通信單管塔快速設(shè)計(jì)復(fù)核軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓也軒，李 剛，湯偉方，呂 庭，章畫畫，付建斐

(中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

單管塔是通信工程中常用的信號(hào)塔，在市區(qū)信號(hào)覆蓋方面是不可替代的。隨著5G時(shí)代的正式到來，單管塔設(shè)計(jì)、復(fù)核工作量在快速增加，如何高效精準(zhǔn)地完成單管塔設(shè)計(jì)和承載力復(fù)核，已經(jīng)是所有一線設(shè)計(jì)人員需要重視的問題。相較于其他塔形，通信單管塔形式簡單，數(shù)字化建模與分析計(jì)算難度較低，完全可以通過自主研發(fā)一款單管塔快速設(shè)計(jì)復(fù)核軟件以有效地解決這個(gè)問題。

單管塔快速設(shè)計(jì)復(fù)核軟件旨在新建單管塔的設(shè)計(jì)以及微站鐵塔承載力復(fù)核的過程中，利用自編譯軟件的優(yōu)勢(shì)，規(guī)范設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)精度，提高一線人員工作效率，同時(shí)通過封裝exe軟件的特性，使用一定的技術(shù)手段或者管控措施，可以防止軟件的外泄和未授權(quán)使用。

1 軟件編制思路

本軟件的編制目的主要在于簡化單管塔建模過程，規(guī)避使用SAP2000等第三方有限元軟件[1]，極大提高工程師在鐵塔設(shè)計(jì)與復(fù)核中的工作效率，規(guī)避無意義的重復(fù)勞動(dòng)時(shí)間。微軟公司的Visual Basic語言為編寫軟件提供了良好的開發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)通信單管塔的快速建模和分析。該軟件在三管塔建模分析中將整個(gè)流程按軟件功能分為三個(gè)區(qū)塊：1)數(shù)據(jù)輸入模塊；2)模型計(jì)算模塊；3)細(xì)部計(jì)算模塊。流程圖見圖1。

使用者僅需要在模塊1中輸入塔身的信息，后續(xù)流程將由軟件自動(dòng)完成。相較于以往逐根構(gòu)件輸入，用Excel等軟件計(jì)算風(fēng)荷載再手動(dòng)導(dǎo)入模型，本程序大大縮短了建模時(shí)間，單座單管塔的設(shè)計(jì)復(fù)核時(shí)間由傳統(tǒng)方法的半天可縮短至1 h。

2 信息輸入模塊

通信單管塔中，塔段作為構(gòu)成鐵塔的子結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成鐵塔的基本子單位。因?yàn)槠錂M斷面為圓環(huán)或正多邊形，口徑自下而上逐漸減少，且斜率恒定。在其建模過程中，往往結(jié)構(gòu)工程師需要根據(jù)每一小節(jié)塔段的上下端高度，計(jì)算出口徑后建立兩個(gè)圓環(huán)截面，再組合為一根同心異徑管。該過程步驟冗雜煩瑣，工作量大，不利于項(xiàng)目工程的開展。同時(shí)，常用的SAP2000軟件中對(duì)變截面構(gòu)件的截面慣性矩過渡僅能選取線性、二次方和三次方這三種模式，而實(shí)際圓環(huán)是四次方的關(guān)系，所以建模中無可避免的會(huì)有一定的誤差[2]。

經(jīng)過研究不難得出結(jié)論，單管塔各塔段中構(gòu)件呈現(xiàn)出相當(dāng)?shù)囊?guī)律性。其中，在知道各塔段上下端寬度及高度和分段數(shù)的情況下，可以快速計(jì)算出各高度上截面的尺寸數(shù)據(jù)。

