史國富

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)(有限)公司 上海200092)

引言

角鋼通信塔作為一種常用塔型大量應(yīng)用于通信基站建設(shè),其高度通常在40m ～60m 之間以滿足無線通信天線掛高的要求,少數(shù)高度可達(dá)80m。對于此類高聳結(jié)構(gòu),由于其輕柔、低阻尼的特性,以及天線、微波等附屬物擋風(fēng)面積較大的特點(diǎn),控制設(shè)計(jì)荷載通常為風(fēng)荷載。近年來結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)理論逐漸得到應(yīng)用,基于此理念,本文分析了不同水準(zhǔn)地震作用下角鋼通信塔的地震響應(yīng),得出各水準(zhǔn)地震下結(jié)構(gòu)的實(shí)際性能水準(zhǔn)狀態(tài),以綜合評判角鋼通信塔結(jié)構(gòu)的抗震性能,為該類型的通信塔結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)提供參考。

1 角鋼通信塔抗震、抗風(fēng)分析地區(qū)的選取原則

本文擬通過一系列高度角鋼通信塔進(jìn)行抗風(fēng)、抗震分析,綜合評價(jià)此類塔型的抗震性能,并對該塔型的抗風(fēng)與抗震性能進(jìn)行對比分析,因此在中國地震動(dòng)區(qū)劃和基本風(fēng)壓表中篩選出抗震設(shè)防烈度最大與基本風(fēng)壓最小的地區(qū),對于其他基本風(fēng)壓大而抗震設(shè)防烈度小的地區(qū),本文的分析結(jié)果及結(jié)論可涵蓋。在中國滿足上述條件的地區(qū)見表1。

表1 抗震設(shè)防烈度最大與基本風(fēng)壓最小的地區(qū)[1,2]Tab.1 The area with the greatest earthquake intensity and the lowest basic wind pressure

基于上述基本條件,首先進(jìn)行基本風(fēng)壓作用下角鋼通信塔的抗風(fēng)計(jì)算,確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格。其次,基于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的結(jié)果分別進(jìn)行在一定的場地條件、不同地震水準(zhǔn)作用下的角鋼通信塔抗震驗(yàn)算; 根據(jù)其結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)確定其所能達(dá)到的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo),并對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震性能進(jìn)行比較分析,以確定實(shí)際設(shè)計(jì)控制工況。

2 角鋼通信塔分析參數(shù)及動(dòng)力特性

2.1 角鋼通信塔結(jié)構(gòu)概況

選取40m ～80m 高度范圍內(nèi)的典型角鋼通信塔,其幾何參數(shù)及工藝參數(shù)見表2。

表2 角鋼通信塔結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of angle steel communication towers

塔柱鋼材材質(zhì)采用Q345B,斜桿及橫桿采用Q235B,主要連接螺栓采用6.8 級普通螺栓。整體塔架外形沿豎向高度逐漸收進(jìn),腹桿體系采用十字交叉體系,并采用再分式腹桿以減少桿件計(jì)算長度增強(qiáng)腹桿穩(wěn)定性。

圖1 角鋼通信塔立面(單位： mm)Fig.1 Elevation view of angle steel communication towers(unit: mm)

2.2 基本分析參數(shù)

風(fēng)荷載工況下基本分析參數(shù): 根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50135 -2006)[3]之4.2.1 條規(guī)定當(dāng)重現(xiàn)期為50 年時(shí),風(fēng)壓代表值為基本風(fēng)壓w0,取值不得小于0.35kN/m2。故基本風(fēng)壓采用0.35kN/m2,地貌類別: B 類。風(fēng)荷載工況考慮風(fēng)向沿正塔面和45°對角線方向共兩種工況。角鋼通信塔風(fēng)荷載主要由以下幾部分組成: 塔體風(fēng)荷載、平臺(tái)風(fēng)荷載、天線風(fēng)荷載、饋線爬梯風(fēng)荷載,各部分引起的風(fēng)荷載分別疊加計(jì)算。由于覆冰荷載條件下風(fēng)壓采用0.15kN/m2[3],對于通信塔而言一般不起控制作用,本文不考慮此工況。

