通信单管塔抗震性能分析

孙国良

摘要： 为确定通信单管塔在地震载荷作用下结构设计的安全性，选取典型的通信单管塔为研究对象，通过合理的结构简化建立有限元模型；参考规范中8烈度罕遇地震的要求，通过静力分析法、振型分解反应谱法和非线性时程法分析计算结构的抗震性能；对3种计算方法得到的结果进行对比，得出不同分析方法计算结果的差别；通过综合分析计算结果评估通信单管塔的抗震性能.

关键词： 通信单管塔； 抗震分析； 静力分析； 反应谱分析； 非线性时程分析； 有限元

中图分类号： TU352.1文献标志码： B

Analysis on antiseismic performance of

communication monopole

SUN Guoliang

（Baoding TTL Antiseismic Research Institute of Telecommunication Equipment， Baoding 071051， Hebei， China）

Abstract： To confirm that the design of communication monopole structure is safe under seismic load， a typical communication monopole is taken as the research object and a finite element model is built by reasonable structure simplification； according to the requirements for the rare 8th seismic intensity in the specifications， the antiseismic performance of the structure is separately calculated by the methods of static analysis， response spectrum analysis and nonlinear time history analysis； the difference of the results are obtained by comparison of the results of the three analysis methods； the calculation results are comprehensively analyzed to evaluate the antiseismic performance of the communication monopole.

Key words： communication monopole； antiseismic analysis； static analysis； response spectrum analysis； nonlinear time history analysis； finite element

0引言

目前，中国移动、电信、联通三大运营商共有通信铁塔200多万根.随着4G的发展，通信铁塔的数量将以每年万级的数量增长.汶川地震、雅安地震均有通信铁塔受到地震载荷激励而倒塌，直接造成局部通信网中断，使抗震救灾抢险的难度增大.为能准确了解灾情，提高通信铁塔的抗震可靠性，需对通信铁塔进行抗震分析.

目前，通信塔的主要形式有：（1）以角钢作为主要受力构件的角钢塔；（2）以无缝钢管组成的空间桁架为受力体的多管塔；（3）以大直径焊接钢管为主要受力体的单管塔.[1]通信单管塔以其具有美观、节约用地、制作方便、易于批量生产等优点，近年来在通信工程中被广泛地应用.与普通角钢塔、多管塔相比，单管塔的整体刚度小，因此在以地震、风荷载为主的横向载荷作用下的水平位移较大.[2]

通信单管塔的主要受力构件为一根下大上小、横截面渐变的悬臂钢管，结构的高度远大于其直径，属于典型的高耸结构.同时，单管通信塔的径厚比通常很大，属于薄壁壳体结构，在地震、风载荷等横向载荷的作用下，结构的侧向位移较大.同时，由于铁塔的自重作用以及平台集中在顶部，使得通信单管塔的PΔ效应明显，有较强的非线性.[3]

由于国内地震模拟振动台能力的限制，不能进行通信单管塔抗震性能原型的抗震性能试验，而《高耸结构设计规范：GB 50135—2006》，《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》和《移动通信工程钢塔桅结构设计规范：YD/T 5131—2005》中规定可通过有限元法确定通信单管塔结构的抗震性能.

1单管塔结构说明

单管塔模型见图1.塔身总高40 m，质量约为10.1 t；管塔结构材料采用Q345钢材，塔身截面为12边形，连接形式为套接.塔体从上到下分为5个塔段，长度均为8 m，塔段1～3壁厚为8 mm，塔段4壁厚为10 mm，塔段5壁厚为12 mm，底部法兰厚度为30 mm，底部法兰加劲板厚度为10 mm，内环加劲肋厚度为10 mm，管段加强板厚度为15 mm.

根据《钢结构设计规范》，Q345B钢材的材料力学性能为：厚度≤16 mm，抗拉、抗压和抗弯强度为310 MPa，抗剪强度为180，刨平顶紧的端面承压强度为400 MPa.[4]

2单管塔结构模型简化说明

用各向同性材料模拟单管塔材料.为更好地仿真管塔主体结构，将管塔附属构件（避雷针、平台、塔梯和安全绳等）用集中质量单元进行简化.塔段之间采用套接、法兰盘或内螺栓连接，各段塔管的结构尺寸和材料厚度不完全相同，可视为厚度相等的均匀变截面管.[5]单管塔共划分为52 834个节点，50 147个单元，最小单元尺寸为60 mm.塔段、底部法兰加劲板、内环加劲板和加强板用板壳单元模拟，底部法兰盘用实体单元模拟.通信单塔网络划分示意见图2.

塔段5与法兰盘之间的焊接，底法兰加劲板与塔段5和与底法兰之间的焊接和内环加劲肋与塔段5之间的焊接均采用共节点方式模拟；加强板与塔段5之间的焊接采用刚性单元模拟；塔段之间的套接采用接触模拟，摩擦因数取0.3[6].

假定单管塔与基座连接处为铰接，在底部法兰盘的每个地角螺栓安装位置约束x，y和z这3个方向的平动自由度.假设管塔底部基座为刚性基础[7]，不进行管塔底部锚栓埋深及抗拔承载力分析，不考虑地基沉陷、土壤液化引起的结构损坏.

3动力特性分析结果

运用兰佐斯法求解1～50 Hz频率范围内单管塔的模态振型和模态频率.由于单管塔结构为中心对称结构，存在x向和y向2个方向的对称弯曲模态振型，其动力特性可简化为一头固定、一头自由的悬臂梁结构，模态频率见表1；单管塔x向的前4阶弯曲模态振型见图3.

4单管塔抗震性能分析

通过静力分析、振型分解反应谱分析和非线性时程分析，分别计算在8烈度罕遇地震作用下单管塔结构的变形和应力，阻尼比取3%[7].