本軟件信息輸入模塊基于上述思路，主要功能是為使用者提供輸入單管塔建模分析所需的幾類信息的友好交互界面，主要搜集以下四類數(shù)據(jù)：

1)塔身的模型數(shù)據(jù)，包括塔高、塔腳高、塔身材料、頂徑、底徑、風(fēng)壓、地面粗糙程度等級(jí)、塔身截面形狀。

2)平臺(tái)等附屬物數(shù)據(jù)，主要簡化為：掛高、擋風(fēng)面積、體形系數(shù)和質(zhì)量這四個(gè)參數(shù)。

3)塔身豎直方向上塔段分布，包括：段長、壁厚。

4)塔腳的模型數(shù)據(jù)，包括：法蘭板內(nèi)徑、法蘭板中徑、法蘭板外徑、法蘭板厚度、加勁板高、加勁板寬、加勁板厚度、加勁板切角、加勁板材質(zhì)、水平焊縫高、豎直焊縫高、地腳螺栓數(shù)、地腳螺栓規(guī)格、地腳螺栓材質(zhì)。

塔段單元圖見圖2。

3 建模分析模塊

建模分析模塊主要功能為：承接信息輸入模塊數(shù)據(jù)，依據(jù)有限元法對(duì)塔身進(jìn)行分段，并建立數(shù)值模型(見圖3)。第二步根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的振動(dòng)理論建立振動(dòng)方程求解后進(jìn)行模態(tài)求解。第三步進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)荷載，最后分析風(fēng)載控制下的工況組合的內(nèi)力情況。

3.1 塔身模型構(gòu)建

塔身應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)假設(shè)：

1)假定單管塔與基礎(chǔ)固結(jié)，不考慮基礎(chǔ)變形。

2)多邊形管身截面近似等效為圓截面，且直徑收窄斜率恒定。

3)忽略單管塔插接段內(nèi)的增強(qiáng)效應(yīng)。

4)不考慮剪切與軸向變形。

滿足上述假定下，將單管塔看作是一根底端固接的懸臂桿，其口徑由下自上逐漸減小。利用計(jì)算機(jī)軟件將其等分為100段，每段近似取為直徑D，壁厚b，高ΔH的圓環(huán)。進(jìn)而可以得到每段的質(zhì)量，結(jié)合附屬物質(zhì)量后得到質(zhì)量矩陣[M],塔段模型見圖3。

3.2 荷載的計(jì)算與添加

風(fēng)荷載計(jì)算方法主要根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中第八章風(fēng)荷載計(jì)算公式，式8.1.1-1：

wk=βzμsμzw0。

上式由4個(gè)參數(shù)連乘得到，除了w0由建筑所在地區(qū)查表得到，其余每個(gè)參數(shù)都是由荷載規(guī)范第八章若干個(gè)公式計(jì)算得到，其中所需的各類參數(shù)分為兩種：

1)可由軟件計(jì)算得到的參數(shù)，該類參數(shù)包括每節(jié)塔段的迎風(fēng)面積、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、一階周期、振型等。這些參數(shù)可以運(yùn)用程序內(nèi)置的運(yùn)算邏輯進(jìn)行計(jì)算、插值、模態(tài)分析導(dǎo)出等方法得到，并運(yùn)用到風(fēng)荷載計(jì)算中。其中塔身自振周期和振型為計(jì)算難點(diǎn)，可以根據(jù)肖鵬、孫亞提出的單管塔自振周期的數(shù)值解法[3]求得。

2)需要人為指定的參數(shù)，該類參數(shù)包括基本風(fēng)壓、山高、地面粗糙類別、附屬物的迎風(fēng)面積和體形系數(shù)等。這些參數(shù)與每個(gè)工程實(shí)際所屬環(huán)境和塔身做法相關(guān)，已由使用者在參數(shù)輸入模塊根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)輸入。

上述參數(shù)收集完畢后，軟件將自動(dòng)生成風(fēng)荷載。具體計(jì)算方法這里不再一一贅述，計(jì)算完畢后程序?qū)⑺盹L(fēng)荷載、附屬物風(fēng)荷載以水平節(jié)點(diǎn)荷載的形式加載至塔身模型見圖4，形成荷載向量{F}。

