基于地震和风载复合作用下通信管塔的有限元分析

赫明胜，杨启志，赵晓琪，华希俊，卢文建

（1.江苏大学 农业工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；3.江苏北洋通讯设备有限公司，江苏 泰州 225300）

0 引言

在通信事业蓬勃发展的今天，人们对通信的要求也逐渐变高，这就需要在管塔上安装更多的外部设备。通信塔作为一种典型的高耸结构，因其高度高、刚度小、外形细长的特点决定了地震载荷和风载荷将会影响它的结构安全。近年来，世界各地发生了多次风灾、地震等自然灾害，它们对通信管塔和人们的生命财产造成了极大的损害[1]。地震载荷会使管塔底部产生过大的弯矩导致管塔底部的地脚螺栓失效，风载荷会在管塔截面产生较大的应力使得管塔发生倾覆。传统的通信塔分析通常只是考虑了主塔的工作性能，即塔身在地震和风载复合作用下的变形，而经常忽略了通信设备对塔性能的影响，这样得到的计算结果往往是不准确的，在一定程度上也会影响对塔体安全性的判断。

目前，国内有很多学者对于通信塔的分析做了相关的研究。文献[2]建立了一体化法兰连接式通信塔的ANSYS模型，并对通信塔进行风载下的静力分析及模态分析，为一体化通信塔的结构优化设计提供了理论依据；文献[3]建立了新型一体化通信单管塔模型，该通信单管塔为法兰式连接，并进行风载下的静力分析，为通信基站的建设和维护提供了参考；文献[4]采用ANSYS Workbench对某通信角钢塔进行模态分析及地震反应谱分析，得到等效应力及方向位移云图，为通信塔的抗震设计提供了参考；文献[5]评估了不同高度的四方塔、法兰连接式单管塔等通信铁塔的抗震性能，为通信系统地震中灾害的评估和预测提供了参考；文献[6]采用ANSYS Workbench对离心式压缩机外壳进行抗震分析，并通过工况组合功能法对静力和谱分析结果进行叠加，得到了组合工况下的应力分布；文献[7]采用ANSYS Workbench软件对冷却塔风机做了静力分析，基于预应力的模态分析和反应谱分析，通过工况组合静力和反应谱分析叠加，得到了组合工况的应力及变形图。

综上所述，目前对于大型通信管塔的研究较少，研究大多集中于角钢式通信塔和法兰连接式单管通信塔，而插接式管塔是近些年才发展起来的一种新型通信管塔技术，对于风载和地震载荷复合作用下插接式通信管塔的受力及变形的分析研究尚不成熟。因此，对插接式通信管塔进行地震载荷和风载荷复合作用下的分析十分有必要。

本文针对江苏省加载通信设备的某内爬式插接景观塔进行基于风载和地震载荷复合作用下的研究和分析，采用Design Assessment模块对静力分析和反应谱分析的结果进行叠加，得到组合工况下的应力和变形，验证了加载通信设备的景观塔的强度和刚度，并对塔体结构进行优化，为今后该类型通信管塔的结构优化设计提供了理论依据，为插接式通信管塔在基于风载和地震载荷同时发生的极端天气下的设计提供了参考。

1 模型的建立

1.1 插接式通信管塔三维模型的建立

移动内爬插接式景观塔由塔架、爬梯、抱杆、金轮及避雷针等组成，图1为插接式通信管塔的结构示意图，该移动内爬插接景观塔（金轮）塔身部分由5段塔身插接而成，塔身截面为正多边形，边数为18，单管塔总高45 m。在塔身1顶部安装避雷针，塔身高度44.5 m与38.5 m处均安装有金轮，除此之外还有抱杆、天线、内爬梯等安装在管塔的相应位置。该通信管塔为满足使用要求，需要在每根抱杆上安装一根天线，每根天线质量约为15 kg，其迎风面积不超过0.5 m2。另外，每根天线需另配一台RRU设备，质量约为15 kg，迎风面积为0.15 m2。本插接式通信管塔塔身采用ASTM A572 Gr65钢板，其弹性模量为2.06 GPa，泊松比为0.26，密度为7 850 kg/m3，其余钢材（不含螺栓）均采用Q235B钢，其弹性模量为2.11 GPa，泊松比为0.28，密度为7 850 kg/m3，塔身的各项参数如表1所示。

