生過大的彎矩導(dǎo)致管塔底部的地腳螺栓失效，風載荷會在管塔截面產(chǎn)生較大的應(yīng)力使得管塔發(fā)生傾覆。傳統(tǒng)的通信塔分析通常只是考慮了主塔的工作性能，即塔身在地震和風載復(fù)合作用下的變形，而經(jīng)常忽略了通信設(shè)備對塔性能的影響，這樣得到的計算結(jié)果往往是不準確的，在一定程度上也會影響對塔體安全性的判斷。

目前，國內(nèi)有很多學者對于通信塔的分析做了相關(guān)的研究。文獻[2]建立了一體化法蘭連接式通信塔的ANSYS模型，并對通信塔進行風載下的靜力分析及模態(tài)分析，為一體化通信塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)；文獻[3]建立了新型一體化通信單管塔模型，該通信單管塔為法蘭式連接，并進行風載下的靜力分析，為通信基站的建設(shè)和維護提供了參考；文獻[4]采用ANSYS Workbench對某通信角鋼塔進行模態(tài)分析及地震反應(yīng)譜分析，得到等效應(yīng)力及方向位移云圖，為通信塔的抗震設(shè)計提供了參考；文獻[5]評估了不同高度的四方塔、法蘭連接式單管塔等通信鐵塔的抗震性能，為通信系統(tǒng)地震中災(zāi)害的評估和預(yù)測提供了參考；文獻[6]采用ANSYS Workbench對離心式壓縮機外殼進行抗震分析，并通過工況組合功能法對靜力和譜分析結(jié)果進行疊加，得到了組合工況下的應(yīng)力分布；文獻[7]采用ANSYS Workbench軟件對冷卻塔風機做了靜力分析，基于預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析，通過工況組合靜力和反應(yīng)譜分析疊加，得到了組合工況的應(yīng)力及變形圖。

綜上所述，目前對于大型通信管塔的研究較少，研究大多集中于角鋼式通信塔和法蘭連接式單管通信塔，而插接式管塔是近些年才發(fā)展起來的一種新型通信管塔技術(shù)，對于風載和地震載荷復(fù)合作用下插接式通信管塔的受力及變形的分析研究尚不成熟。因此，對插接式通信管塔進行地震載荷和風載荷復(fù)合作用下的分析十分有必要。

本文針對江蘇省加載通信設(shè)備的某內(nèi)爬式插接景觀塔進行基于風載和地震載荷復(fù)合作用下的研究和分析，采用Design Assessment模塊對靜力分析和反應(yīng)譜分析的結(jié)果進行疊加，得到組合工況下的應(yīng)力和變形，驗證了加載通信設(shè)備的景觀塔的強度和剛度，并對塔體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為今后該類型通信管塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，為插接式通信管塔在基于風載和地震載荷同時發(fā)生的極端天氣下的設(shè)計提供了參考。

1 模型的建立

1.1 插接式通信管塔三維模型的建立

移動內(nèi)爬插接式景觀塔由塔架、爬梯、抱桿、金輪及避雷針等組成，圖1為插接式通信管塔的結(jié)構(gòu)示意圖，該移動內(nèi)爬插接景觀塔（金輪）塔身部分由5段塔身插接而成，塔身截面為正多邊形，邊數(shù)為18，單管塔總高45 m。在塔身1頂部安裝避雷針，塔身高度44.5 m與38.5 m處均安裝有金輪，除此之外還有抱桿、天線、內(nèi)爬梯等安裝在管塔的相應(yīng)位置。該通信管塔為滿足使用要求，需要在每根抱桿上安裝一根天線，每根天線質(zhì)量約為15 kg，其迎風面積不超過0.5 m2。另外，每根天線需另配一臺RRU設(shè)備，質(zhì)量約為15 kg，迎風面積為0.15 m2。本插接式通信管塔塔身采用ASTM A572 Gr65鋼板，其彈性模量為2.06 GPa，泊松比為0.26，密度為7 850 kg/m3，其余鋼材（不含螺栓）均采用Q235B鋼，其彈性模量為2.11 GPa，泊松比為0.28，密度為7 850 kg/m3，塔身的各項參數(shù)如表1所示。

圖1 插接式通信管塔結(jié)構(gòu)示意圖

表1 管塔塔身參數(shù) mm

1.2 插接式通信管塔模型的簡化

在實際應(yīng)用中插接式通信管塔的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了使劃分網(wǎng)格簡單，減少計算消耗的時間，保證計算的準確性，因此需要對結(jié)構(gòu)模型進行簡化。先去除模型倒角、圓角、安裝孔等小特征，然后去除焊接螺母等配件，最后將抱桿、爬梯等部件進行等效處理，在保證分析結(jié)果準確性的前提下，通過模型的簡化處理減少分析計算時間，盡量做到真實反映通信管塔的結(jié)構(gòu)特性。按上述方式將簡化好的SolidWorks圖形導(dǎo)入到有限元軟件中，實體模型如圖2所示。