4 分析結(jié)果輸出模塊

當(dāng)塔身及附屬物的模型和風(fēng)荷載都設(shè)置完畢后即可按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中第三章規(guī)定的風(fēng)荷載控制下的主材受拉和受壓工況分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)和基本組合。工況組合完畢后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析得到結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)，塔段分析結(jié)果見圖4。

軟件的后處理部分由底部法蘭地埋件計(jì)算和文件讀寫部分組成。前者獲取塔身各工況下的位移、內(nèi)力等數(shù)據(jù)后，進(jìn)行底部法蘭、地埋件的計(jì)算，后者可以將已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存至Excel表格或讀取Excel表格，方便數(shù)據(jù)的拷貝、傳輸與保存。

5 計(jì)算實(shí)例

為了驗(yàn)證軟件的計(jì)算準(zhǔn)確性，取鐵塔公司《通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集》V1.3中4座單管塔進(jìn)行復(fù)核：

塔(1)：DGT(C)-30-0.35-3PT3；

塔(2)：DGT(C)-35-0.45-3PT3；

塔(3)：DGT(C)-40-0.55-3PT3；

塔(4)：DGT(C)-45-0.65-3PT3。

5.1 自振周期計(jì)算結(jié)果對(duì)比

以SAP2000建模后模態(tài)分析得到的自振周期分別和軟件數(shù)值解及0.013H經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行偏差分析[4]，具體的數(shù)值及偏差分析結(jié)果見表1。

表1 周期結(jié)果對(duì)比

由表1可以看出，規(guī)范推薦的自振周期經(jīng)驗(yàn)公式0.013H得出的自振周期數(shù)值較小，其結(jié)果與SAP2000模態(tài)分析結(jié)果誤差相當(dāng)?shù)拇?，均大?0%。相比之下，軟件的數(shù)值解精度較高，與SAP2000的建模結(jié)果誤差均在2%以內(nèi)，可以認(rèn)為結(jié)果是可靠的[5]。

5.2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

軟件分析得到的單管塔內(nèi)力數(shù)據(jù)與V1.3圖集提供的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 內(nèi)力結(jié)果對(duì)比

由表2可以看出：

1)軸力誤差較大，主要原因在于程序解僅考慮了塔身中的主材質(zhì)量和手工輸入的附屬物的質(zhì)量。地腳螺栓、底部法蘭、爬釘、安全裝置等其他構(gòu)件均無法考慮，實(shí)例中4塔的軸力誤差在10%～20%之間，后期可以進(jìn)行更多的塔身計(jì)算后，綜合考慮取15%左右的增大系數(shù)以降低軟件解的誤差。

2)剪力、彎矩誤差除塔1、塔4誤差均在1%左右，總體符合程度較好，滿足預(yù)期。塔2、塔3誤差在6%～10%之間，有一定誤差，誤差原因在于：a.V1.3圖集由各家設(shè)計(jì)院分別計(jì)算，荷載取值、計(jì)算方式可能略有差異；b.V1.3通用圖集留有一定余量，造成其內(nèi)力值偏大。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于VB的通信單管塔快速設(shè)計(jì)復(fù)核軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[6]。本軟件通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)輸入和自動(dòng)建模分析，大大降低了實(shí)際工程中通信單管塔的建模分析難度，提高了一線設(shè)計(jì)師的工作效率。目前該軟件已經(jīng)正式開發(fā)完成，并申請(qǐng)了軟件著作權(quán)，同時(shí)，本程序已經(jīng)被中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司用于實(shí)際工程實(shí)踐當(dāng)中，在多個(gè)鐵塔設(shè)計(jì)項(xiàng)目中發(fā)揮了不可忽視的作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。今后的開發(fā)里可以逐步細(xì)化軟件的細(xì)部功能，并提高軟件兼容性，以進(jìn)一步推廣軟件的使用[7-9]。