高 山，李曉明，韓華杰（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司，河北石家莊050000）

0 前言

通信鐵塔是信號(hào)發(fā)射、接收和傳輸設(shè)備的主要載體，是移動(dòng)通信網(wǎng)完成信號(hào)覆蓋的重要基礎(chǔ)設(shè)施［1］。通信鐵塔作為一種典型的高聳結(jié)構(gòu)，其控制的設(shè)計(jì)荷載通常為水平荷載，主要包括風(fēng)荷載和地震荷載。由于通信鐵塔屬于輕柔型結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)屬于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分支，對于地震的反應(yīng)相對較小，當(dāng)設(shè)防烈度較低時(shí)，通常是風(fēng)荷載起控制作用［2-8］。

與建筑結(jié)構(gòu)不同，通信鐵塔在設(shè)計(jì)上具有相似性和重復(fù)性，并且設(shè)計(jì)量往往很大，因此為了規(guī)范鐵塔設(shè)計(jì)的方案，并提高設(shè)計(jì)效率，中國鐵塔公司結(jié)合三大運(yùn)營商已有通信鐵塔的塔型，發(fā)布了《通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集》［9］（下稱《圖集》），以規(guī)范未來我國通信鐵塔的建設(shè)。

通信鐵塔按照構(gòu)造形式分為拉線桅桿、單管塔、三管塔和角鋼塔。拉線桅桿和單管塔由于其構(gòu)造簡單、高度較低，其安全性比較容易得到保證，而三管塔和角鋼塔則更多地用于野外開闊場地，建設(shè)和使用環(huán)境較差，建設(shè)高度較高，組成構(gòu)件較多，在高風(fēng)壓作用下存在較大的安全隱患，局部構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)的破壞容易引發(fā)鐵塔的整體倒塌。

隨著通信行業(yè)的蓬勃發(fā)展，大量通信鐵塔在全國各地興建，鐵塔倒塌的事故也不斷出現(xiàn)，輕則通信中斷影響生產(chǎn)，重則造成人員財(cái)產(chǎn)損失［10-13］。通信鐵塔長期處于室外自然環(huán)境下，其初始的質(zhì)量狀況、自然因素及人為因素都可能影響到鐵塔的安全性。因此有必要對通信鐵塔高風(fēng)壓下的倒塌安全性進(jìn)行分析。

本文選取《圖集》中風(fēng)壓0.65 kN/m2下高度50 m的四平臺(tái)三管塔進(jìn)行倒塌安全性分析，如圖1所示，該塔型為《圖集》中風(fēng)壓最大、高度最高的三管塔型，具有一定的代表性。

1 分析模型

1.1 模型建立與驗(yàn)證

0.65 kN/m2風(fēng)壓下50 m 三管塔根開5.1 m，頂部寬度1.3 m，共分為10 個(gè)塔段，由上到下分別為塔段1 至塔段10。塔身總高50 m，頂部設(shè)置有5 m高的避雷針，在33、38、43和48 m處分別設(shè)有平臺(tái)。

采用通用有限元分析軟件ABAQUS 建立三管塔的有限元分析模型。通信鐵塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為細(xì)長的鋼管和角鋼，僅考慮其承受拉壓荷載，不承受彎矩，因此采用Truss 單元對桿件進(jìn)行模擬。三管塔的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q345鋼材，屈服強(qiáng)度345 MPa。鋼材的本構(gòu)模型選用帶強(qiáng)化段的理想彈塑性材料模型，強(qiáng)化段剛度取2%Es。建立的有限元模型如圖2所示。