圖2 插接式通信管塔實體模型

對于有限元模型，爬梯、螺栓、天線、抱桿和RRU等可通過簡化成集中質(zhì)量點的方法施加在塔身上，其位置示意圖如圖3所示。由于插接式通信管塔模型的單元數(shù)較多，并且具有大量的振型，為了得到可靠的結(jié)果，同時考慮求解速度和計算精度，本文采用自適應(yīng)方法進行網(wǎng)格劃分，獲得節(jié)點數(shù)為198 116個，單元數(shù)為96 970個，主要為四邊形tet10單元，圖4為有限元網(wǎng)格劃分示意圖。

圖3 質(zhì)量點位置示意圖

圖4 有限元網(wǎng)格劃分圖

1.3 插接式通信管塔分析過程

在ANSYS Workbench分析時，可以在風載荷作用與地震響應(yīng)譜分別完成之后，通過Design Assessment模塊進行地震與風載復(fù)合作用的分析，其計算流程[8]如圖5所示。

圖5 基于風載和地震載荷復(fù)合作用下通信管塔分析過程

2 基于地震和風載復(fù)合作用下通信管塔的有限元分析

2.1 插接式通信管塔的靜力分析

在ANSYS中分析塔頂位移與各段的受力情況時，需要在每段管塔上添加所受的靜風力，為了使模型簡單且結(jié)果可靠，管塔所受靜風力可用該段管塔所受的最大風荷載與受載面積的乘積計算。管塔上安裝其余部件所受的靜風力已根據(jù)其安裝高度確定所受風荷載的大小，并計算其受力大小[9]。

根據(jù)通信管塔的實際狀態(tài)對模型施加合理的約束條件，定義邊界條件為：固定通信管塔的底端[10]，由于風荷載具有方向性，在通信管塔的y方向施加風荷載，風荷載屬于表面荷載，為簡化起見，將風荷載等效地施加在結(jié)構(gòu)外表面處，載荷按表2加載在塔身上，方向為y軸方向。通信管塔由塔底到塔頂?shù)木幪栆来螢?~5號，避雷針為6號，金輪從底部到頂部依次為7號和8號，插接式通信管塔各段所受模擬靜力風的風力值和受力狀態(tài)如圖6所示。

表2 塔身及各部件所受的靜風力值

圖6 插接式通信管塔受力云圖

考慮到通信設(shè)備及信號發(fā)射器對移動內(nèi)爬插接景觀塔的直接影響，為確保分析結(jié)果的可靠性，現(xiàn)對塔身1和塔身2進行每米的切割，將其簡化為質(zhì)量點并添加在下列位置上，如表3所示，其余部分按照之前的方法添加在景觀塔上面。

表3 各個安裝高度天線及RRU所受靜風力值

根據(jù)通信管塔各段所承受的風力，對插接式通信管塔進行靜強度分析和靜剛度分析，其結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖7 插接式通信管塔應(yīng)力云圖

圖8 插接式通信管塔位移云圖

如圖7，圖8所示，最大應(yīng)力值為368.48 MPa，安全系數(shù)為1.2，危險區(qū)域位于塔身3處，需要對塔身3進行加固處理。塔頂?shù)淖畲笪灰茷?20.76 mm，在風荷載作用下，高聳塔結(jié)構(gòu)的水平位移的極限值[11]為666 mm，安全系數(shù)為1.2，需要減小塔頂位移。

2.2 插接式通信管塔固有模態(tài)的分析

通信管塔在地震與風載等動載荷作用下時，其變形與內(nèi)力均與管塔的自振周期和陣型有關(guān)。為了避免通信管塔在各種工況下發(fā)生共振問題，通常需要計算通信管塔的模態(tài)頻率和振型。因此在進行地震分析之前，必須對通信管塔進行模態(tài)分析。

本文選用ANSYS Workbench中的Modal模塊分析插接式通信管塔的固有模態(tài)，采用約束模態(tài)分析法對通信塔的地腳螺栓孔施加固定約束，前6階非零模態(tài)的固有頻率如表4所示。

表4 通信管塔前6階非零模態(tài)固有頻率 Hz

2.3 插接式通信管塔地震響應(yīng)譜分析

地震作用與一般載荷作用不同，其作用方向是隨機的，不僅與地面加速度的大小、持續(xù)時間和強度有關(guān)，而且還與結(jié)構(gòu)的動力特征（阻尼、自振頻率等）有密切的關(guān)系。由于地震時地面運動是一種隨機過程，運動不規(guī)則，所以其動力特征較為復(fù)雜，因此確定地震作用要比一般載荷作用復(fù)雜得多[12]。

根據(jù)該管塔的安裝要求：抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度，0.2g基本地震加速度值，0.3 s特征周期，通過地震影響系數(shù)曲線計算10個頻率點的結(jié)構(gòu)加速度頻率響應(yīng)譜，如表5所示。

表5 加速度頻率響應(yīng)譜

在模態(tài)分析結(jié)束之后，選用Response Spectrum模塊對插接式通信管塔進行地震響應(yīng)譜分析[13-14]。在管塔底部添加固定約束之后，按照表5對通信管塔進行y方向加速度的加載。

