沙箱一体化塔框架基础可靠性数值模拟研究

许 阳 吴 桐 王 进

(江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019)

沙箱一体化塔框架基础可靠性数值模拟研究

许 阳 吴 桐 王 进

(江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019)

沙箱一体化塔在通信领域日渐普及，主要特点是其新颖的基础形式，但是尚未有资料分析评价其基础结构的可靠性。在对其框架基础进行受力分析的基础上，利用有限元分析软件Midas Gen建立整体模型，得到所有杆件的应力结果，发现核心筒部位是其薄弱环节，并通过增加斜撑等方式对框架基础进行了优化加强。

一体化塔,通信塔,框架基础,数值模拟

0 引言

为满足广大用户对通信质量的要求，使信号可以实现全方位、高质量的覆盖，通信铁塔的建设速度越来越快，并且，部分站点有后期二次搬迁、重复利用的要求，在此背景下，各类一体化塔应运而生。其中，由维蒙特工业(中国)有限公司设计生产的沙箱一体化塔凭借其施工快、造价低、可二次搬迁等优势在全国范围内逐渐推广开来。此塔塔身为普通单管塔，基础采用沙箱基础，基础形式具体为：型钢杆件焊接成钢框架，框架四周覆盖铁皮，内部灌注砂石填料。单管塔偏心放置，另一侧可放置铁甲机房。此塔从诞生到现在已有五六年时间，随着推广的深入使用数量越来越多，但工程界和学术界对其钢框架基础的可靠性始终存有疑虑。由于砂石填料没有刚度，只起到配重的作用，塔身传递到基础的塔脚力由钢框架承担，现有的型钢杆件组合是否具有足够的承载力来抵抗塔脚力这个关键问题一直未得到论证说明。由于钢框架结构的杆件和节点较多，受力性能和传力机制比较复杂，难以通过解析方程得到结果，因此，本文在对其框架基础进行合理受力分析的基础上，建立有限元分析模型，探究其结构设计是否安全可靠以及是否需要进一步优化。

1 有限元分析

本文以框架基础原型为参数背景，以有限元分析软件Midas Gen为工具，建立整体分析模型进行计算分析[1,2]。

1.1背景参数

沙箱一体化塔的基础有两种规格，如图1所示，两种规格的尺寸分别为6 m×4.6 m×1.1 m和6 m×6 m×1.1 m，由尺寸为6 m×2.3 m×1.1 m和6 m×1.4 m×1.1 m(长×宽×高)的标准化子单元框架通过螺栓连接而成。选择两种基础规格的判断标准是塔脚弯矩是否大于580 kN·m。钢材为Q345，主材为L100×8，斜撑L75×5，框架为全焊接结构。

以尺寸为6 m×4.6 m×1.1 m的基础框架为例，其由杆体单元和机房单元两部分通过8.8级M24螺栓连接而成(见图2)，杆体单元与单管塔连接，机房单元上方可放置铠甲机房。对机房单元受力分析(见图3)，螺栓群的拉力之和T与摩擦力f平衡，每个螺栓上的拉应力不足其抗拉强度设计值的10%，故认为左右两部分可靠连接，变形协调，可当做整体来分析。

对基础框架建立整体模型，由于所有杆件采用焊接连接，所以有限元模型采用梁单元，固结节点。

1.2边界条件

实际情况中，框架基础直接放置在地表或基坑中的混凝土垫层上，由式(1),式(2)可验证其抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性均满足《塔房一体化技术要求(V1.0)》[3]的要求，因此基础底面所有支座节点采用只受压的点弹性支撑，约束部分支座节点的X,Y方向位移，避免发生刚体位移。

(1)

(2)

式中：G——塔房一体化结构自重标准值，kN,需考虑荷载分项系数0.9；

L——塔房一体化的重心到倾覆边的距离,m；

Mk——风荷载或者地震荷载传到配重体系底面的弯矩代表值，kN·m，取荷载分项系数为1.0的承载能力极限状态下荷载效应的基本组合;

μ——配重体系底面对地基的摩擦系数，应根据现场试验确定或经验分析值;

Ph——风荷载或者地震荷载传到配重体系底面的水平力代表值,kN，取荷载分项系数为1.0的承载能力极限状态下荷载效应的基本组合。

1.3施加荷载

为实现单管塔与框架基础之间的连接，在杆体单元中心处做一个局部加强的核心筒(见图4a)和图4b))，内置与单管塔底径相同的杆体，杆体顶端通过法兰盘与单管塔连接，杆身通过上、中、下三层16 mm厚的定位板与周围竖向杆件焊接(见图4c))，定位板四周设有加劲肋，防止定位板发生局部屈曲，可认为定位板将塔脚力有效传递给周围杆件，因此在模型中，将杆体形心点与周围杆件建立刚性约束，塔脚力作用在主节点上，以此模拟定位板对塔脚力的传递分散作用。风荷载考虑X方向和Y方向两个荷载工况。

1.4有限元计算结果

有限元计算得到的应力包络图如图5所示，最大应力值远超过材料的强度设计值，最大应力比达到4.83。高应力杆件集中在基础与单管塔连接的核心筒位置，此处是框架基础的受力关键部位，既要有足够的强度承担塔脚力，又要有足够的刚度将塔脚力传递给周围杆件。从应力云图看出，现有设计中的杆件承载力明显不足，需要加强。

由图6可知，最大应力出现在风荷载作用在Y方向时(沿长边方向)，在Y方向上，与核心筒直接相连的杆件只有两根水平杆，无法对核心筒提供足够的侧向支撑。

2 结构优化

通过有限元计算可知，核心筒处杆件的承载能力是制约框架基础可靠性的关键因素，要使框架基础满足使用要求，需要对核心筒周围的杆件进行优化加强。图7是对核心筒杆件进行优化后的计算结果，优化手段是将构成核心筒的杆件由角钢改为截面模量W更大的方管，增大周围斜撑的截面，并增加短斜撑，以达到增强核心筒刚度的目的，使其可以将塔脚力传递给周围杆件，使框架杆件受力趋向于均匀化。

3 结语

沙箱一体化塔的框架基础存在严重的设计缺陷，主要问题在于核心筒设计过于薄弱。塔脚力直接作用于核心筒，但由于核心筒承载力不足会提前达到屈服，无法把塔脚力传递给周围杆件。优化核心筒设计是提高整个框架基础可靠性的关键，增加斜撑、改用截面模量更大的杆件是提高核心筒承载能力的有效方式。

[1] 王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2] 北京迈达斯技术有限公司.MIDAS GEN分析设计原理[R].北京:北京迈达斯技术有限公司,2010.

[3] Q/ZTT 1021—2016,塔房一体化技术要求(V1.0)[S].

Numericalsimulationoffoundationreliabilityofintegratedtower

XuYangWuTongWangJin

(JiangsuPosts&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210019,China)

The sandbox-integrated tower, characterized by its novel form, is increasingly popular in the field of communication. But there is no data available to evaluate the reliability of its foundation. Based on the force analysis of the frame foundation, this paper created an overall model, using the finite element analysis software Midas Gen. The stress results of all the struts are obtained. The results show that core-tube is the weak link, and increasing bracing and other methods are used to strengthen the frame foundation.

integrated tower, communication tower, frame foundation, numerical simulation

1009-6825(2017)29-0064-02

2017-08-05

许 阳(1990- )，女，硕士

TU323.5

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