青年志愿者活動(dòng)參與行為調(diào)查發(fā)現(xiàn)：52.0%的被調(diào)查者只有在單位組織的情況下參加志愿活動(dòng)，18.2%的被調(diào)查者只有在特殊時(shí)間或節(jié)日參加志愿活動(dòng)；11.3%的被調(diào)查者1年只參加1次志愿活動(dòng)，9.4%的被調(diào)查者每月或每2月參加1次志愿活動(dòng)，6.7%的被調(diào)查者每周或每2周參加1次志愿活動(dòng)[2]。較低的志愿活動(dòng)參與率導(dǎo)致志愿服務(wù)人力資源短缺，醫(yī)務(wù)志愿者服務(wù)隊(duì)伍難以形成規(guī)模，醫(yī)療志愿活動(dòng)開展受到制約。

圖2 有限元模型

圖1 50 m三管塔

為了驗(yàn)證有限元模型的正確性，采用3D3S鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件［14］建立相同模型，并計(jì)算模型的前5 階自振頻率。由表1可以看到2個(gè)軟件計(jì)算的結(jié)果近似，驗(yàn)證了模型的可靠性。

表1 自振頻率計(jì)算

1.2 荷載施加

如前文所述，鐵塔主要承受水平荷載的作用，風(fēng)荷載通常是在水平荷載中起到控制作用，因此可參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）及《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD/T 5131-2005）中給出的風(fēng)荷載計(jì)算公式：

自然風(fēng)由平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)2部分組成，由式（1）可以看到，對于平均風(fēng)，規(guī)范給出的公式是通過基本風(fēng)速w0、地面粗糙類別和結(jié)構(gòu)高度決定的風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz、風(fēng)荷載體形系數(shù)μs來確定的。對于脈動(dòng)風(fēng)，則是通過風(fēng)振系數(shù)βz來考慮脈動(dòng)風(fēng)速對結(jié)構(gòu)的影響。

對于本文建立的三管塔模型，考慮到其建設(shè)場景，將地面粗糙度設(shè)定為較為常見的B 類，基本風(fēng)壓為0.65 kN/m2，再根據(jù)塔段高度和擋風(fēng)面積分別計(jì)算各塔段相應(yīng)的μz、μs和βz，得到各塔段的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。將計(jì)算得到的風(fēng)荷載施加于各塔段頂端，模擬風(fēng)荷載的作用。

根據(jù)《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》YD/T 5131-2005中的要求，三角形截面的自立式鋼塔架，在風(fēng)荷載作用下，應(yīng)考慮如圖3所示的3種風(fēng)向作用。

圖3 水平力作用方向

1.3 分析方法

實(shí)際結(jié)構(gòu)的倒塌過程實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力過程，結(jié)構(gòu)的自振頻率、構(gòu)件失效時(shí)間和沖擊作用等因素都會(huì)對結(jié)構(gòu)在拆柱后的響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。對于結(jié)構(gòu)的抗倒塌動(dòng)力分析，通常采用替換路徑法（AP法）結(jié)合動(dòng)力時(shí)程分析的方法，即在一定時(shí)間內(nèi)（或瞬時(shí)）拆除關(guān)鍵部位的柱，并對剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。美國GSA規(guī)范［15］規(guī)定在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力拆柱分析時(shí)，構(gòu)件的失效時(shí)間不得大于結(jié)構(gòu)自振周期的十分之一。因此，本節(jié)采用的柱子的失效時(shí)間為0.07 s，并在移除構(gòu)件后附加5 s的穩(wěn)定時(shí)間，以觀察結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。因此，荷載的施加過程分為3步，首先對塔身施加水平風(fēng)荷載，待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，拆除指定位置處的柱，然后觀察結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

構(gòu)件破壞平面位置見圖4（a），即三角形截面頂點(diǎn)軸線上的構(gòu)件，對于工況一和工況二，1點(diǎn)位置軸線上的塔柱破壞最不利，對于工況三則分別考慮2點(diǎn)和3點(diǎn)位置軸線上的塔柱破壞。從立面位置上看，由于各塔段的荷載施加在塔段頂端，因此選擇每個(gè)塔段上內(nèi)力最大的底部塔柱，如圖4（b）所示。

