穆 宇 亮

(中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050021)

地震作用下通訊拉線(xiàn)塔拉線(xiàn)預(yù)應(yīng)力的優(yōu)化

穆 宇 亮

(中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050021)

通過(guò)有限元分析軟件，對(duì)通訊拉線(xiàn)塔進(jìn)行了建模，按三種不同預(yù)應(yīng)力值進(jìn)行地震動(dòng)力時(shí)程分析，得到了地震作用下不同預(yù)應(yīng)力值拉線(xiàn)的內(nèi)力時(shí)程曲線(xiàn)，對(duì)比三種預(yù)應(yīng)力值計(jì)算的結(jié)果，從而選出了地震作用下合理的拉線(xiàn)預(yù)應(yīng)力取值。

通訊拉線(xiàn)塔，預(yù)應(yīng)力，抗震設(shè)計(jì)

0 引言

通訊拉線(xiàn)塔是一種由鋼絞線(xiàn)拉線(xiàn)固定，塔身上可安裝移動(dòng)通信天線(xiàn)的塔桅形式，具體形式見(jiàn)圖1。塔身一般是格構(gòu)式桁架，由鋼管、角鋼或圓鋼組成。除塔身底部外，塔身在不同高度安裝拉線(xiàn)為鐵塔提供約束。該塔型外觀(guān)新穎，受力合理，塔體重量輕，施工簡(jiǎn)便、周期短，是一種性能良好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的通信塔型。

通訊拉線(xiàn)塔作為通信鐵塔的一個(gè)重要分支，在傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入柔性的預(yù)應(yīng)力拉索，并施加一定的預(yù)應(yīng)力，在不同高度為塔身提供約束，減少了鐵塔自由長(zhǎng)度，從而改變了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和變形特征，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的性能，使得結(jié)構(gòu)重量大為減輕，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

通訊拉線(xiàn)塔一般安裝在建筑物的屋面上，高度在8 m～16 m之間。因?yàn)槠渌斫孛娉叽缧?，在既有結(jié)構(gòu)上較易選定受力點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響小。但該結(jié)構(gòu)也有其缺點(diǎn)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本身需要拉線(xiàn)提供約束，而拉線(xiàn)與水平線(xiàn)的夾角通常為45°，故塔身越高其占地面積越大；而且對(duì)固定拉線(xiàn)的錨固件和拉線(xiàn)要求較高。

1 拉線(xiàn)塔鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力及計(jì)算方法

拉線(xiàn)是一種柔性構(gòu)件，僅能承受拉力，不能承受壓力，作為通訊拉線(xiàn)塔的重要構(gòu)件，對(duì)于拉線(xiàn)結(jié)構(gòu)體系的形成是必不可少的。鐵塔塔身依靠預(yù)先對(duì)拉線(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力從而為其提供必要的支撐，抵抗由地震作用產(chǎn)生的荷載。由此得出，施加了預(yù)應(yīng)力的拉線(xiàn)是實(shí)現(xiàn)抗震性能的關(guān)鍵因素。

拉線(xiàn)的預(yù)應(yīng)力可以人為調(diào)節(jié)，它的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有較為顯著的影響，預(yù)應(yīng)力過(guò)小則不能為塔身提供必要的約束，在地震作用下，拉線(xiàn)可能松弛而退出工作；反之，如果預(yù)應(yīng)力過(guò)大會(huì)增加塔身結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)會(huì)增大既有結(jié)構(gòu)的荷載，產(chǎn)生不利的影響。所以，通訊拉線(xiàn)塔的預(yù)應(yīng)力應(yīng)該存在一個(gè)合理值。既可以滿(mǎn)足地震作用下抵抗荷載的要求，同時(shí)又要盡量減小預(yù)應(yīng)力的取值。目前，通訊鐵塔地震反應(yīng)的計(jì)算分析方法主要有振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。其中，反應(yīng)譜法主要應(yīng)用于彈性多自由體系的分析，而且分析所得的結(jié)果是最大地震反應(yīng)，并不是結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)的全過(guò)程。時(shí)程分析法是對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程直接進(jìn)行逐步積分求解的一種動(dòng)力分析方法。由時(shí)程分析可得到各個(gè)質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化的位移、速度和加速度動(dòng)力反應(yīng)，進(jìn)而計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力和變形的時(shí)程變化，該方法直接輸入實(shí)測(cè)地震加速度時(shí)程記錄或者人工加速度時(shí)程，對(duì)運(yùn)動(dòng)方程積分求得地震作用下結(jié)構(gòu)在整個(gè)過(guò)程中的反應(yīng)[1]。根據(jù)加速度時(shí)程輸入位置和方向，時(shí)程分析法的加速度時(shí)程輸入方式分為單點(diǎn)一致輸入、多向單點(diǎn)輸入、多點(diǎn)輸入和多向多點(diǎn)輸入等[2]。本文算例采用時(shí)程分析法對(duì)拉線(xiàn)塔進(jìn)行分析。