图1 插接式通信管塔结构示意图

表1 管塔塔身参数 mm

1.2 插接式通信管塔模型的简化

在实际应用中插接式通信管塔的结构较为复杂，为了使划分网格简单，减少计算消耗的时间，保证计算的准确性，因此需要对结构模型进行简化。先去除模型倒角、圆角、安装孔等小特征，然后去除焊接螺母等配件，最后将抱杆、爬梯等部件进行等效处理，在保证分析结果准确性的前提下，通过模型的简化处理减少分析计算时间，尽量做到真实反映通信管塔的结构特性。按上述方式将简化好的SolidWorks图形导入到有限元软件中，实体模型如图2所示。

图2 插接式通信管塔实体模型

对于有限元模型，爬梯、螺栓、天线、抱杆和RRU等可通过简化成集中质量点的方法施加在塔身上，其位置示意图如图3所示。由于插接式通信管塔模型的单元数较多，并且具有大量的振型，为了得到可靠的结果，同时考虑求解速度和计算精度，本文采用自适应方法进行网格划分，获得节点数为198 116个，单元数为96 970个，主要为四边形tet10单元，图4为有限元网格划分示意图。

图3 质量点位置示意图

图4 有限元网格划分图

1.3 插接式通信管塔分析过程

在ANSYS Workbench分析时，可以在风载荷作用与地震响应谱分别完成之后，通过Design Assessment模块进行地震与风载复合作用的分析，其计算流程[8]如图5所示。

图5 基于风载和地震载荷复合作用下通信管塔分析过程

2 基于地震和风载复合作用下通信管塔的有限元分析

2.1 插接式通信管塔的静力分析

在ANSYS中分析塔顶位移与各段的受力情况时，需要在每段管塔上添加所受的静风力，为了使模型简单且结果可靠，管塔所受静风力可用该段管塔所受的最大风荷载与受载面积的乘积计算。管塔上安装其余部件所受的静风力已根据其安装高度确定所受风荷载的大小，并计算其受力大小[9]。

根据通信管塔的实际状态对模型施加合理的约束条件，定义边界条件为：固定通信管塔的底端[10]，由于风荷载具有方向性，在通信管塔的y方向施加风荷载，风荷载属于表面荷载，为简化起见，将风荷载等效地施加在结构外表面处，载荷按表2加载在塔身上，方向为y轴方向。通信管塔由塔底到塔顶的编号依次为1~5号，避雷针为6号，金轮从底部到顶部依次为7号和8号，插接式通信管塔各段所受模拟静力风的风力值和受力状态如图6所示。

表2 塔身及各部件所受的静风力值

图6 插接式通信管塔受力云图

考虑到通信设备及信号发射器对移动内爬插接景观塔的直接影响，为确保分析结果的可靠性，现对塔身1和塔身2进行每米的切割，将其简化为质量点并添加在下列位置上，如表3所示，其余部分按照之前的方法添加在景观塔上面。

表3 各个安装高度天线及RRU所受静风力值

根据通信管塔各段所承受的风力，对插接式通信管塔进行静强度分析和静刚度分析，其结果如图7，图8所示。

图7 插接式通信管塔应力云图

图8 插接式通信管塔位移云图

如图7，图8所示，最大应力值为368.48 MPa，安全系数为1.2，危险区域位于塔身3处，需要对塔身3进行加固处理。塔顶的最大位移为520.76 mm，在风荷载作用下，高耸塔结构的水平位移的极限值[11]为666 mm，安全系数为1.2，需要减小塔顶位移。

2.2 插接式通信管塔固有模态的分析

通信管塔在地震与风载等动载荷作用下时，其变形与内力均与管塔的自振周期和阵型有关。为了避免通信管塔在各种工况下发生共振问题，通常需要计算通信管塔的模态频率和振型。因此在进行地震分析之前，必须对通信管塔进行模态分析。

本文选用ANSYS Workbench中的Modal模块分析插接式通信管塔的固有模态，采用约束模态分析法对通信塔的地脚螺栓孔施加固定约束，前6阶非零模态的固有频率如表4所示。

表4 通信管塔前6阶非零模态固有频率 Hz

2.3 插接式通信管塔地震响应谱分析

地震作用与一般载荷作用不同，其作用方向是随机的，不仅与地面加速度的大小、持续时间和强度有关，而且还与结构的动力特征（阻尼、自振频率等）有密切的关系。由于地震时地面运动是一种随机过程，运动不规则，所以其动力特征较为复杂，因此确定地震作用要比一般载荷作用复杂得多[12]。

根据该管塔的安装要求：抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度，0.2g基本地震加速度值，0.3 s特征周期，通过地震影响系数曲线计算10个频率点的结构加速度频率响应谱，如表5所示。