圖4 構(gòu)件破壞位置

2 三管塔倒塌安全性分析

選擇塔頂標(biāo)高50 m 處的順風(fēng)向水平位移作為分析參數(shù)，分析研究不同方向風(fēng)荷載作用下，各塔段柱失效后的塔頂水平位移的動(dòng)力時(shí)程曲線，結(jié)構(gòu)在塔柱失效后的動(dòng)力響應(yīng)?！陡呗柦Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135-2006）中對于鐵塔水平位移限制的規(guī)定，在風(fēng)荷載作用下，按非線性分析的自立塔水平位移限制為1/50，對于本文的三管塔模型，水平位移限制為1 000 mm。

2.1 工況一

圖5 工況一塔頂位移動(dòng)力時(shí)程曲線

對于工況一方向的風(fēng)荷載，失效軸線上的柱處于受壓狀態(tài)。塔頂順風(fēng)向的位移時(shí)程曲線如圖5 所示?？梢钥吹?，當(dāng)風(fēng)荷載施加完成后，塔頂?shù)乃轿灰茷?53 mm，滿足規(guī)范要求。當(dāng)拆除塔段1的塔柱時(shí)，塔頂水平位移基本沒有任何變化，仍為353 mm；當(dāng)拆除塔段2 的底層塔柱時(shí)，塔頂?shù)乃轿灰埔矝]有明顯增大和振動(dòng)，位移最大時(shí)為410 mm；當(dāng)拆除塔段3時(shí)，塔頂水平位移出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)，位移最大時(shí)達(dá)到了612 mm，并最終維持在500 mm 左右。根據(jù)以上分析可以看到，塔段3及以上部分的塔柱失效時(shí)，剩余塔身具有足夠的內(nèi)力重分配路徑和能量耗散能力，三管塔并不會(huì)發(fā)生倒塌，甚至并未超過規(guī)范要求的水平位移限值。

當(dāng)拆除塔段4 的底層柱時(shí)，可以看到塔頂?shù)乃轿灰企E增至2 000 mm，此時(shí)雖然水平位移最終穩(wěn)定，但已經(jīng)超過了規(guī)范規(guī)定的水平位移。由于塔頂位移并未出現(xiàn)發(fā)散性增大，可以認(rèn)為此時(shí)的三管塔仍具有一定的抗倒塌能力，但塔段4 仍存在較大安全隱患。而對于塔段5到塔段10的底層柱，在拆除后塔頂位移出現(xiàn)了發(fā)散，說明三管塔發(fā)生了倒塌。

2.2 工況二

圖6 工況二塔頂位移動(dòng)力時(shí)程曲線

對于工況二方向的風(fēng)荷載，失效軸線上的柱處于受拉狀態(tài)。塔頂順風(fēng)向的位移時(shí)程曲線如圖6 所示。可以看到，與工況一相似的是，當(dāng)塔段1、塔段2和塔段3 的底層塔柱破壞時(shí)，剩余塔架均具有充足的內(nèi)力重分配能力，并未發(fā)生倒塌，并滿足規(guī)范要求，工況二下前3 個(gè)塔段拆除后的水平位移要略小于工況一，這是由于工況一下重力與風(fēng)荷載產(chǎn)生同向的內(nèi)力，加劇了結(jié)構(gòu)的傾斜，而工況二下重力作用方向與風(fēng)荷載相反，有利于保持結(jié)構(gòu)平衡?；谙嗤?，當(dāng)塔段4 的底層柱失效時(shí)，其失效后的平衡位移僅為1 400 mm，雖然超過了規(guī)范限制，但該方向風(fēng)荷載作用下三管塔的抗倒塌能力要強(qiáng)于工況一。

