趙曉琪,楊啟志,赫明勝,華??。R文建
(1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)(2.江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)(3.江蘇北洋通訊有限公司,江蘇 泰州 225300)
隨著人們對通信要求的提高,需要更多的通信基站來擴大信號覆蓋范圍和增大信號強度,且要求在通信塔上加掛更多的外部設(shè)備,這使得通信塔的使用安全問題變得至關(guān)重要。通信塔在使用的過程中受到風(fēng)載和地震載荷的影響尤為明顯,風(fēng)災(zāi)和地震等自然災(zāi)害會對通信管塔和人的生命造成極大的傷害[1]。模態(tài)分析不僅可以得到管塔的固有頻率和各階振型特點,而且是通信塔風(fēng)載失效分析與抗震性能分析的基礎(chǔ)。
針對塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,張永偉等[2]采用ANSYS Workbench對某通信角鋼塔進行模態(tài)仿真分析,得到了通信角鋼塔前10階非零模態(tài)頻率,結(jié)果表明該通信塔的動力學(xué)特性較為復(fù)雜,模態(tài)振型具有多樣性。鮑宇等[3]針對鋼結(jié)構(gòu)塔架設(shè)計上的不足之處,采用ANSYS軟件構(gòu)建塔架結(jié)構(gòu)的有限元分析模型并進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析,獲得每個模態(tài)的振型特點,通過有限元軟件仿真提取結(jié)構(gòu)動態(tài)特性振型和固有頻率。閆安志等[4]利用有限元軟件ANSYS,以密平線改建工程中的一個塔架為研究對象,建立了空間有限元模型,對其進行模態(tài)分析得到前10階自振頻率和振型,并分析其振型特點,為后續(xù)研究地震響應(yīng)做好了準備工作。
目前模態(tài)分析的研究對象大多是角鋼塔,對管塔尤其是插接式單管塔的模態(tài)分析少之又少。插接式單管塔高度高、剛度小,使得風(fēng)載荷和地震載荷對管塔設(shè)備的安全起著決定性的作用。單管塔模態(tài)分析是風(fēng)載荷和地震載荷分析的基礎(chǔ),能夠給管塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、抗震設(shè)計等提供依據(jù)[5-6],在性能分析中必不可少。針對以上問題,本文以江蘇省某地所使用的移動內(nèi)爬插接景觀塔(金輪)為研究對象,通過SolidWorks建立三維實體模型,結(jié)合有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Modal模塊進行模態(tài)分析,來確定結(jié)構(gòu)的各階振動頻率及振動特性。根據(jù)張珩等[7]針對通信單管塔的連接與附屬構(gòu)件對基本自振周期的影響研究可知,附屬構(gòu)件對基本自振周期的影響不可忽略,在建模分析時塔身頂部的天線、抱桿等集中質(zhì)量不能采用放大系數(shù)進行簡化,仿真時應(yīng)添加真實的載荷。
插接式單管塔是近幾年快速發(fā)展起來的一種新型通信單管塔技術(shù),其最大特點在于整個管塔由幾節(jié)10 m左右多邊形鋼管組成,上面一節(jié)鋼管下端外插入下面一節(jié)鋼管上端,靠兩節(jié)端部的楔形插接實現(xiàn)連接,沒有傳統(tǒng)法蘭連接需要的法蘭盤及大量連接緊固件,通信塔的安全可靠性大幅提高,有效降低了后期維護難度,且內(nèi)爬式單管塔將爬梯安裝在單管塔的內(nèi)部,降低了單管塔外部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。移動內(nèi)爬插接式單管塔的模態(tài)分析,與法蘭連接式單管塔最大的不同之處在于建模時管塔插接部分連接方式的選擇,不僅要使仿真計算更貼近實際還要使計算時間盡可能短。
在本次分析中,插接部分的連接方式在建模時選擇Bonded,使模型在仿真分析時不發(fā)生法向移動,允許少量的切向滑動,更貼合實際。由于單管塔的模態(tài)分析為自由模態(tài)分析,因此無需添加任何約束與負載。
單管塔結(jié)構(gòu)如圖1所示,該移動內(nèi)爬插接景觀塔(金輪)塔身部分由5段塔身插接而成,塔身截面為正多邊形,邊數(shù)為18,單管塔總高45 m。在塔身1頂部安裝有5 m高的避雷針,在塔身高度44.5 m與38.5 m處均安裝有金輪,除此之外還有抱桿、天線、內(nèi)爬梯等安裝在單管塔的相應(yīng)位置。該通信管塔為滿足使用要求,要在每根抱桿上安裝一根天線,每根天線質(zhì)量約為15 kg,迎風(fēng)面積不超過0.5 m2。另外,每根天線需另配置一臺射頻拉遠單元(remote radio unit,RRu)設(shè)備,每臺質(zhì)量約為15 kg,迎風(fēng)面積0.15 m2。本鐵塔管身采用ASTM A572 Gr65鋼板,其余鋼材(不含螺栓)均采用Q235B鋼,該單管塔總質(zhì)量約12 277 kg。每段塔身的各項參數(shù)見表1。
圖1 單管塔結(jié)構(gòu)示意圖
表1 管塔塔身參數(shù) 單位:mm