地震作用工況下基本分析參數(shù): 抗震設(shè)防類別為丙類; 抗震設(shè)防烈度9 度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.4g; 設(shè)計(jì)地震分組第三組,場地類別Ⅳ類。地震作用參數(shù)見表3,地震作用計(jì)算采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算。振型組合采用CQC 法,方向組合采用SRSS 法則?？紤]到節(jié)點(diǎn)板、輔助桿件、爬梯、設(shè)備等自重影響,計(jì)算地震作用、自振特性時(shí)將塔身自重乘以相應(yīng)放大系數(shù),頂部平臺(tái)、天線作為集中質(zhì)量單元附加于相應(yīng)位置。

表3 地震作用參數(shù)[2]Tab.3 Seismic parameters

2.3 計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

角鋼通信塔計(jì)算模型采用空間桁架模型[4,5],桿件節(jié)點(diǎn)連接為鉸接,符合角鋼塔架的實(shí)際受力特點(diǎn)。分析采用專業(yè)有限元軟件SAP2000 進(jìn)行空間建模整體分析,塔架桿件均采用梁單元,釋放單元兩端彎曲自由度使各桿件之間為鉸接連接。

地震響應(yīng)分析須以結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析結(jié)果為依據(jù),通過不同高度角鋼通信塔模態(tài)分析可以看出鐵塔剛度分布情況,進(jìn)而判定鐵塔的薄弱部位,提取前11 階的自振周期和振型特點(diǎn)見表4,前8 階振型見圖2。

表4 各高度塔架結(jié)構(gòu)自振周期(單位： s)Tab.4 Natural vibration period of the different height towers(unit: s)

圖2 各階振型Fig.2 Modal diagram of each order

3 風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力分析

首先考慮風(fēng)荷載工況,對風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析,然后根據(jù)具體內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行各高度塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

風(fēng)荷載工況組合作用下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力應(yīng)符合[1]:

式中:γG為重力荷載分項(xiàng)系數(shù),取1.2;SGk為重力荷載的效應(yīng);γL為考慮設(shè)計(jì)使用年限的荷載調(diào)整系數(shù),取1.0;ΨQ為平臺(tái)活荷載組合值系數(shù),取0.7;γQ為平臺(tái)活荷載分項(xiàng)系數(shù),取1.4;Slk為平臺(tái)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng);Ψw風(fēng)荷載的組合值系數(shù),取1;γw為風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù),取1.4;Swk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng);Rd為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值。

在風(fēng)荷載工況組合下,各高度角鋼通信塔不同塔段的塔柱、斜桿有限元內(nèi)力分析結(jié)果見圖3。由圖3 可見,相對于塔柱而言,斜桿內(nèi)力均較小,通常由長細(xì)比控制。構(gòu)件均采用《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50135 -2006)軸心受力構(gòu)件公式進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定計(jì)算,按滿應(yīng)力設(shè)計(jì)選取結(jié)構(gòu)構(gòu)件,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各水準(zhǔn)地震作用下的抗震分析。

圖3 風(fēng)荷載工況組合下角鋼通信塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.3 Internal force of angle steel communication tower under wind load combination

4 地震作用下的內(nèi)力分析及與風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力比較

4.1 多遇地震作用

多遇地震作用下,荷載和地震作用基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值應(yīng)按式(2)確定[6]:

式中:SGE為重力荷載代表值的效應(yīng);γEh為水平地震作用分項(xiàng)系數(shù),取1.3;SEhk為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng),尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù);γEv為豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù),取0.5;SEvk為豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng),尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù);Ψw為風(fēng)荷載的組合值系數(shù),取0.2;γRE為構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù),取0.8。

4.2 設(shè)防烈度地震作用

設(shè)防烈度地震作用下,荷載和地震作用基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值應(yīng)按式(3)確定[6]:

式中:為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng),不需考慮增大系數(shù);為豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng),不需考慮增大系數(shù)。

多遇地震作用下,各高度角鋼通信塔不同塔段的塔柱、斜桿內(nèi)力分析結(jié)果見圖4。其內(nèi)力分布與風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力有著相似的變化規(guī)律。

從圖5 可以看出各高度、各塔段塔柱和斜桿的內(nèi)力比值均小于1,這表明多遇地震下桿件內(nèi)力均小于風(fēng)荷載工況,結(jié)構(gòu)滿足彈性設(shè)計(jì)要求,因此在多遇地震作用下角鋼通信塔其抗震性能水準(zhǔn)為第1 性能水準(zhǔn)。