4.1静力分析

根据GB 50011—2010第5.1.2条规定，高度不超过40 m以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构以及近似于单质点体系的结构可采用底部剪力法简化方法.[8]根据GB 50135—2006第3.0.7条规定，高耸结构设计时应的极限状态表达式[9]为γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+wEγwSwk≤R/γRE（1）式中：γG为永久载荷分项因数；γEh和γEv分别为水平和垂直地震作用分项因数；γw为风载荷分项因数，取1.4；SGE为重力载荷代表值的效应；SEhk为水平地震作用标准值的作用效应值；SEvk为竖向地震作用标准值的作用效应值；Swk为风载荷标准值的效应；wE为抗震基本组合中的风载荷组合值因数，可取0.2；R为抗力；rRE为抗力抗震调整因数，取1.0.

计算8烈度地震对单管塔结构的影响，同时考虑水平地震载荷和竖向地震载荷的影响，式（1）中各个因数的取值见表2.

取通信塔的阻尼比为0.05，分别根据第三组IV类场的场地特征周期选取地震影响因数，本文选取8烈度罕遇地震影响因数为0.9.载荷加载点见图4，底部最大应力云图见图5.根据静力分析法计算得到单管塔受地震力作用下的结构响应见表3.图 4载荷加载点

位移/mm塔段114塔段1侧壁348塔段231塔段2侧壁250塔段348塔段3侧壁149塔段453塔段4侧壁72塔段5102塔段5与加强筋连接处22

4.2反应谱分析

根据GB 50135—2006第4.4.4条和GB 50011—2010第5.1.2条，对于高耸结构，可采用振型分解反应谱法计算其地震作用.

振型分解反应谱法和底部剪力法都是动力法中的反应谱法，即按照标准反应谱，考虑地震时地面加速度引起的结构自身加速度动力反应，并用作用在结构上的地震惯性力来表示，把动力问题转化为静力问题处理.振型分解反应谱法综合考虑结构在不同振型时的地震反应，而底部剪力法只考虑结构基本振型第1振型时的反应，是一种简化计算方法[9].

每个质点质量与其在某一振型中相应坐标乘积之和与该振型的主质量（或者该模态质量）之比，即为该振型的振型参与系数.振型参与系数表示振型在整体响应中所占的比重，是不同频率振型对结构响应的一种贡献量，表示在特定的方向上每一阶振型的特定贡献.根据FEMA365，模态振型的参与质量需要达到结构总质量的90%[10].本文计算得到的模态参与质量见表4.由此可知：前6阶模态参与质量已接近总质量的90%，因此计算6阶模态组合得到地震力对结构的影响就可以代表结构所有模态组合的结果.振型分解反应谱法计算结见表5.

位移/mm塔段144塔段1侧壁602塔段262塔段2侧壁428塔段383塔段3侧壁252塔段4103塔段4侧壁120塔段5142塔段5与加强筋连接处37

4.3非线性时程分析

采用时程分析法时应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于2组的实际强震记录和1组人工模拟的加速度时程曲线.[6]本文根据场地类别，选择2条强震记录和1条人工合成地震波，并人工将每条波的最大加速度调整为0.4g，满足规范中8烈度罕遇地震时程分析加速度峰值的要求，见图6.采用非线性时程分析法计算结构的地震作用.在结构底部螺栓固定点输入地震加速度时程记录，见表6.地震波激励下结构响应结果见表7.

根据上述3种分析结果，可得如下结论.

（1）本文选取的单管塔结构最大计算应力为142 MPa，远小于钢结构设计规范中材料的设计强度，最大计算位移为602 mm，小于结构高度的1/75，满足《高耸结构设计规范：GB 50135—2006》和《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》的要求.

（2）结构响应位移较大，结构变形存在几何非线性，但振型分解反应谱法只能计算得出结构线性响应结果，而时程分析不仅考虑材料非线性，同时还考虑结构的几何非线性，因此非线性时程分析计算结果小于振型反应分解法的计算结果.

（3）根据3条地震波非线性时程分析结果，本文选取的单管塔结构在8烈度罕遇地震作用下结构的PΔ效应不明显.

（4）由图5可知，塔段5底部天馈线开口处应力最大，为结构的最薄弱环节.

5结论

（1）通过对通信单管塔进行模态分析，本文选取的通信单管塔的1阶固有频率为0.63 Hz，周期为1.59 s，高于《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》中规定的场地的特征周期最大值.

（2）根据3种方法分析结果，本文选取的通信单管塔结构在8烈度罕遇地震作用下结构处于弹性变形阶段，满足《高耸结构设计规范：GB 50135—2006》和《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》的强度要求刚度.本文选取的通信单管塔在8烈度罕遇地震下不发生破坏.

（3）根据3种方法计算结果，通信单管塔结构在8烈度罕遇地震作用下结构的PΔ效应不明显.振型分解反应谱法的计算结果对于通信单管塔结构较严酷，通信单管塔抗震性能分析宜采用振型分解反应谱法.

参考文献：

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[5]艾鹏. 基于能量原理的通信单管塔PΔ效应分析方法研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2007.

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[7]李宏男. 高压输电塔抗震分析与设计[M]. 北京： 中国电力出版社， 2009： 121188.

[8]建筑抗震设计规范： GB 50011—2010[S].

[9]高耸结构设计规范： GB 50135—2006[S].

[10]王社良. 抗震结构设计[M]. 武汉： 武汉理工大学出版社， 2001： 3035.

[11]American Society Of Civil Engineers. Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings： FEMA356[R]. Federal Emergency Manngement Agency， Wanhington DC.

（编辑武晓英）