SAP2000在雙桿身桅桿設計中的應用

摘 要：該文采用SAP2000軟件，對雙桿身桅桿剛性連桿連接和軟性鋼絲繩連接進行了風荷下的非線性受力分析和屈曲分析，文章分析比較了計算結果，并根據計算結果優化雙桅桿結構布局形式，為雙桿身桅桿設計提供依據。

關鍵詞：雙桿身桅桿 非線性 屈曲 SAP2000

中圖分類號：TP391.7文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（c）-0059-02

雙桿身桅桿是同相水平天線采用最多也是最經濟的支持物，由兩座相同高度桅桿組合而成，在拉線節處用剛性連桿或軟性繩纜將兩桿身連在一起。雙桅桿桿身一般采用圓鋼或鋼管焊接而成，桿身上通過吊索掛接同相水平天線幕或反射幕，雙桅桿結構布局形式見圖1。

雙桿身桅桿結構屬于超靜定空間結構，安全可靠性較差，只要一根拉繩的破斷或一根弦桿的失穩，就容易引起整個桅桿結構破壞 [1]，因此對雙桿身桅桿進行風荷力學分析計算，對確定結構形式、避免事故的發生具有十分重要的研究意義和使用價值。

該文通過SAP2000軟件，對比了43.5 m高雙桿身桅桿在不同拉繩夾角、不同連桿結構形式下的風荷計算，分析了各種形式的優劣，為最終確定雙桅桿結構提供依據。

1 雙桿身桅桿計算模型

雙桅桿鋼材選用Q235鋼，主柱采用φ50圓鋼，橫桿采用φ25圓鋼，次橫桿和斜桿采用φ20圓鋼，下層拉繩和曳線為φ18鍍鋅鋼絲繩，與地面夾角為45 °；上層拉繩和曳線為φ22鍍鋅鋼絲繩，與地面的夾角分別為45 °和55 °。雙桅桿之間連接形式有兩種，分別為φ22鍍鋅鋼絲繩軟結構連接和φ159x6鋼管硬結構連接。

本文選取的工況計算風壓為1 kN/m2，風向垂直于天線幕。下面對幾種結構形式進行風荷受力分析計算，將計算風壓轉換為桅桿主柱、橫桿、次橫桿和拉繩的線荷載。

2 非線性計算及分析

用SAP2000軟件建模，主柱、橫桿、次橫桿和斜桿選用Frame單元，拉繩選用Cable單元，連桿分別選用Frame單元和Cable單元建模。添加靜態非線性工況，將風荷載施加在桅桿和拉繩模型上，運行荷載工作[3]。計算的拉繩最大拉力、桅桿的最大應力比和最大位移見表1。通過表1可以看出各種形式的雙桿身桅桿、拉繩計算結果滿足文獻[4]相應要求。

分析表1計算結果，傾角45 °拉繩的拉力大于55 °傾角拉繩的拉力，但桅桿的支座反力和桅桿的頂部撓度小，可傾角45 °拉繩的占地面積大，從經濟成本等綜合考慮應優先選用傾角55 °的拉繩布局。

通過表1還可以看出在拉繩傾角相同的情況下，連接方式為鋼管的桅桿支座反力、拉繩拉力均與鋼絲繩連接方式相同，這說明在計算雙桿身桅桿時可將鋼管等效為柔索參照三方拉線桅桿[6]進行建模計算。

3 屈曲計算及分析

由于桅桿屬于大跨度空間結構體系，其極限承載力狀態主要由桿身穩定性控制。桅桿結構的穩定問題分為兩類，一類為分支點失穩（特征值屈曲）；一類為極限值點失穩。SAP2000的屈曲分析工況（Buckling）是解決第一類失穩問題。SAP2000將特征值λ稱為屈曲因子，屈曲因子與給定荷載的乘積即為屈曲荷載。有時，也可將λ視為安全系數，如果屈曲因子大于1，給定的荷載必須增大以引起屈曲；如果小于1，給定的荷載必須減小以防止屈曲。屈曲因子也可以為負值，說明當荷載反向時會發生屈曲。

添加屈曲分析工況（Buckling），運行荷載工作[3]。兩種連接方式計算的屈曲因子見表2。通過表2可以看出，在連桿結構相同時桅桿的拉線角度不同對屈曲因子影響不明顯。

選用鍍鋅鋼絲繩作為連桿時屈曲因子受鋼絲繩垂度影響較大，鋼絲繩垂度越小，屈曲因子絕對值越大。屈曲因子為負值表明

發生該階失穩需臨界反向荷載作用。

但選用鋼絲繩作為連桿時，安裝架設時由于人為操作會影響到連桿的垂度，從安裝架設角度考慮，選用鋼管作為連桿要比選用鋼絲繩作為連桿更安全。

4 結語

通過SAP2000分析計算，雙桅身桅桿布局應選用上層拉線與地傾角為55°、桅桿連接方式為φ159x6鋼管的的結構形式，其安全可靠性高于45°拉線傾角、桅桿連接方式為軟結構的結構形式。

SAP2000屈曲分析為特征值屈曲，其計算結果對結構的穩定承載力進行初期預測。若進行詳細的計算，還需結合其他分析功能和仿真軟件進行綜合解決。

參考文獻

[1]王肇民.桅桿結構[M].科學出版社，2001.

[2]GB50009-2012建筑結構荷載規范[S].

[3]中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].中國建筑工業出版社，2007.

[4]GB50135-2006高聳結構設計規范[S].

[5]GY5001-2004鋼塔桅結構設計規范[S].

[6]王肇民.高聳結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1995.