2.3 工況三

對于工況三方向的風(fēng)荷載，2 點(diǎn)位置上的柱處于受壓狀態(tài)，3 點(diǎn)位置上的柱處于受拉狀態(tài)，考慮2 個(gè)位置上的塔柱分別失效下塔架的動(dòng)力響應(yīng)。由于工況三風(fēng)向下結(jié)構(gòu)的界面不對稱，塔架在風(fēng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，因此分別考察順風(fēng)向和垂直風(fēng)向上塔頂?shù)乃轿灰啤?/p>

對于重力荷載起到不利作用的2 點(diǎn)位置，由圖7（a）可以看到，相比于工況一，塔段1到塔段2的塔柱失效時(shí)，塔頂順風(fēng)向位移基本沒有變化，塔頂垂直風(fēng)向位移基本為0；塔段3 的塔柱失效時(shí)，塔頂順風(fēng)向位移略有減小，此時(shí)塔頂垂直風(fēng)向位移也較小，峰值約為100 mm；塔段4的塔柱失效時(shí)，塔頂順風(fēng)向位移約為1 100 mm，略大于規(guī)范限制，但考慮到塔柱失效，可以認(rèn)為此時(shí)塔柱是相對安全的，其垂直風(fēng)向位移約為450 mm，2個(gè)方向位移的矢量和為1 188.5 mm。塔段5到塔段10拆除后，塔頂?shù)乃轿灰圃陧橈L(fēng)向和垂直風(fēng)向上都發(fā)生了發(fā)散，證明塔架無法繼續(xù)承載，發(fā)生了倒塌。

對于重力荷載起有利作用的3 點(diǎn)位置，由圖8 可知，相比于2點(diǎn)位置，3點(diǎn)位置的塔柱破壞后，結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)較小。塔段4的塔柱失效后塔頂順風(fēng)向最大位移約為1 000 mm，垂直風(fēng)向最大位移約為340 mm，2個(gè)方向的矢量位移約為1 056 mm，基本滿足規(guī)范要求。值得注意的是，與工況二類似，由于重力荷載的有利作用，當(dāng)塔段10 的塔柱失效時(shí)，塔頂順風(fēng)向位移并沒有出現(xiàn)發(fā)散，而是穩(wěn)定在1 450 mm 左右，塔架并未發(fā)生倒塌。與地面連接的斜撐也起到了一定的作用，可見節(jié)點(diǎn)作為鐵塔的內(nèi)力匯集點(diǎn)，在內(nèi)力重分配過程中起到了十分重要的作用，保證了當(dāng)主要承重構(gòu)件發(fā)生破壞時(shí)，荷載可以有效地傳遞到與其相鄰的構(gòu)件上。

圖7 工況三2點(diǎn)塔頂位移動(dòng)力時(shí)程曲線

圖8 工況三3點(diǎn)塔頂位移動(dòng)力時(shí)程曲線

3 結(jié)論

本文針對鐵塔公司發(fā)布的《通信鐵塔標(biāo)注圖集》中的標(biāo)準(zhǔn)三管塔，選取風(fēng)壓0.65 kN/m2下高度50 m 的四平臺(tái)塔型進(jìn)行倒塌安全性分析，主要結(jié)論如下。

a）對于風(fēng)壓0.65 kN/m2下50 m 三管塔，其塔段3（38 m）以上部分塔身安全儲(chǔ)備較大，當(dāng)塔柱失效后塔架不會(huì)發(fā)生倒塌；塔段4的底層柱（33 m）失效時(shí)，塔身出現(xiàn)較大位移，但并未倒塌；其余塔段在失效后結(jié)構(gòu)基本都發(fā)生了倒塌。

b）塔身擋風(fēng)面與風(fēng)向呈一定角度時(shí)，雖然塔身在塔柱失效后發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，但總體變形仍小于風(fēng)向垂直于擋風(fēng)面的工況。當(dāng)失效塔柱承受拉力時(shí)，重力荷載將起到有利的作用。

c）在進(jìn)行塔身設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免塔身迎風(fēng)面與主風(fēng)向垂直，并降低塔柱承受的壓應(yīng)力水平。

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