張波 董曉彥 屠海明

（1.上海郵電設計咨詢研究院有限公司 200092；2.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海200092）

引言

在通信行業(yè)中，拉線塔被大規(guī)模用作通訊天線升高的承載體，拉線塔塔身只承受豎向力和彎矩，水平方向完全依靠預應力拉線來保持塔身的穩(wěn)定，較自立塔受力更為復雜，時有拉線塔倒塌事故發(fā)生。樂俊旺［1］指出拉線塔失穩(wěn)的主要原因是同層拉線受力不等或拉力不足；歐陽克儉［2］等研究過一起輸電線路拉門塔（一種塔身為門型桁架的特殊拉線塔）倒塌事故，得出拉門塔主柱底座基礎設計不合理且運行維護不到位，導致其在強風振動中下塔腳脫離基礎發(fā)生倒塌。本文通過對一起通信拉線塔倒塌事故的調查和分析，總結了拉線塔這類結構形式的隱患，列舉了解決隱患的常用防護措施，為新建和維護拉線塔提供參考和借鑒。

1 事故概況和現(xiàn)場調查

2017年8月20日，某通信基站拉線塔發(fā)生倒塌事故，該拉線塔位于2層商鋪頂（12m高），三角形格構式塔身總高18m，掛載了3層共9付通信天線，在四個方向各配置3條拉線固定。經(jīng)現(xiàn)事故場調查發(fā)現(xiàn)，拉線塔身向西北側倒塌，塔身東南側3條拉線均在桃子夾頭固定處散股松脫，被壓在傾覆彩鋼板下，傾覆的彩鋼板是被風由南側20m遠處一所房屋屋頂吹飛到此處，現(xiàn)場情況如圖1～圖3所示。圖1為拉線塔立面及現(xiàn)場示意，由圖可見，拉線倒塌方向與脫落拉線相反。圖2、圖3為傾覆拉線塔及拉線脫落情況，可見拉線端部散股脫落。

圖1 拉線塔立面及現(xiàn)場示意（單位：mm）Fig.1 Mast body and scene sketchmap（unit：mm）

2 事故原因分析

根據(jù)事故發(fā)生前天夜間的氣象預警，當天最高風力為9級，根據(jù)規(guī)范［3-5］，將完好的拉線塔在SAP2000中建模，模型如圖4所示；考慮拉線塔布置的對稱性，選取圖5中五個方向角的風荷載在模型上加載，同時根據(jù)規(guī)范［5］設定拉線的預應力為150N／mm2，對模型進行非線性分析，分析結果如圖6所示。

圖2 傾覆的拉線塔Fig.2 Overturningmast

圖3 脫落拉線Fig.3 Destructed cable

圖4 拉線塔模型Fig.4 Mastmodel

圖5 風向角情況Fig.5 Definition of the wind direction

圖6 拉線塔構件利用率Fig.6 Utilization ratio ofmast component

根據(jù)圖6的分析結果可知，在當天的風荷載條件下，完好的拉線塔各部位均未超自己的承載能力，拉線不會散股松脫，可以判定傾覆的彩鋼板是本次事故的主因。

傾覆的彩鋼板長、寬均為6m，重量約為500kg，據(jù)調查了解，該彩鋼板被風從遠處吹飛，從高處落下撞擊到該拉線塔東南側三條拉線；假定其速度與當時風速相當約為20m／s，沖擊動量達到1×104kg·m／s，撞擊到拉線塔東南側三條拉線后產(chǎn)生強大的瞬時沖擊力致使三條拉線幾乎同時散股脫落。

3 拉線塔身穩(wěn)定分析

為判定該拉線塔在東南側三條拉線脫落后塔身是否可以維持穩(wěn)定，并分析此類拉線塔在相似的大風中缺失拉線后穩(wěn)定性的變化，在上文分析的拉線完好模型（工況1）基礎上，分別建模計算了東南側三條拉線從高到低依次脫落的模型（工況2～工況4），模型分組如圖7所示。通過對比構件利用率和塔頂位移與規(guī)范允許值比值的變化，來判斷拉線塔的穩(wěn)定性變化，此次分析未考慮斷線荷載。

