地震作用下通讯拉线塔拉线预应力的优化

穆 宇 亮

(中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021)

地震作用下通讯拉线塔拉线预应力的优化

穆 宇 亮

(中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北 石家庄 050021)

通过有限元分析软件，对通讯拉线塔进行了建模，按三种不同预应力值进行地震动力时程分析，得到了地震作用下不同预应力值拉线的内力时程曲线，对比三种预应力值计算的结果，从而选出了地震作用下合理的拉线预应力取值。

通讯拉线塔，预应力，抗震设计

0 引言

通讯拉线塔是一种由钢绞线拉线固定，塔身上可安装移动通信天线的塔桅形式，具体形式见图1。塔身一般是格构式桁架，由钢管、角钢或圆钢组成。除塔身底部外，塔身在不同高度安装拉线为铁塔提供约束。该塔型外观新颖，受力合理，塔体重量轻，施工简便、周期短，是一种性能良好、经济实用的通信塔型。

通讯拉线塔作为通信铁塔的一个重要分支，在传统刚性结构的基础上引入柔性的预应力拉索，并施加一定的预应力，在不同高度为塔身提供约束，减少了铁塔自由长度，从而改变了结构的内力分布和变形特征，优化了结构的性能，使得结构重量大为减轻，在工程中得到了广泛的应用。

通讯拉线塔一般安装在建筑物的屋面上，高度在8 m～16 m之间。因为其塔身截面尺寸小，在既有结构上较易选定受力点，对结构产生的影响小。但该结构也有其缺点，因为结构本身需要拉线提供约束，而拉线与水平线的夹角通常为45°，故塔身越高其占地面积越大；而且对固定拉线的锚固件和拉线要求较高。

1 拉线塔钢绞线预应力及计算方法

拉线是一种柔性构件，仅能承受拉力，不能承受压力，作为通讯拉线塔的重要构件，对于拉线结构体系的形成是必不可少的。铁塔塔身依靠预先对拉线施加预应力从而为其提供必要的支撑，抵抗由地震作用产生的荷载。由此得出，施加了预应力的拉线是实现抗震性能的关键因素。

拉线的预应力可以人为调节，它的大小对结构的抗震性能有较为显著的影响，预应力过小则不能为塔身提供必要的约束，在地震作用下，拉线可能松弛而退出工作；反之，如果预应力过大会增加塔身结构的负担，同时会增大既有结构的荷载，产生不利的影响。所以，通讯拉线塔的预应力应该存在一个合理值。既可以满足地震作用下抵抗荷载的要求，同时又要尽量减小预应力的取值。目前，通讯铁塔地震反应的计算分析方法主要有振型分解反应谱法和时程分析法。其中，反应谱法主要应用于弹性多自由体系的分析，而且分析所得的结果是最大地震反应，并不是结构在地震作用下反应的全过程。时程分析法是对结构的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各个质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，进而计算构件内力和变形的时程变化，该方法直接输入实测地震加速度时程记录或者人工加速度时程，对运动方程积分求得地震作用下结构在整个过程中的反应[1]。根据加速度时程输入位置和方向，时程分析法的加速度时程输入方式分为单点一致输入、多向单点输入、多点输入和多向多点输入等[2]。本文算例采用时程分析法对拉线塔进行分析。

2 有限元模型和计算结果

以一个典型通讯拉线塔为研究对象，建立有限元模型。塔身为三角形断面的桁架，高度15 m，断面边长500 mm，主材采用Φ89×6，斜材和横材采用L45×4，拉线采用钢绞线，俯视按120°间隔布置，在塔身12 m，6 m设两层拉线，上层拉线与水平线角度为38°，下层拉线与水平线角度为57°，占地为16.5 m×14.5 m。模型见图2，选取上层拉线作为考察对象，通过分析结果来说明拉线的地震反应。

以模型为研究对象，计算结构在地震作用下的反应。假定该工程所在地区地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类场地，设防烈度为8度(0.2g)。根据所在场地选取EI-Centro波作为实测地震加速时程。同时根据当地的设防烈度和GB 50011—2010建筑抗震规范[3]中的规定对地震波进行波峰调整，将该加速度时程中的加速度值调整至70gal。

将上下两层拉线预应力作为考察参数，分别设置为1 kN，3 kN，5 kN时进行地震动力时程分析，并对结果进行整理，得到不同预应力拉线内力的时程曲线，见图3，图4。

3 结语

由以上模型计算结果可以看出：

1)拉线内力时程曲线接近于EI-Centro波的波形。在地震作用下，拉线内力峰值出现的时间稍晚于地震波的波峰值。

2)在地震烈度为8度(0.2g)地震作用下，拉线内力最大拉力为1.07 kN，且上层拉线的内力大于下层拉线的内力。因为拉线为只拉构件，在承受压力时退出工作。

3)在静力作用下，若不考虑结构初始缺陷，拉线受力很小，只有在地震作用下，拉线才参与工作。由此可以得出，为保证拉线不因为松弛而退出工作，拉线的预应力应与地震作用下所承受的内力相接近为宜。过大则增加塔身和拉线的荷载，过小则使结构在地震作用下容易松弛。所以，在抗震8度区，15 m通讯拉线塔拉线预应力以1.5 kN～2 kN为宜。

[1] 杨 忠，张文旭.局部双层网壳结构的自振特性分析[J].华北地震科学,2008,26(4):41-44.

[2] 陈志华.张弦结构体系[M].北京:科学出版社,2013:103-106.

[3] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

Prestress optimization of communication cable tower’s cable under earthquake action

Mu Yuliang

(ShijiazhuangDesignInstitute,SinosteelEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shijiazhuang050021,China)

Modeling of the communication cable tower through the finite element analysis software, value of seismic dynamic time history analysis according to three different prestress, get the curves of the seismic action under the different value of prestressed cable internal force, computational results comparing the three kinds of prestress value, draw the cable prestress reasonable under the action of earthquake.

communication cable tower, prestress, seismic design

2015-02-12

穆宇亮(1979- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)12-0041-02

TU394

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