顶部设有伞形天线的四边形桁架塔风载计算及结构分析.pdf

年 月第 卷第 期?年 月第 卷第 期中 文 引 用 格 式：张 佳 蕊，李 欣顶 部 设 有 伞 形 天 线 的 四 边 形 桁 架 塔 风 载 计 算 及 结 构 分 析 特 种 结 构，（）：英 文 引 用 格 式：，（）：顶 部 设 有 伞 形 天 线 的 四 边 形 桁 架 塔 风 载 计 算 及 结 构 分 析张 佳 蕊李 欣中 广 电 广 播 电 影 电 视 设 计 研 究 院 有 限 公 司 摘 要：为 研 究 附 属 结 构 对 塔 架 风 荷 载 计 算 的 影 响，本 文 以 顶 部 设 有 伞 形 天 线 的 四 边 形 桁 架 塔 为 计 算 模型，通 过计 算 两 种 挡 风 面 定 义 方 法 下 结 构 的 响 应，探 究 位 移 和 应 力 变 化 规 律。伞 形 天 线 与 塔 架连 接 节 点 处 杆 件 较 多 且 相 对 复 杂，考 虑 对 节 点 进 行 加 强。加 强 后 应 力 水 平 降 低，承 载 力 提 高，为 工 程应 用 提 供 一 定 的 参 考。关 键 词：伞 形 天 线挡 风 面节 点 加 强：牞 牞 牞 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牶 引 言随 着 广 电 基 础 设 施 建 设 的 不 断 完 善 和 移 动通 讯 事 业 的 崛 起，无 论 是 中、短 波 拉 线 桅 杆 还是 中 波 自 立 塔，以 及 作 为 地 标 建 筑 的 钢 结 构 和钢 筋 混 凝 土 电 视 塔，实 现 了 卓 有 成 效 的 发 展，其 中 钢 塔 桅 结 构 成 为 主 要 研 究 方 向。由 于 钢 塔桅 结 构 自 身 高 度 较 大 横 截 面 较 小，风 荷 载 作 为塔 架 结 构 的 控 制 荷 载，在 整 体 稳 定 计 算 中 显得 尤 为 重 要，尤 其 要 保 证 挡 风 面 积 这 一 基 础 数据 的 准 确 性。国 内 外 很 多 专 家 学 者 对 风 荷 载 的计 算 进 行 研 究，张 波将 数 值 模 拟 分 析 结 果 与规 范 计 算 结 果 进 行 对 比，吕 燕 霞将 电 视 塔 结构 的 动 力 特 性 作 为 重 点 进 行 模 态 分 析。对 于 顶部 设 有 伞 形 天 线 的 四 边 形 桁 架 塔 来 说，风 荷 载计 算 往 往 是 难 点。本 文 将 伞 形 天 线 这 一 顶 部 结构 作 为 研 究 重 点，使 用 两 种 挡 风 面 定 义 方 法 进行 风 荷 载 计 算，并 对 伞 形 天 线 与 主 结 构 连 接 节点 的 受 力 性 能 进 行 分 析。工 程 概 况香 山 补 点 机 房 位 于 福 建 省 厦 门 市，是 用 于 信号 发 射 的 底 部 绝 缘 中 波 塔，塔 架 为 正 四 边 形 钢管、角 钢 组 合 的 空 间 桁 架 结 构 体 系，塔 高，底 部 边 宽，按年 一 遇 取 本 地 基 本 风 压 为 ，地 面 粗 糙 度 为类。在 塔 高处增 设 顶 部 伞 形 天 线（锥 体 天 线），口 径，径 向根。顶部设有伞形天线的四边形桁架塔风载计算及结构分析张 佳 蕊李 欣?风 荷 载 计 算 高 耸 结 构 设 计 标 准（）中 规 定 四 边 形 塔 架 结 构 中 单 位 面 积 的 风 荷 载：式 中：为 风 振 系 数；为 风 荷 载 体 型 系 数；为 风 压 高 度 变 化 系 数。本 文 采 用有 限 元 软 件，仅 考 虑 自 重 和风 荷 载 对 模 型 进 行 分 析，根 据 高 耸 结 构 设 计 标准 四 边 形 塔 架 结 构 中 挡 风 面 积 按 图选 取。伞形 天 线 处 风 荷 载 的 计 算 方 法 对 结 构 整 体 变 形 与 承载 力 有 着 重 要 影 响，方 法 一 是 考 虑 伞 形 天 线 作 为外 轮 廓 承 担 风 向 一 挡 风，在中 挡 风 计 算 示意 如 图所 示；方 法 二 是 将 塔 架 作 为 主 体 挡 风，伞 形 天 线 部 分 作 为 附 属 结 构，采 用 邻 近 部 位 塔 架的 风 振 系 数 重 新 计 算，并 施 加 节 点 荷 载，在中 挡 风 计 算 示 意 如 图所 示。选 取 伞 形 天 线层 节 点 荷 载 值 进 行 对 比，如 表所 示，从 表 中 可以 看 出 方 法 二 计 算 得 到 的 风 荷 载 较 大。