在地震作用下插接式通信管塔的應(yīng)力及變形云圖如圖9，圖10所示。

圖9 地震作用下應(yīng)力云圖

圖10 地震作用下位移云圖

受載時最大應(yīng)力發(fā)生在管塔中部，位于塔身3處，最大應(yīng)力約95 MPa，遠小于管塔材料的屈服應(yīng)力450 MPa；避雷針頂部最大位移約422 mm，滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求。

2.4 基于地震和風載復(fù)合作用下通信管塔的分析

在實際應(yīng)用中，不排除會遇到地震與強風同時出現(xiàn)的情況，在分析時可以將風載荷和地震震級的大小都按照最大值選取，以模擬插接式通信管塔在實際使用中遇到的極端環(huán)境狀況，通過在Worksheet窗口中設(shè)置疊加項，如圖11所示。

圖11 地震與風載荷疊加設(shè)置

在地震和風載復(fù)合作用下插接式通信管塔的應(yīng)力及變形云圖如圖12，圖13所示。

圖12 地震和風載復(fù)合作用下的應(yīng)力云圖

圖13 地震和風載復(fù)合作用下的位移云圖

由圖12，圖13所示，當風載荷與地震載荷同時作用時，塔身所受的最大應(yīng)力為361.46 MPa，小于塔身材料的許用應(yīng)力，且安全系數(shù)在1.2左右，位于塔身3段，但還是較大，塔身最大位移發(fā)生在避雷針頂部，約為670.74 mm，大于《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的666 mm，安全系數(shù)較小，塔身的外部構(gòu)件容易發(fā)生墜落，需要對塔身結(jié)構(gòu)做優(yōu)化處理。

2.5 插接式通信管塔結(jié)構(gòu)的部分優(yōu)化

根據(jù)上述分析結(jié)果，由于在地震載荷和風載復(fù)合作用下，位移及應(yīng)力較大，為減小變形及應(yīng)力值，本研究對插接式通信管塔進行了結(jié)構(gòu)的部分優(yōu)化，現(xiàn)將塔身1~5壁厚均提高1 mm，在塔身3中部添加加強筋，并且使用多個固定鎖緊裝置將加固桿周向固定于單管塔上，該固定鎖緊裝置包括鎖緊抱箍、固定環(huán)、墊片等，通過使用螺紋連接固定于單管塔上。采用與上述相同的步驟對其進行風載和地震載荷復(fù)合作用下的性能分析，加強筋為環(huán)形加強筋，如圖14所示，固定鎖緊裝置如圖15所示。

圖14 加強筋示意圖

圖15 固定鎖緊裝置

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在地震和風載復(fù)合作用下插接式通信管塔的應(yīng)力及變形云圖如圖16，圖17所示。

圖16 插接式通信管塔的應(yīng)力云圖（優(yōu)化后）

圖17 插接式通信管塔的位移云圖（優(yōu)化后）

可以看出，當風載荷與地震載荷同時作用時，塔身所受的最大應(yīng)力為198.07 MPa，小于塔身材料的許用應(yīng)力，且安全系數(shù)在2.2左右。塔身最大位移發(fā)生在避雷針頂部，約570.74 mm，小于《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的666 mm。雖然塔頂位移較大，但是從通信管塔所受應(yīng)力方面分析，在極限載荷疊加時，通信管塔是滿足設(shè)計要求的，且有較高的安全系數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對加載通信設(shè)備的移動內(nèi)爬插接式景觀塔進行基于風載和地震載荷復(fù)合作用下受力情況的分析，基于Design Assessment模塊進行風載和地震載荷工況的疊加，得到插接式通信管塔的應(yīng)力及變形云圖，經(jīng)分析得出以下結(jié)論：

1）在加載通信設(shè)備及信號發(fā)射器后，當風載荷與地震載荷同時作用時，塔身所受的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為361.46 MPa，位于塔身3段，而且位于塔頂?shù)谋芾揍樣休^大的位移，約670.74 mm，塔身的外部構(gòu)件容易發(fā)生墜落。

2）對插接式通信管塔的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，將塔身1~5壁厚均提高1 mm，在塔身3中部添加環(huán)形加強筋，當風載荷與地震載荷同時作用時，塔身所受的最大應(yīng)力為198.07 MPa，小于塔身材料的許用應(yīng)力，且安全系數(shù)在2.2左右。塔身最大位移發(fā)生在避雷針頂部，約570.74 mm，雖然塔頂?shù)奈灰戚^大，但是滿足設(shè)計要求，并且從通信管塔所受應(yīng)力方面分析，也是滿足設(shè)計要求的，且有較高的安全系數(shù)。

3）本次研究分析證明了該插接式通信管塔基于地震和風載復(fù)合作用下的可靠性，為今后該類型的通信管塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，為插接式通信管塔在基于風載和地震載荷同時發(fā)生的極端天氣下的設(shè)計提供了參考。

注：本文通訊作者為楊啟志。