圖4 多遇地震工況組合下角鋼通信塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.4 Internal force of angle steel communication tower under frequent earthquake

圖5 多遇地震工況組合與風(fēng)荷載工況組合角鋼塔內(nèi)力比值Fig.5 Internal force ratio of Angle steel tower in the case of frequent earthquake and wind load

設(shè)防烈度地震作用下,各高度角鋼通信塔不同塔段之塔柱、斜桿內(nèi)力分析結(jié)果見圖6。

從圖7 可以看出各高度、各塔段塔柱內(nèi)力比值均小于1; 60m、70m、80m 通信塔最頂部一段斜桿的內(nèi)力比值大于1,其比值在1.065 ～1.135 之間; 40m、50m 通信塔頂部三段斜桿內(nèi)力比值大于1,其比值在1.061 ～1.177 之間?？紤]到構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE為0.8,因此在設(shè)防烈度地震作用下角鋼通信塔抗震承載力符合式(3),結(jié)構(gòu)滿足彈性設(shè)計(jì)要求,其抗震性能水準(zhǔn)滿足第2 性能水準(zhǔn)。

圖6 設(shè)防地震工況組合下角鋼通信塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.6 Internal force of Angle steel communication tower under fortification earthquake

圖7 設(shè)防地震工況組合與風(fēng)荷載工況組合角鋼塔內(nèi)力比值Fig.7 Internal force ratio of angle steel tower in the case of fortification earthquake and wind load

4.3 罕遇地震作用

罕遇地震作用下,對于第3 性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu),其荷載和地震作用基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值應(yīng)按式(4)確定[6]:

式中:Rk為截面承載力標(biāo)準(zhǔn)值,按材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。

罕遇地震作用下,各高度角鋼通信塔不同塔段之塔柱、斜桿內(nèi)力分析結(jié)果見圖8。

從圖9 可以看出各高度、各塔段塔柱內(nèi)力比值大多小于1,僅頂部1 ～2 段大于1,其最大值為1.096; 斜桿的內(nèi)力比值最下塔段及頂部部分塔段大于1,其比值在1.008 ～1.365 之間; 考慮到構(gòu)件鋼材(Q235)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值的比值為1.093。塔柱均滿足式(4)的要求,部分斜桿略超,塔架設(shè)計(jì)中斜桿規(guī)格多為長細(xì)比所決定,具有一定的余量,故可認(rèn)為罕遇地震作用下其抗震性能水準(zhǔn)為第3 性能水準(zhǔn),部分構(gòu)件輕微損壞,宏觀破壞程度為輕度損壞。

圖9 罕遇地震工況組合與風(fēng)荷載工況組合角鋼塔內(nèi)力比值Fig.9 Internal force ratio of angle steel tower in the case of rare earthquake and wind load

5 結(jié)論與建議

1.在中國抗震設(shè)防防烈度最大與基本風(fēng)壓最小的地區(qū),場地類別為Ⅳ類的條件下,滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)的角鋼通信塔,其在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足第1 性能水準(zhǔn)的要求,即結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),結(jié)構(gòu)完好無損壞; 在設(shè)防地震作用下抗震性能滿足第2 性能水準(zhǔn)的要求,即結(jié)構(gòu)基本完好; 結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足第3 性能水準(zhǔn)的要求,即結(jié)構(gòu)輕度損壞。綜合判斷結(jié)構(gòu)的整體抗震性能目標(biāo)可達(dá)B 級,具有較好的抗震性能。

2.從上述性能水準(zhǔn)分析結(jié)果可知,塔柱均處于彈性狀態(tài),斜桿僅最下塔段及頂部部分塔段的內(nèi)力在罕遇地震作用下超出風(fēng)荷載工況較多,是抗震設(shè)計(jì)中較為薄弱的部位,在實(shí)際設(shè)計(jì)中予以注意。

3.在本文所述同等通信工藝條件下(平臺(tái)、天線數(shù)量相同)且滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)的條件下,角鋼通信塔必然滿足B 級抗震性能目標(biāo)。

4.如無特殊抗震性能要求,在實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐中為簡化設(shè)計(jì)工作提高設(shè)計(jì)效率,分析設(shè)計(jì)可以風(fēng)荷載工況為主,可不考慮地震工況。

圖8 罕遇地震工況組合下角鋼通信塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.8 Internal force of angle steel communication tower under rare earthquake