标准通信三管塔倒塌安全性分析

高 山，李晓明，韩华杰（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，河北石家庄050000）

0 前言

通信铁塔是信号发射、接收和传输设备的主要载体，是移动通信网完成信号覆盖的重要基础设施［1］。通信铁塔作为一种典型的高耸结构，其控制的设计荷载通常为水平荷载，主要包括风荷载和地震荷载。由于通信铁塔属于轻柔型结构，其设计属于钢结构设计的分支，对于地震的反应相对较小，当设防烈度较低时，通常是风荷载起控制作用［2-8］。

与建筑结构不同，通信铁塔在设计上具有相似性和重复性，并且设计量往往很大，因此为了规范铁塔设计的方案，并提高设计效率，中国铁塔公司结合三大运营商已有通信铁塔的塔型，发布了《通信铁塔标准图集》［9］（下称《图集》），以规范未来我国通信铁塔的建设。

通信铁塔按照构造形式分为拉线桅杆、单管塔、三管塔和角钢塔。拉线桅杆和单管塔由于其构造简单、高度较低，其安全性比较容易得到保证，而三管塔和角钢塔则更多地用于野外开阔场地，建设和使用环境较差，建设高度较高，组成构件较多，在高风压作用下存在较大的安全隐患，局部构件和连接节点的破坏容易引发铁塔的整体倒塌。

随着通信行业的蓬勃发展，大量通信铁塔在全国各地兴建，铁塔倒塌的事故也不断出现，轻则通信中断影响生产，重则造成人员财产损失［10-13］。通信铁塔长期处于室外自然环境下，其初始的质量状况、自然因素及人为因素都可能影响到铁塔的安全性。因此有必要对通信铁塔高风压下的倒塌安全性进行分析。

本文选取《图集》中风压0.65 kN/m2下高度50 m的四平台三管塔进行倒塌安全性分析，如图1所示，该塔型为《图集》中风压最大、高度最高的三管塔型，具有一定的代表性。

1 分析模型

1.1 模型建立与验证

0.65 kN/m2风压下50 m 三管塔根开5.1 m，顶部宽度1.3 m，共分为10 个塔段，由上到下分别为塔段1 至塔段10。塔身总高50 m，顶部设置有5 m高的避雷针，在33、38、43和48 m处分别设有平台。

采用通用有限元分析软件ABAQUS 建立三管塔的有限元分析模型。通信铁塔的结构构件均为细长的钢管和角钢，仅考虑其承受拉压荷载，不承受弯矩，因此采用Truss 单元对杆件进行模拟。三管塔的结构构件采用Q345钢材，屈服强度345 MPa。钢材的本构模型选用带强化段的理想弹塑性材料模型，强化段刚度取2%Es。建立的有限元模型如图2所示。

青年志愿者活动参与行为调查发现：52.0%的被调查者只有在单位组织的情况下参加志愿活动，18.2%的被调查者只有在特殊时间或节日参加志愿活动；11.3%的被调查者1年只参加1次志愿活动，9.4%的被调查者每月或每2月参加1次志愿活动，6.7%的被调查者每周或每2周参加1次志愿活动[2]。较低的志愿活动参与率导致志愿服务人力资源短缺，医务志愿者服务队伍难以形成规模，医疗志愿活动开展受到制约。

图2 有限元模型

图1 50 m三管塔

为了验证有限元模型的正确性，采用3D3S钢结构设计软件［14］建立相同模型，并计算模型的前5 阶自振频率。由表1可以看到2个软件计算的结果近似，验证了模型的可靠性。

表1 自振频率计算

1.2 荷载施加

如前文所述，铁塔主要承受水平荷载的作用，风荷载通常是在水平荷载中起到控制作用，因此可参考《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）及《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》（YD/T 5131-2005）中给出的风荷载计算公式：

自然风由平均风和脉动风2部分组成，由式（1）可以看到，对于平均风，规范给出的公式是通过基本风速w0、地面粗糙类别和结构高度决定的风压高度变化系数μz、风荷载体形系数μs来确定的。对于脉动风，则是通过风振系数βz来考虑脉动风速对结构的影响。

对于本文建立的三管塔模型，考虑到其建设场景，将地面粗糙度设定为较为常见的B 类，基本风压为0.65 kN/m2，再根据塔段高度和挡风面积分别计算各塔段相应的μz、μs和βz，得到各塔段的风荷载标准值。将计算得到的风荷载施加于各塔段顶端，模拟风荷载的作用。

根据《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》YD/T 5131-2005中的要求，三角形截面的自立式钢塔架，在风荷载作用下，应考虑如图3所示的3种风向作用。

图3 水平力作用方向

1.3 分析方法

实际结构的倒塌过程实际上是一个复杂的动力过程，结构的自振频率、构件失效时间和冲击作用等因素都会对结构在拆柱后的响应产生重要影响。对于结构的抗倒塌动力分析，通常采用替换路径法（AP法）结合动力时程分析的方法，即在一定时间内（或瞬时）拆除关键部位的柱，并对剩余结构进行动力时程分析。美国GSA规范［15］规定在进行结构的动力拆柱分析时，构件的失效时间不得大于结构自振周期的十分之一。因此，本节采用的柱子的失效时间为0.07 s，并在移除构件后附加5 s的稳定时间，以观察结构的动力响应。因此，荷载的施加过程分为3步，首先对塔身施加水平风荷载，待结构稳定后，拆除指定位置处的柱，然后观察结构的动力响应。

构件破坏平面位置见图4（a），即三角形截面顶点轴线上的构件，对于工况一和工况二，1点位置轴线上的塔柱破坏最不利，对于工况三则分别考虑2点和3点位置轴线上的塔柱破坏。从立面位置上看，由于各塔段的荷载施加在塔段顶端，因此选择每个塔段上内力最大的底部塔柱，如图4（b）所示。