圖7 拉線塔模型組Fig.7 Mastmodel group

工況4模型在非線性分析中計算無法收斂，未能計算出有效結果，工況1～工況3分析結果如圖8所示。其中工況1塔身各構件利用率均低于100%；工況2部分斜材利用率達到121%，其他構件未超100%；工況3主材、斜材、橫材和拉線的最大利用率均超過100%且位移大幅超限。

圖8 拉線塔構件利用率變化Fig.8 Utilization ratio development ofmast component

通過對工況2的計算模型的受力分析得出，與塔身完整且安全的工況1相比，缺失東南側最高一條拉線的工況2模型中構件內力和位移均有增加；在風向3這個方位角的風荷載作用下，塔身會產(chǎn)生扭轉；而第一層拉線在缺失東南方向拉線的情況下無法提供扭轉抵抗力，故第二層拉線內力相應增大，導致第二層拉線下方一根斜材壓力激增，如圖9所示，經(jīng)受壓穩(wěn)定性驗算其利用率達到了121%。雖然其受壓穩(wěn)定超限，但其余構件利用率均低于100%，此構件屈曲后其相鄰的橫材斜材會承擔起塔身的剪力，可以認定工況2條件下，塔身仍能保持穩(wěn)定。

圖9 超限斜材內力Fig.9 Internal force in the over-limit diagonal

通過對工況3的計算模型分析得出，在缺失東南側兩條拉線后，在風向3～風向5這3個方位角的風荷載作用下，第一、二層拉線無法為塔身提供有效的抗傾覆力和抗扭轉力，因此拉線塔第三層拉線拉點以上13m長的塔身變?yōu)閼冶劢Y構，塔身構件在風荷載的作用下內力大幅增加，利用率均超過100%，塔頂位移超過了規(guī)范［4，5］允許值的3倍，拉線塔無法維持塔身穩(wěn)定。

結合事故現(xiàn)場情況，東南側三條拉線被彩鋼板撞擊脫落后，對塔身產(chǎn)生巨大的反向沖擊力，缺少三條拉線的拉線塔無法維持塔身的穩(wěn)定，在斷線沖擊力的作用下向西北倒塌。

4 結論和建議

此次倒塌事故的原因為：拉線塔東南側三條拉線受到飛來彩鋼板的撞擊后幾乎同時在桃子夾頭處散股脫落，三條拉線脫落后拉線塔無法維持自身的穩(wěn)定，在斷線沖擊力的作用下向西北倒塌。

通過此次事故的調查分析發(fā)現(xiàn)，拉線塔存在以下不利隱患：

1.繃緊狀態(tài)的拉線容易受到外部環(huán)境的影響；受到外力影響后，拉線中的拉力會大幅增加；

2.拉線脫落后會產(chǎn)生斷線荷載，對塔身有反向沖擊作用，對塔身穩(wěn)定有不利影響；

3.復雜繁多的拉線金具會降低結構安全的可靠度，且拉線在桃子夾頭處宜發(fā)生散股現(xiàn)象。

考慮拉線塔存在上述不利隱患，建議在建設和維護拉線塔時，配置具有防松措施的拉線金具如楔形線夾，并在拉線安裝桃子夾頭的部位用鋼絲捆扎，以減少拉線松脫和散股的安全隱患。

［1］樂俊旺.拉線式桅桿事故分析及處理［C］／／第十二屆空間結構學術會議論文集，2008：869-871

［2］歐陽克儉，陳紅東，劉純等.220kV輸電線路拉門塔倒塌事故分析［J］.湖南電力，2013，33（3）：10-12 Ouyang Kejian，Che Donghong，Liu Chun，etal.Investigation on guyed portal tower collapse of 220kV transmission lines［J］.Hunan Electric Power，2013，33（3）：10-12

［3］王肇民.塔桅結構［M］.上海：同濟大學出版社，1989

［4］GB 50135-2006高聳結構設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2007 GB 50135-2006 Code for design of high-rising structures［S］.Beijing：China Planning Press，2006

［5］YD／T 5131-2005移動通信工程鋼塔桅結構設計規(guī)范［S］YD／T 5131-2005 Design specifications of structure for mobile communication engineering steel tower and masts［S］

［6］DL／T 757-2009耐張線夾［S］DL／T 757-2009 Strain Clamp［S］