表5 加速度频率响应谱

在模态分析结束之后，选用Response Spectrum模块对插接式通信管塔进行地震响应谱分析[13-14]。在管塔底部添加固定约束之后，按照表5对通信管塔进行y方向加速度的加载。

在地震作用下插接式通信管塔的应力及变形云图如图9，图10所示。

图9 地震作用下应力云图

图10 地震作用下位移云图

受载时最大应力发生在管塔中部，位于塔身3处，最大应力约95 MPa，远小于管塔材料的屈服应力450 MPa；避雷针顶部最大位移约422 mm，满足《高耸结构设计规范》的要求。

2.4 基于地震和风载复合作用下通信管塔的分析

在实际应用中，不排除会遇到地震与强风同时出现的情况，在分析时可以将风载荷和地震震级的大小都按照最大值选取，以模拟插接式通信管塔在实际使用中遇到的极端环境状况，通过在Worksheet窗口中设置叠加项，如图11所示。

图11 地震与风载荷叠加设置

在地震和风载复合作用下插接式通信管塔的应力及变形云图如图12，图13所示。

图12 地震和风载复合作用下的应力云图

图13 地震和风载复合作用下的位移云图

由图12，图13所示，当风载荷与地震载荷同时作用时，塔身所受的最大应力为361.46 MPa，小于塔身材料的许用应力，且安全系数在1.2左右，位于塔身3段，但还是较大，塔身最大位移发生在避雷针顶部，约为670.74 mm，大于《高耸结构设计规范》中所规定的666 mm，安全系数较小，塔身的外部构件容易发生坠落，需要对塔身结构做优化处理。

2.5 插接式通信管塔结构的部分优化

根据上述分析结果，由于在地震载荷和风载复合作用下，位移及应力较大，为减小变形及应力值，本研究对插接式通信管塔进行了结构的部分优化，现将塔身1~5壁厚均提高1 mm，在塔身3中部添加加强筋，并且使用多个固定锁紧装置将加固杆周向固定于单管塔上，该固定锁紧装置包括锁紧抱箍、固定环、垫片等，通过使用螺纹连接固定于单管塔上。采用与上述相同的步骤对其进行风载和地震载荷复合作用下的性能分析，加强筋为环形加强筋，如图14所示，固定锁紧装置如图15所示。

图14 加强筋示意图

图15 固定锁紧装置

结构优化后，在地震和风载复合作用下插接式通信管塔的应力及变形云图如图16，图17所示。

图16 插接式通信管塔的应力云图（优化后）

图17 插接式通信管塔的位移云图（优化后）

可以看出，当风载荷与地震载荷同时作用时，塔身所受的最大应力为198.07 MPa，小于塔身材料的许用应力，且安全系数在2.2左右。塔身最大位移发生在避雷针顶部，约570.74 mm，小于《高耸结构设计规范》中所规定的666 mm。虽然塔顶位移较大，但是从通信管塔所受应力方面分析，在极限载荷叠加时，通信管塔是满足设计要求的，且有较高的安全系数。

3 结论

本文通过有限元分析软件ANSYS Workbench对加载通信设备的移动内爬插接式景观塔进行基于风载和地震载荷复合作用下受力情况的分析，基于Design Assessment模块进行风载和地震载荷工况的叠加，得到插接式通信管塔的应力及变形云图，经分析得出以下结论：

1）在加载通信设备及信号发射器后，当风载荷与地震载荷同时作用时，塔身所受的应力较大，最大应力为361.46 MPa，位于塔身3段，而且位于塔顶的避雷针有较大的位移，约670.74 mm，塔身的外部构件容易发生坠落。

2）对插接式通信管塔的结构进行优化，将塔身1~5壁厚均提高1 mm，在塔身3中部添加环形加强筋，当风载荷与地震载荷同时作用时，塔身所受的最大应力为198.07 MPa，小于塔身材料的许用应力，且安全系数在2.2左右。塔身最大位移发生在避雷针顶部，约570.74 mm，虽然塔顶的位移较大，但是满足设计要求，并且从通信管塔所受应力方面分析，也是满足设计要求的，且有较高的安全系数。

3）本次研究分析证明了该插接式通信管塔基于地震和风载复合作用下的可靠性，为今后该类型的通信管塔的结构优化设计提供了理论依据，为插接式通信管塔在基于风载和地震载荷同时发生的极端天气下的设计提供了参考。

注：本文通讯作者为杨启志。