2 有限元模型和計(jì)算結(jié)果

以一個(gè)典型通訊拉線(xiàn)塔為研究對(duì)象，建立有限元模型。塔身為三角形斷面的桁架，高度15 m，斷面邊長(zhǎng)500 mm，主材采用Φ89×6，斜材和橫材采用L45×4，拉線(xiàn)采用鋼絞線(xiàn)，俯視按120°間隔布置，在塔身12 m，6 m設(shè)兩層拉線(xiàn)，上層拉線(xiàn)與水平線(xiàn)角度為38°，下層拉線(xiàn)與水平線(xiàn)角度為57°，占地為16.5 m×14.5 m。模型見(jiàn)圖2，選取上層拉線(xiàn)作為考察對(duì)象，通過(guò)分析結(jié)果來(lái)說(shuō)明拉線(xiàn)的地震反應(yīng)。

以模型為研究對(duì)象，計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)。假定該工程所在地區(qū)地震分組為第二組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，設(shè)防烈度為8度(0.2g)。根據(jù)所在場(chǎng)地選取EI-Centro波作為實(shí)測(cè)地震加速時(shí)程。同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防烈度和GB 50011—2010建筑抗震規(guī)范[3]中的規(guī)定對(duì)地震波進(jìn)行波峰調(diào)整，將該加速度時(shí)程中的加速度值調(diào)整至70gal。

將上下兩層拉線(xiàn)預(yù)應(yīng)力作為考察參數(shù)，分別設(shè)置為1 kN，3 kN，5 kN時(shí)進(jìn)行地震動(dòng)力時(shí)程分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理，得到不同預(yù)應(yīng)力拉線(xiàn)內(nèi)力的時(shí)程曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3，圖4。

3 結(jié)語(yǔ)

由以上模型計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)拉線(xiàn)內(nèi)力時(shí)程曲線(xiàn)接近于EI-Centro波的波形。在地震作用下，拉線(xiàn)內(nèi)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間稍晚于地震波的波峰值。

2)在地震烈度為8度(0.2g)地震作用下，拉線(xiàn)內(nèi)力最大拉力為1.07 kN，且上層拉線(xiàn)的內(nèi)力大于下層拉線(xiàn)的內(nèi)力。因?yàn)槔€(xiàn)為只拉構(gòu)件，在承受壓力時(shí)退出工作。

3)在靜力作用下，若不考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷，拉線(xiàn)受力很小，只有在地震作用下，拉線(xiàn)才參與工作。由此可以得出，為保證拉線(xiàn)不因?yàn)樗沙诙顺龉ぷ?，拉線(xiàn)的預(yù)應(yīng)力應(yīng)與地震作用下所承受的內(nèi)力相接近為宜。過(guò)大則增加塔身和拉線(xiàn)的荷載，過(guò)小則使結(jié)構(gòu)在地震作用下容易松弛。所以，在抗震8度區(qū)，15 m通訊拉線(xiàn)塔拉線(xiàn)預(yù)應(yīng)力以1.5 kN～2 kN為宜。

[1] 楊 忠，張文旭.局部雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自振特性分析[J].華北地震科學(xué),2008,26(4):41-44.

[2] 陳志華.張弦結(jié)構(gòu)體系[M].北京:科學(xué)出版社,2013:103-106.

[3] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Prestress optimization of communication cable tower’s cable under earthquake action

Mu Yuliang

(ShijiazhuangDesignInstitute,SinosteelEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shijiazhuang050021,China)

Modeling of the communication cable tower through the finite element analysis software, value of seismic dynamic time history analysis according to three different prestress, get the curves of the seismic action under the different value of prestressed cable internal force, computational results comparing the three kinds of prestress value, draw the cable prestress reasonable under the action of earthquake.

communication cable tower, prestress, seismic design

2015-02-12

穆宇亮(1979- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)12-0041-02

TU394

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