CAE于通信鐵塔抗風(fēng)分析中的應(yīng)用

1、概述

通信鐵塔是典型的高柔結(jié)構(gòu)，其高度從20m-60m不等。通信鐵塔的主要設(shè)計載荷為風(fēng)載荷，根據(jù)建筑載荷規(guī)范和高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范設(shè)計。但設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否能滿足實際工程的需要，需要進(jìn)一步的驗證。目前風(fēng)載荷的確定的手段主要有風(fēng)洞實驗、現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬。而風(fēng)洞實驗相對費用較高，難以大面積的應(yīng)用。而現(xiàn)場實測得到的數(shù)據(jù)比較全面，可信度高，但受到大自然風(fēng)不定變化的限制，同時組織和安排比較復(fù)雜，耗時耗資巨大，成本較高。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)載荷數(shù)值模擬取得較大進(jìn)展，通過有限元計算鐵塔的抗風(fēng)性能耗時耗資少，可重復(fù)性高，計算結(jié)果可信度較高，因此廣泛接受。本文通過Altair公司的HyperMesh生成鐵塔的數(shù)學(xué)模型，并做靜力分析，計算得出通信鐵塔的抗風(fēng)性能。

2、工程簡介

本文以一四邊形角鋼塔為研究對象，全塔高40m，基地寬度6m，距頂2m和5m處各設(shè)一個平臺。如圖1所示。鐵塔的主材為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度為345MPa，其他輔材為碳素合金鋼，屈服強(qiáng)度為235MPa。結(jié)構(gòu)所處地貌為C類，基本風(fēng)壓為0.40KN/m2。

圖1通信塔結(jié)構(gòu)簡圖

3、通信塔動力特性分析

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的理論基礎(chǔ)和分析與結(jié)構(gòu)的動力學(xué)密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)的動力特性一般包括自振頻率、振型及阻尼比。這些是結(jié)構(gòu)風(fēng)響應(yīng)分析的前提。

本文中通信鐵塔的動力特性分析采用Lanczos法，提取1-10Hz結(jié)構(gòu)的模態(tài)。本文采用兩種方法建立通信塔的有限元模擬，一種是全采用Beam單元；一種是主材采用Beam單元，輔材采用Rod單元。得到的結(jié)果如表1所示。全beam模型的振型結(jié)果如圖2-圖6所示。

表1全Beam模型與Beam和Rod混合模型頻率和振型對比

圖2X向一階彎曲

圖3Y向一階彎曲

圖4X向二階彎曲

圖5Y向二階彎曲

圖6一階扭轉(zhuǎn)

根據(jù)表1可知，當(dāng)采用全可根據(jù)表1可知，當(dāng)采用全Beam模型時，結(jié)構(gòu)的頻率偏高；全Beam模型和Beam和Rod振型基本一致。

4、通信鐵塔抗風(fēng)分析

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范，上的風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為：

（1）基于建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范的風(fēng)載荷

表2《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》計算風(fēng)振系數(shù)

表3建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范0°風(fēng)向風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值

表4建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范45°風(fēng)向風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值

（2）基于高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的風(fēng)載荷

表5《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》算風(fēng)振系數(shù)

表6高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范0°風(fēng)向風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值

表7高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范45°風(fēng)向風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值

表8通信鐵塔各塔段最大水平位移（mm）

圖7通信鐵塔水平位移圖

表9通信鐵塔各段最大應(yīng)力（MPa）

5、結(jié)論

本文通過對通信鐵塔結(jié)構(gòu)建立準(zhǔn)確的有限元模型，并根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》和《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對通信塔在0°和45°風(fēng)向角風(fēng)載荷作用下進(jìn)行擬靜力分析，得出在相同風(fēng)向角風(fēng)載荷的作用下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)非常接近，在45°風(fēng)向角風(fēng)載荷作用下，結(jié)構(gòu)的水平位移響應(yīng)式同高度處0°風(fēng)向角風(fēng)載荷作用下水平位移的1.63倍。最大應(yīng)力都未超出結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度。

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