不同覆冰厚度下通信铁塔主杆应力的分析研究

孙涛　艾鹏

摘要：通过有限元程序MIDAS GEN，对45m角钢塔在不同覆冰厚度情况下的主杆应力进行计算分析，结果表明，覆冰厚度与主杆应力存在线性关系。对通信铁塔覆冰状态下的覆冰增大系数进行了初步探讨。

关键词：MIDAS GEN；通信铁塔；覆冰

中图分类号：TM75文献标识码：A文章编号：1674-3024（2016）13-245-02

前言

通信铁塔作为一种特殊的高耸结构，具有高度高、重量轻、刚度小、外形细长等特点。可能作用在通信铁塔上的外部荷载有风荷载、地震荷载、覆冰荷载、温度效应等等，其中风荷载往往是其控制荷载，强风对高耸结构造成的破坏尤其严重。近年来，极端严寒天气造成的灾害频发，覆冰状态下使得通信铁塔的挡风面积增加，使得作用在塔身上的风荷载值远远高出了正常工作坏境中的风荷载值，导致塔身因受水平荷载过大而破坏的风险增加。输电塔、通信塔、电视塔、桅杆等高耸结构由于设计强度不足而倒塌的事故屡有发生。所以对覆冰荷载下通信铁塔受力性能进行研究对于铁塔设计的安全性有重要意义。

1.工程概况

某通信铁塔实例：通信铁塔采用正方形截面，塔总高47m，跟开6m，总重19.10吨，基本风压O.75kN/m²，分别在塔段2与塔段3之间、塔段7与塔段8之间进行两次变坡处理。单线图、塔体主材、斜材、次材材料型号等数据见图1

2.结构分析

应用有限元理论，用Midas Gen建立计算模型，模型中计算节点总数为369个，计算单元总数为916个。

根据风压计算公式，在通信铁塔所处的地理位置以及基本结构形式确定的情况下，迎风面积是风荷载作用力的主要参数。在覆冰状态下，冰的厚度将引起通信铁塔迎风面积的增加，风荷载对杆塔的作用也随之增加。

覆冰厚度为Omm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm不同覆冰厚度下挡风率的数据详表1，分析内容详图2（注：以下计算表格中宽度、长度表示该塔段内的杆件尺寸，单位为mm；面积单位为mmz）：

（1）铁塔的覆冰厚度与其挡风率为一次函数关系，挡风率随着覆冰厚度的增大而增大：

（2）相比铁塔塔身，平台的结构构件截面较小且相邻间距较密，随着覆冰厚度的增加，由覆冰引起的挡风率的增长率也比后者要高很多。因此铁塔在选材上在满足构件设计强度的条件下，宜选用挡风率相对较小的结构形式，不仅可以减小风荷载对塔架结构影响；另一方面，在覆冰条件下，也可最大限度地减小因覆冰引起的挡风面积，从而减小风荷载对塔架结构作用力，提高塔架的安全性。

选取半刚性节点连接的铁塔模型作为基本模型，将风荷载简化为作用在连接节点上的集中荷载，如图3所示（图中集中力为覆冰厚度5mm情况下的风荷载值）：

通过Midas Gen进行风荷载单工况下的分析，分别得到8个塔段的主材在不同覆冰厚度情况下截面的最大压应力值与压力值，对其结果进行对比分析，结果详图4.1-图4.8：

图4.1-图4.8反应的是每个塔段在不同覆冰厚度条件下的压力变化值，变量X的常数项可以理解为是在不同的风荷载影响下各个塔段压力值增加量的幅度——数值越大，压力增加幅度也就越大。因此应对主材的“安全系数”进行包络取值，避免因“安全系数”的不同而导致安全系数较小的主材提前失效。

3.结论及展望

通过对不同覆冰厚度下通信铁塔整体受力分析对比可知：

（1）塔身的挡风面积与覆冰的厚度呈线性关系：

（2）在铁塔高度、塔脚跟开、主次材型号等客观条件不变的情况下，且仅考虑风荷载引起的结构内力，忽略因覆冰重量引起的二阶效应，铁塔的杆件应力和风荷载呈线性关系：

（3）随风荷载的增加，越接近地面的塔段的轴压力曲线的斜率越大，即越接近地面的塔段随风荷载变化其内力变化的敏感度越高。因此，在考虑有不确定因素引起的附加水平荷载的情况下，在对铁塔进行结构设计以及后期的安全复核过程中，对底部结构构件应加以重视。

《高耸结构设计规范》规定：“重覆冰区输电高塔覆冰后风荷载，按杆塔风荷载的标准值计算时，应乘以覆冰增大系数A=zo”。由于通信铁塔和电力铁塔荷载情况有很大差异，通信铁塔直接采用输电高塔的覆冰增大系数可能造成较大误差。本文对通信铁塔覆冰下的风荷载及其效应进行了初步探讨，后续可继续研究，提出相对合理的通信铁塔覆冰增大系数。