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时间:2018-11-17
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1、高耸通信铁塔的地震动力响应分析赵玉明1,王丽2,卢玉林2(1.天地科技建井研究院,北京100013;2.防灾科技学院防灾工程系,北京605201)摘要:通过数值模拟的方式分析了高耸通信塔在强震作用下的动力特点,根据平台和信号器设置的数量,在塔顶施加等效荷载来模拟通信设备及平台自重的影响。结果表明,避雷针与塔身连接位置主要以拉应力为主,容易断裂。配重下的塔体应力延时程变化略大于无配重结果,而最大水平位移因重力二阶效应要远大于无配重结果。配重区域位移应力都较大,是主塔的薄弱环节。在抗震分析时,应更好地选择附带配重的铁塔作为计算依据是保证结构安全的重要条件。.jyqk的高耸铁塔而
2、言,顶部通常附属有上人平台和一定数量的信号发射器,因此顶部铁塔质量一般较大,边梢效应会造成顶部产生大变形,出现破坏[1?4]。在传统的通信铁塔分析中,通常只考虑主塔的动力性能,即塔身在地震作用下的力学行为,而往往忽略顶部通信设备和上人平台自重对铁塔动力性能的影响,这样的计算结果往往比实际值受力,在一定程度上会影响对塔体安全性的研判。铁塔顶部集中了较大的质量是受平台自身所用钢材和通信设备数量的影响,这一部分的配重往往造成铁塔呈现“头重脚轻”的结构受力特点,因此分析带有顶部含有配重质量的铁塔就显得尤为重要。本文通过数值模拟的方式,分析华北地区典型四角高耸铁塔(高度大于50m)在
3、强震作用下的反应,并对比考虑在设备、平台自重与无配重塔架自身条件下的应力、位移场变化,从而分析不同烈度区铁塔的动力性能和薄弱环节,为铁塔的抗震设计分析提供基础。1计算模型及方法1.1通信塔计算模型通信塔模型采用华北地区常用的设计型号,由塔架、平台、塔梯、支架及避雷针等组成,塔身所用的型钢、圆钢和板材均采用Q235B型,如图1所示。根据设计资料,平台自重一般为500kg,单支天线支架及天线总重量一般在50kg左右,根据顶部附属天线数量,可计算其配重大小。鉴于强震分析的重要性,计算采用空间桁梁混合模型,即塔身主材和横隔材视为梁单元,斜材视为杆单元,同时还考虑了梁受剪切变形的影响
4、,使得结构的刚度对自振周期和频率的贡献与实际相符[2]。根据塔身材料分为6个计算区段,除主材之外,塔身截面每区段内设置斜撑杆保证主塔整体稳定性,且斜撑之间采用铰接方式连接,三维有限元模型如图2所示。最终离散的有限单元总数为20880,节点总数为20630个,钢塔底部采用全固结方式处理。1.2理论计算依据在分析铁塔的动力性能时,采用时程分析可以较好的反应主塔在地震作用过程中的力学行为,能够研判铁塔位移场随时间的变化过程。根据铁塔模型,在计算区段内可将其视为多自由的振动体系[5?6],塔身的6段划分可为计算提供简化手段,将主塔模型视为弹性结构,系统的运动方程可表示为式(1):式
5、中:M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;X(t)为位移向量;u(t)为地面加速度向量;t为时间。在时间增量Δt内,可将C,K视为不变的常数矩阵,则动力方程可以表示为增量形式如式(2)所示,可通过Neark?b法求解动力方程[7?8]:1.3数值模拟方法以有限元数值模拟为基础,借助ANSYS软件通过时程分析完成主塔的地震模拟。地震动以实际记录的天津波为依据,提取最大波动的4s范围作为计算时程,离散的波动曲线如图3所示。采用时程分析时,在塔底部施加地震波,考虑塔基为刚性基础,根据地震波的影响将水平与竖直方向的加速度比可按照1∶0.8进行调整施加,以保证铁塔动力计算的可靠性
6、[4]。计算程序中平台围护铁板及天线支架并未建立实体模型,通过在主塔平台和顶部位置施加等效集中荷载来模拟平台和通信设备自重的影响。2计算结果2.1高耸铁塔动力特点图4是不同时刻铁塔的水平位移云图,可以看出在平台及塔顶都是大位移出现的区域。顶部的避雷针是独立杆件结构,末梢效应造成塔尖变形大,主塔底部为全约束方式所以变形最小。顶部避雷针在水平地震作用下产生最大位移变形,是塔身整体最为脆弱的位置,与历史震害中顶部避雷针的脱落相吻合,所以在考虑抗震时,应加强避雷针与主塔的构造连接措施。图5(a)是铁塔水平位移随加速度变化的时程分布,可以看出振动时刻的2s之前位移基本随加速度变化成正
7、比关系,但是在最大加速度发生后,位移与加速度关系变得复杂。特别是在振动后期,位移瞬间值高于最大加速度所对应的位移,出现了整个时程中的最大水平位移,这主要是因为铁塔随加速度绝对值增加而导致惯性增加,当加速度峰值过后,因惯性作用造成塔尖水平摆动剧烈,造成后期位移偏大。也正是基于惯性作用,避雷针与塔身接触的位置主要呈现以拉应力为主的分布特点,从而间接的表明主塔在地震作用下以受弯变形为主,见图5(b)所示。2.2有无配重铁塔动力比较图6是在实际地震波作用下,有无配重的铁塔应力、位移数值结果比较。无配重塔身的最大工作应力为1
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