基于实测模型的通信铁塔抗震性能仿真分析

张朋波　高永强　杜文嫚　闫佳麟

摘要： 针对目前通信铁塔抗震性能仿真分析结果存在较大误差的问题，提出基于实测模型进行仿真分析的方法.通过现场测试得到铁塔的动态参数，依据测得的动态参数对建成的有限元模型进行修正，使其能更加准确地反映铁塔的动力特性.依据相关标准，选用人工合成地震波和2条真实地震波对铁塔模型进行抗震性能分析.结果表明铁塔的响应位移和应力均小于标准要求值，满足抗震要求.

关键词： 通信铁塔； 抗震性能； 时程曲线； 实测模型

中图分类号： TM753文献标志码： B

Abstract： As to the issue that the error of anti-seismic performance simulation analysis on communication tower is large， a method based on measured model is proposed for the simulation analysis. According to the dynamic parameters of a tower obtained by field test， the finite element model is corrected to reflect the dynamic characteristics of the communication tower more accurately. According to the relevant standards， one artificially synthesized earthquake wave and two seismic recorded waves are used to simulate and analyze the anti-seismic performance of the tower model. The results indicate that the response displacement and stress of the tower are less than the requirement in the standards and the tower meets the anti-seismic requirements.

Key words： communication tower； anti-seismic analysis； time history curve； measured model

0引言

通信铁塔是通信网的重要组成部分，其抗震性能的好坏直接影响地震灾害中通信网络的畅通与否.行业标准对于通信铁塔的抗震性能也有明确要求.[1]然而，由于铁塔体积大、质量大，所以无法通过地震模拟试验台考核其抗震性能.[2-5]计算机仿真分析技术在汽车、航空航天等领域已得到广泛应用，在铁塔仿真分析中也有一定应用.[6]在铁塔仿真分析中，一般根据设计图纸或三维模型建立有限元模型，从而对其进行载荷及抗震性能分析.该方法只针对设计模型进行分析，无法准确反映设备真实运行工况下的性能.[7-9]本文通过现场测试得到铁塔的动态参数，进而对铁塔的有限元模型进行修正，使其动态参数与实测参数相吻合，保证有限元分析结果准确反映铁塔的抗震特性.

1基本理论

1.1动力特性测试

每个结构都有自己的动力特性，称为自振特性.了解结构的动力特性是进行结构抗震设计和结构损伤检测的重要步骤.目前，在结构地震反应分析中广泛采用振型叠加原理的反应谱分析方法，该方法以确定结构的动力特性为前提.表征结构动力特性的主要参数是结构的固有频率、振型和阻尼比.通过测试结构的动力特性，得到其动态参数.[6]

一个自由度为N的结构体系的动态参数可由N阶微分方程表示，即Mx¨+Cx·+Kx=p（t）（1）式中：p（t）为外部作用力的N维随机过程矩阵；M，C和K分别为结构体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，均为N维矩阵；x¨，x·和x分别为结构的N维加速度响应矩阵、速度响应矩阵和位移响应矩阵.

动力特性测试的方法有很多，常用的有稳态正弦激振法、脉动测试法和自由振动法，其中脉动测试法被广泛用于建筑结构、斜拉桥及悬索桥等柔性结构的动力特性测试中.本文考虑铁塔的结构特征，选用脉动测试法.

1.2有限元分析

有限元分析是一种针对结构力学分析快速发展起来的现代计算方法，其利用数学近似方法对真实的几何和载荷工况进行模拟.

有限元分析用简化的问题代替复杂问题然后再求解，将一个整体模型分解为有限多个小单元，对每个单元建立方程并求解，进而求得整体响应.

正确建立模型是有限元分析结果准确的前提，结构动态参数是结构动力特性的体现.通过修正有限元模型，使其动态参数与实测值相近，从而使模型表现结构的真实特性.

2现场测试

2.1铁塔参数和测试方案

本次测试选取武汉某地区的三管塔为实验对象，塔高50 m，塔底根开3.6 m，底部通过3个法兰安装在桩基上，总重为14 025 kg.通信塔上部共3个平台供安装天线；全塔共7段，塔段与塔段之间通过法兰连接；铁塔主材为直缝电焊钢管，辅材为角钢塔柱和法兰材料为Q345B，其他构件材料为Q235B.铁塔整体见图1.

通信铁塔结构较大，不利于人为激励，因此选用自然激励法即脉动法，依靠地脉动和随机风等自然激励使其自振，通过采集其响应得到其动力特性.由于铁塔的固有频率较低，测试传感器选择941B型低频拾振器.根据有限元模型初步分析，观察铁塔的几阶振型分布，结合现有的器材数量，自下至上沿铁塔接点布置8层传感器，传感器布置方式为：在一边中点和其对角布置2个x方向传感器，另外2个角各布置1个y向传感器[10]，见图2.因铁塔固有频率较低，故采样频率fs选51.2 Hz，采集时长30 min.

2.2测试结果

本次测试分析软件选用Dasp V10，根据铁塔图纸对其进行建模，为保证结果的准确，采用随机子空间法和多参考点IIR算法分别对采集的数据进行模态拟合.拟合的固有频率见表1，铁塔的前4阶振型见图3.从图3可以看出，前2阶为2个方向的1阶弯曲振型，第3阶为铁塔的扭转振型，第4阶为铁塔的2阶弯曲振型.

3仿真建模

根据设计图纸，采用HyperWorks对铁塔进行建模，结果见图4.模型中铁塔的主材和横材采用梁单元模拟，斜材和辅材采用杆单元模拟，对地连接采用刚性单元模拟.对有限元模型进行模态分析，根据实测数据经过多次修正，前4阶模态振型见图5，与实测模型基本一致；前5阶固有频率见表2.由图4和5可以看出：弯曲模态的误差均小于20%，且2个1阶弯曲和1个2阶弯曲的误差均在10%以内.由于铁塔塔段与塔段之间采用法兰连接，介于刚性连接和铰接之间，而现有有限元分析方法只能模拟一种连接，同时，由于扭转刚度和弯曲刚度之间存在耦合关系，所以通过调整弯曲刚度使弯曲固有频率与实测相符时，扭转频率误差较大.考虑实际中弯曲引起的危害占主要因素，因此认为模型能正确反映实际铁塔的动力特性.

由于标准中关于位移的限制是在风载荷和地震载荷共同作用下的要求，对于通信塔等高耸结构，风载荷对结构的位移影响更大，因此位移结果远小于要求值.本文主要从材料强度和位移2方面考核铁塔抗震性能.

5结束语

本文根据通信铁塔的结构特征和动力特性制定有效的动力特性测试方案，得到铁塔的动力特性参数.根据得到的参数对有限元模型进行修正，改变有限元模型单纯依靠设计图纸建模的现状，使修正后的模型具有与真实铁塔相近的动力特性，从而在铁塔抗震性能仿真分析中能够准确反映铁塔的抗震性能，为铁塔的运行、维护和扩容等提供依据.参考文献：

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