单管通信塔底部连接节点受力性能研究

郎金权

电联工程技术股份有限公司 杭州310016

引言

目前，单管塔的塔身各段间连接主要通过法兰及套接连接，法兰连接方式计算理论相对成熟，规范［1，2］对此连接的计算方法做出了具体的规定。然而规范对塔身与基础的连接（即塔身通过预埋在基础内的地脚螺栓连接固定于基础上）节点计算方法没有明确的规定。本文通过Midas FEA数值模拟有限元软件分析此类节点的受力特性，由于此类节点属于接触受力状态，其为高度边界非线性受力问题，只有通过有限元来模拟分析各部件（底法兰、基础、地脚螺栓及其螺母）间的受力状态。通过分析结果确定底法兰相对合理的旋转轴，中性轴和截面旋转轴并不重合，中性轴是底法兰板拉、压应力的分界线，就是底法兰板上压应力为零的位置的连线，而取用的截面旋转轴则应是底法兰板受压区压应力合力点的位置［3］。旋转轴用来描述地脚螺栓以哪条几何直线转动，确定旋转轴后才能通过公式计算地脚螺栓最大拉力，并采用现有规范［1，2］中对法兰与加劲板强度计算公式进行分析验算，确定单管塔底法兰节点系统完整的实用验算方法。

1 单管塔底法兰节点连接种类

根据现场实际调查，目前单管塔底法兰节点连接种类较多，主要可以分为三类。第一类底法兰节点：有加劲板底法兰、且进行二次填充浇注，如图1所示；第二类底法兰节点：有加劲板底法兰、未进行二次填充浇注，如图2所示；第三类底法兰节点：无加劲板底法兰、且进行二次填充浇注，如图3所示。

图1 第一类底法兰节点Fig.1 Node diagram of the first type bottom flange

图2 第二类底法兰节点Fig.2 Node diagram of the second type bottom flange

2 单管塔底法兰节点数值模拟

2.1 模型建立

本文采用Midas FEA有限元软件对单管塔底法兰节点进行建模分析，分析模型中包含基础短柱、二次浇灌混凝土、地脚螺栓及螺母、底法兰、加劲板和塔筒。本模型混凝土采用C35，钢材采用Q345。基础短柱直径为1800mm，高度为2000mm；塔身钢管直径为1420mm，壁厚为10mm，高度为5000mm；底法兰规格为-52×1400/1800mm，中心径为1600mm；加劲板规格为-14×180×300，切角20mm；地脚螺栓为12-M52。分析时，在塔身顶部节点处施加2500 kN·m的节点弯矩。分析模型如图4所示。

图3 第三类底法兰节点Fig.3 Node diagram of the third type bottom flange

图4 底法兰节点模型Fig.4 Node model diagram of the bottom flange

2.2 计算结果

各类节点加载条件（在塔身顶部节点处施加2500kN·m的弯矩值）一致，各类连接节点数值模拟分析结果如图5～图7所示。

3 数值模拟结果分析

图5 第一类底法兰节点应力分析结果（单位：N/mm2）Fig.5 Stress analysis results of the first type of bottom flange joints（unit：N/mm2）

单管塔以风控，风荷载直接影响塔体受弯矩值大小。对于第一类底法兰节点而言，弯矩作用下底法兰板底面与二次浇注区顶面相互接触，在上受力过程中，形成拉压两个区域，受拉区刚度由地脚螺栓提供，受压区刚度由法兰板及其加劲板提供，该截面刚度不连续，受力复杂；对于第二类底法兰节点而言，二次浇注区未填充高强度微膨胀细石混凝土，弯矩作用下底法兰板底面与螺母接触，在上受力过程中，形成拉压两个区域，受拉区刚度由地脚螺栓提供，受压区刚度主要由地脚螺栓提供，该截面刚度不连续，受力复杂；对于第三类底法兰节点而言，弯矩作用下底法兰板底面与二次浇注区顶面相互接触，在上受力过程中，形成拉压两个区域，受拉区刚度由地脚螺栓提供，受压区刚度由法兰板提供，该截面刚度不连续，受力复杂。第一类底法兰节点与第三类底法兰节点主要区别在于底法兰的刚度大小，前者带加劲板，法兰刚度大，可以视为刚性法兰，底法兰板基本能保持平截面，受拉螺栓拉力大小与其至中性轴的位置呈线性关系。前者无加劲板，法兰刚度小，可以视为柔性法兰，底法兰板基不能保持平截面。中性轴和截面旋转轴并不重合，中性轴是底法兰板拉、压应力的分界线，就是底法兰板上压应力为零的位置的连线，而取用的截面旋转轴则应是底法兰板受压区压应力合力点的位置。

图7 第三类底法兰节点应力分析结果（单位：N/mm2）Fig.7 Stress analysis results of the third type of bottom flange joints（unit：N/mm2）

第一类底法兰节点根据有限元分析结果，中性轴基本位于底法兰几何中心，这里采用迭代计算方法寻找受压区合力作用点位置，使施加的外弯矩和地脚螺栓产生的拉力对受压区合力点取距之和基本接近，此受压区合力作用点位置即为旋转轴的位置。具体各轴位置示意如图8a所示。

第二类底法兰节点根据有限元分析结果，中性轴基本位于底法兰几何中心，中性轴即为旋转轴。由于有限元分析结果显示应力集中较明显，地脚螺栓等构件应力较大，所以采用1/3R为旋转轴时，计算分析结果与有限元分析结果较吻合。具体各轴位置示意如图8b所示。

第三类底法兰节点根据有限元分析结果，中性轴基本位于底法兰几何中心，这里采用迭代计算方法寻找受压区合力作用点位置，使施加的外弯矩和地脚螺栓产生的拉力对受压区合力点取距之和基本接近，此受压区合力作用点位置即为旋转轴的位置。具体各轴位置示意如图8b所示。

图8 底法兰节点中性轴、旋转轴示意Fig.8 Schematic diagram of neutral axis and rotating axis of bottom flange node

从图5～图7可知地脚螺栓、法兰及加劲板最大应力值（基本涵盖99%的区域范围值），具体数值见表1。

表1 各类节点分析结果（单位：N/mm2）Tab.1 Analysis results of various nodes（unit：N/mm2）

根据表1中确定的各类节点旋转轴、规范［1］第5.9.2条公式5.9.2-2至5.9.2-4及规范［2］第5.4.3条公式5.4.3-1至5.4.3-2，加劲板承担反力的比例系数α和弯矩计算系数mb按表2选取，各构件验算结果见表3。

表2 α和mb系数Tab.2 αand mb coefficient

根据表3验算结果表明，通过有限元分析确定的合理旋转轴和现有规范［1，2］计算公式计算得到的各构件应力结果和有限元数值模拟分析的结果基本一致。

表3 各类节点验算结果（单位：N/mm2）Tab.3 Checking calculation results of various nodes（unit：N/mm2）

4 结语

单管塔三类底法兰节点受力性能可分别按2/3R、1/3R、1/3R处为旋转轴，采用《高耸结构设计规范》（GB 50135—2019）计算确定地脚螺栓最大拉力，然后按《高耸结构设计规范》（GB 50135—2019）和《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》（YD/T 5131—2019）计算各构件的应力。