图 四边形塔架结构风向选取 图 挡风计算示意 表伞 头 编 号 荷 载 对 比 编 号荷 载 方 法 一方 法 二 将 两 种 计 算 方 法 得 到 的 风 荷 载 施 加 在 计 算 模型 中，得 到 标 高位 移 曲 线 如 图所 示。由 图可见，位 移 随 着 高 度 增 大 而 增 大，在处 位 移 变化 速 率 增 大，这 是 由 于处 杆 件 变 坡，直 径 从变 为，结 构 刚 度 变 小。通 过 表可以 看 出，方 法 二 的 顶 部 位 移 和 最 大 应 力 明 显 高 于方 法 一，因 此，使 用 方 法 二 计 算 风 荷 载 可 以 提 高结 构 的 安 全 储 备。图 层节点处位移 表方 法 一、二 计 算 结 果 对 比 计 算 方 法方 法 一 方 法 二 方 法 二方 法 一顶 部 位 移 最 大 应 力 节 点 分 析计 算 结 果 显 示 图中号 杆 件 扭 矩 为，该 处 杆 件 较 多 且 相 对 复 杂，因 此 对节 点 区 进 行 加 强，增 加 斜 杆 以 提 高 承 载 力，优 化后号 杆 件 扭 矩 为，扭 矩 下 降。图 号节点优化前后对比 图 钢材应力应变关系曲线 为 进 一 步 研 究 该 节 点 处 的 应 力 分 布 情 况 进 行有 限 元 分 析，对号 节 点 进 行 建 模 分 析。主 柱 截面 为，槽 钢 截 面，角 钢 截 面 为，杆 件 材 料 为。钢 材 应 力应 变 关 系 采 用 双折 线 模 型，如 图所 示。其 中段 为 弹 性 阶 段，段 为 强 化 阶 段。对 计 算 模 型 底 部 施 加固 定 约 束，并 将计 算得 到 的 其 余 杆 件 内 力 施 加在 杆 件 端 部，由 于 焊 缝 承载 力 一 般 大 于 等 于 结 构 构件 的 承 载 力，因 此 未 考 虑 年 月第 卷第 期 焊 缝 对 本 节 点 的 影 响。网 格 划 分 以 四 边 形 网 格为 主，四 边 形 单 元 类 型 为（四 结 点 曲 面 薄 壳或 厚 壳，减 缩 积 分，沙 漏 控 制，有 限 膜 应 变）；三 角 形 单 元 类 型 为（三 结 点 三 角 形 通 用 壳，有限 膜 应 变），网 格 划 分 如 图所 示。图 网格划分模型 经 分 析，应 力 云 图 如 图所 示，应 力 最 大 处 为号 杆 件 根 部。在 未 加 斜 杆 支 撑时，应 力 最 大 为；增 加 斜 杆 支 撑后，应 力 最 大 为，增 加 斜 杆 支 撑是 节 点 最 大应 力 减 小。分 析 得 到 的剪 应 力 云 图 如 图所 示，最 大 剪 应 力 发 生 在 与号 杆 件 连 接 处 的 主 柱 上，在 未 加 斜 杆 支 撑 时，剪应 力 最 大 为；增 加 斜 杆 支 撑 后，剪 应 力最 大 为，增 加 斜 杆 支 撑 后，节 点 最 大 剪应 力 减 小。因 此，斜 杆 支 撑 的 增 加 有 效 提高 了 该 节 点 的 抗 剪 承 载 力，从 而 使 节 点 的 抗 扭 能力 得 到 提 高。图 应力云图（单位：）（：）图 剪应力云图（单位：）（：）结 论在 顶 部 设 有 伞 形 天 线 的 四 边 形 桁 架 塔 结 构中，将 伞 形 天 线 作 为 附 属 结 构 施 加 节 点 荷 载 的 方法（方 法 二）计 算 得 到 的 风 荷 载 更 大、结 构 顶 点 位移 响 应 更 明 显、构 件 应 力 水 平 更 高，虽 然 存 在 一定 的 挡 风 重 复 计 算，但 实 际 工 程 中 使 用 方 法 二 计算 风 荷 载 更 能 够 保 证 结 构 计 算 的 安 全 性。在 顶 部 设 有 伞 形 天 线 的 四 边 形 桁 架 塔 结 构中，附 属 结 构 与 主 体 塔 架 的 有 效 连 接 是 保 证 稳 定性 的 重 要 步 骤，增 加 斜 杆 支 撑 可 以 有 效 提 高 节 点的 抗 剪 承 载 力，并 使 节 点 的 抗 扭 能 力 得 到 提 高。参 考 文 献杨 庆 山，单 文 姗，田 村 幸 雄，等高 层 建 筑 脉 动 风 荷 载 特性 土 木 工 程 学 报，（）：，（）：郝 晋 林塔 桅 结 构 的 设 计 研 究 西 安：西 北 工 业 大学，：，张 波通 信 单 管 塔 风 荷 载 数 值 模 拟 分 析 建 筑 结 构，（）：，（）：吕 燕 霞钢 结 构 电 视 塔 风 荷 载 动 力 研 究 郑 州 大 学，高 耸 结 构 设 计 标 准 北 京：中 国 计 划出 版 社，：，陶 忠，于 清 著新 型 组 合 结 构 柱 科 学 出 版 社，张 宇 敏，杨 玉 涵，田?，等海 安 塔 钢 管 节 点 的 非 线 性 有限 元 分 析 特 种 结 构，（）：，（）：