首先根據(jù)二維圖紙利用SolidWorks建立該單管塔的三維模型,然后為了使劃分網(wǎng)格簡單,減少計算消耗的時間,并保證計算結(jié)果的準確性,在不影響仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上,對模型進行簡化,去除倒角、圓角、安裝孔等小特征[8]。在模型導(dǎo)入ANSYS后,將抱桿、天線及RRu設(shè)備以質(zhì)量點的方式添加在單管塔的相應(yīng)位置。隨后對管塔材料性能進行設(shè)置,其中ASTM A572 Gr65鋼板的彈性模量為2.06 GPa,泊松比為0.26,密度為7 850 kg/m3,Q235B鋼的彈性模量為2.11 GPa,泊松比為0.28,密度為7 850 kg/m3。最后對比模型質(zhì)量與實際單管塔質(zhì)量,并將質(zhì)量差以質(zhì)量點方式添加到單管塔的重心位置,使模型質(zhì)量與單管塔實際質(zhì)量一致,以提高仿真分析結(jié)果的準確性。添加質(zhì)量點的ANSYS三維仿真模型如圖2所示。
圖2 ANSYS模型
模型建立之后,利用有限元軟件ANSYS對整個結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分,獲得節(jié)點198 116個、單元96 970個,如圖3所示。
圖3 網(wǎng)格劃分
根據(jù)單管塔的實際情況,對模型各部件之間選擇合適的連接方式,施加合理的約束。將塔身5底部固定,設(shè)置載荷為標準重力載荷,以Z軸負方向加載在塔身上,進行單管塔的應(yīng)力分析,得到應(yīng)力云圖如圖4所示??芍?,在地球重力的影響下,單管塔最大應(yīng)力在管塔底部,應(yīng)力大小約為8 MPa,遠小于材料的許用應(yīng)力,滿足材料性能要求。
圖4 單管塔應(yīng)力云圖
由于管塔在地震與風(fēng)載等動載荷的作用下,其變形和內(nèi)力均與管塔設(shè)備的自振周期和振型有關(guān)[9],為了避免通信塔在各種工況下發(fā)生共振,通常需要計算通信塔的模態(tài)頻率和振型。選用ANSYS Workbench中的Modal模塊分析管塔的固有模態(tài),將已建立好的模型導(dǎo)入ANSYS中進行分析,其各階模態(tài)頻率如圖5所示。前6階模態(tài)的固有頻率幾乎都為0,此時單管塔為剛體模態(tài)。由此可知,對設(shè)計與優(yōu)化有意義的為第7~12階模態(tài),提取非零模態(tài)前6階(即第7~12階)的固有頻率,見表2。
圖5 模態(tài)頻率
表2 前6階非零模態(tài)固有頻率
根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中一般高聳結(jié)構(gòu)的基本自振周期,對于鋼結(jié)構(gòu)可按照公式T=(0.007~0.013)H進行計算,其中H為結(jié)構(gòu)的高度[10]。計算得結(jié)構(gòu)的第1階非零模態(tài)的周期為0.35~0.65 s,頻率為1.54~2.85 Hz,證明所構(gòu)建的插接式單管塔模型符合工程計算要求。
根據(jù)ANSYS模態(tài)分析得到第7~12階模態(tài)振型,如圖6所示。各階振型的特點見表3。
圖6 各階模態(tài)振型
表3 管塔振型特點
由分析結(jié)果可以看出,模態(tài)分布相對分散,模態(tài)頻率較為清晰,其中第7和第8階頻率起主要影響作用,振型特征基本符合高聳結(jié)構(gòu)一般情況下的風(fēng)振振型特征。第7階為塔身的一階橫向(X向)振動,第8階為塔身的一階縱向(Y向)振動,且這兩階的自振頻率的數(shù)值相差很小,說明插接管塔結(jié)構(gòu)的橫向和縱向剛度幾乎無差別。根據(jù)單塔的前6階非零模態(tài)振型可以看出,扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在橫向和縱向振型之后,且扭轉(zhuǎn)主要出現(xiàn)在金輪以上部位,在第8階扭轉(zhuǎn)程度更加明顯,鋼管塔中金輪以下部位變形較小,而其以上部位變形較明顯,在地震作用下對鋼管塔進行響應(yīng)分析時,金輪以上部位應(yīng)該作為重要的研究對象。
任何通信管塔在使用ANSYS進行風(fēng)載仿真分析時,都要根據(jù)風(fēng)壓計算通信塔迎風(fēng)一側(cè)受到的風(fēng)力大小。利用公式計算時需要知道通信塔的自振周期,自振周期數(shù)值的大小可以通過公式計算,但由于通信塔的外形等會存在差異,計算得到的自振周期就會存在一定的誤差從而造成仿真結(jié)果不準確。由于通過ANSYS模態(tài)仿真分析得到自振周期,進而計算所受風(fēng)載的大小,可以提高受載仿真的準確性,因此通信管塔在進行ANSYS地震仿真之前,必須利用Modal模塊進行模態(tài)分析。
本文結(jié)合有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Modal模塊對江蘇某地使用的移動內(nèi)爬插接景觀塔(金輪)的模態(tài)進行分析,根據(jù)仿真結(jié)果可得結(jié)論如下:
1)仿真得到的該單管塔前6階非零模態(tài)頻率中,第7和第8階頻率起到主要的影響作用,振型特征基本符合高聳結(jié)構(gòu)一般情況下的風(fēng)振振型特征;
2)通過分析各階模態(tài)的振型圖,可知扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在橫向和縱向振型之后,且扭轉(zhuǎn)主要出現(xiàn)在金輪以上部位,其中第8階扭轉(zhuǎn)程度尤為明顯;
3)對該插接式管塔受地震載荷進行仿真分析時,金輪以上部位應(yīng)該作為重要的研究對象,且在加掛外部設(shè)備時,應(yīng)該避免與該管發(fā)生共振。
本文對該插接式單管塔的仿真分析可為該管塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、抗震設(shè)計等提供依據(jù),也可為其他通信塔固有模態(tài)的分析提供參考。