图4 构件破坏位置

2 三管塔倒塌安全性分析

选择塔顶标高50 m 处的顺风向水平位移作为分析参数，分析研究不同方向风荷载作用下，各塔段柱失效后的塔顶水平位移的动力时程曲线，结构在塔柱失效后的动力响应。《高耸结构设计规范》（GB 50135-2006）中对于铁塔水平位移限制的规定，在风荷载作用下，按非线性分析的自立塔水平位移限制为1/50，对于本文的三管塔模型，水平位移限制为1 000 mm。

2.1 工况一

图5 工况一塔顶位移动力时程曲线

对于工况一方向的风荷载，失效轴线上的柱处于受压状态。塔顶顺风向的位移时程曲线如图5 所示。可以看到，当风荷载施加完成后，塔顶的水平位移为353 mm，满足规范要求。当拆除塔段1的塔柱时，塔顶水平位移基本没有任何变化，仍为353 mm；当拆除塔段2 的底层塔柱时，塔顶的水平位移也没有明显增大和振动，位移最大时为410 mm；当拆除塔段3时，塔顶水平位移出现了明显的振动，位移最大时达到了612 mm，并最终维持在500 mm 左右。根据以上分析可以看到，塔段3及以上部分的塔柱失效时，剩余塔身具有足够的内力重分配路径和能量耗散能力，三管塔并不会发生倒塌，甚至并未超过规范要求的水平位移限值。

当拆除塔段4 的底层柱时，可以看到塔顶的水平位移骤增至2 000 mm，此时虽然水平位移最终稳定，但已经超过了规范规定的水平位移。由于塔顶位移并未出现发散性增大，可以认为此时的三管塔仍具有一定的抗倒塌能力，但塔段4 仍存在较大安全隐患。而对于塔段5到塔段10的底层柱，在拆除后塔顶位移出现了发散，说明三管塔发生了倒塌。

2.2 工况二

图6 工况二塔顶位移动力时程曲线

对于工况二方向的风荷载，失效轴线上的柱处于受拉状态。塔顶顺风向的位移时程曲线如图6 所示。可以看到，与工况一相似的是，当塔段1、塔段2和塔段3 的底层塔柱破坏时，剩余塔架均具有充足的内力重分配能力，并未发生倒塌，并满足规范要求，工况二下前3 个塔段拆除后的水平位移要略小于工况一，这是由于工况一下重力与风荷载产生同向的内力，加剧了结构的倾斜，而工况二下重力作用方向与风荷载相反，有利于保持结构平衡。基于相同原因，当塔段4 的底层柱失效时，其失效后的平衡位移仅为1 400 mm，虽然超过了规范限制，但该方向风荷载作用下三管塔的抗倒塌能力要强于工况一。

2.3 工况三

对于工况三方向的风荷载，2 点位置上的柱处于受压状态，3 点位置上的柱处于受拉状态，考虑2 个位置上的塔柱分别失效下塔架的动力响应。由于工况三风向下结构的界面不对称，塔架在风荷载作用下会产生扭转，因此分别考察顺风向和垂直风向上塔顶的水平位移。

对于重力荷载起到不利作用的2 点位置，由图7（a）可以看到，相比于工况一，塔段1到塔段2的塔柱失效时，塔顶顺风向位移基本没有变化，塔顶垂直风向位移基本为0；塔段3 的塔柱失效时，塔顶顺风向位移略有减小，此时塔顶垂直风向位移也较小，峰值约为100 mm；塔段4的塔柱失效时，塔顶顺风向位移约为1 100 mm，略大于规范限制，但考虑到塔柱失效，可以认为此时塔柱是相对安全的，其垂直风向位移约为450 mm，2个方向位移的矢量和为1 188.5 mm。塔段5到塔段10拆除后，塔顶的水平位移在顺风向和垂直风向上都发生了发散，证明塔架无法继续承载，发生了倒塌。

对于重力荷载起有利作用的3 点位置，由图8 可知，相比于2点位置，3点位置的塔柱破坏后，结构的整体响应较小。塔段4的塔柱失效后塔顶顺风向最大位移约为1 000 mm，垂直风向最大位移约为340 mm，2个方向的矢量位移约为1 056 mm，基本满足规范要求。值得注意的是，与工况二类似，由于重力荷载的有利作用，当塔段10 的塔柱失效时，塔顶顺风向位移并没有出现发散，而是稳定在1 450 mm 左右，塔架并未发生倒塌。与地面连接的斜撑也起到了一定的作用，可见节点作为铁塔的内力汇集点，在内力重分配过程中起到了十分重要的作用，保证了当主要承重构件发生破坏时，荷载可以有效地传递到与其相邻的构件上。

图7 工况三2点塔顶位移动力时程曲线

图8 工况三3点塔顶位移动力时程曲线

3 结论

本文针对铁塔公司发布的《通信铁塔标注图集》中的标准三管塔，选取风压0.65 kN/m2下高度50 m 的四平台塔型进行倒塌安全性分析，主要结论如下。

a）对于风压0.65 kN/m2下50 m 三管塔，其塔段3（38 m）以上部分塔身安全储备较大，当塔柱失效后塔架不会发生倒塌；塔段4的底层柱（33 m）失效时，塔身出现较大位移，但并未倒塌；其余塔段在失效后结构基本都发生了倒塌。

b）塔身挡风面与风向呈一定角度时，虽然塔身在塔柱失效后发生了扭转，但总体变形仍小于风向垂直于挡风面的工况。当失效塔柱承受拉力时，重力荷载将起到有利的作用。

c）在进行塔身设计时，应尽量避免塔身迎风面与主风向垂直，并降低塔柱承受的压应力水平。

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