不同覆冰厚度下通信鐵塔主桿應力的分析研究

孫濤　艾鵬

摘要：通過有限元程序MIDAS GEN，對45m角鋼塔在不同覆冰厚度情況下的主桿應力進行計算分析，結果表明，覆冰厚度與主桿應力存在線性關系。對通信鐵塔覆冰狀態下的覆冰增大系數進行了初步探討。

關鍵詞：MIDAS GEN；通信鐵塔；覆冰

中圖分類號：TM75文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2016）13-245-02

前言

通信鐵塔作為一種特殊的高聳結構，具有高度高、重量輕、剛度小、外形細長等特點。可能作用在通信鐵塔上的外部荷載有風荷載、地震荷載、覆冰荷載、溫度效應等等，其中風荷載往往是其控制荷載，強風對高聳結構造成的破壞尤其嚴重。近年來，極端嚴寒天氣造成的災害頻發，覆冰狀態下使得通信鐵塔的擋風面積增加，使得作用在塔身上的風荷載值遠遠高出了正常工作壞境中的風荷載值，導致塔身因受水平荷載過大而破壞的風險增加。輸電塔、通信塔、電視塔、桅桿等高聳結構由于設計強度不足而倒塌的事故屢有發生。所以對覆冰荷載下通信鐵塔受力性能進行研究對于鐵塔設計的安全性有重要意義。

1.工程概況

某通信鐵塔實例：通信鐵塔采用正方形截面，塔總高47m，跟開6m，總重19.10噸，基本風壓O.75kN/m²，分別在塔段2與塔段3之間、塔段7與塔段8之間進行兩次變坡處理。單線圖、塔體主材、斜材、次材材料型號等數據見圖1

2.結構分析

應用有限元理論，用Midas Gen建立計算模型，模型中計算節點總數為369個，計算單元總數為916個。

根據風壓計算公式，在通信鐵塔所處的地理位置以及基本結構形式確定的情況下，迎風面積是風荷載作用力的主要參數。在覆冰狀態下，冰的厚度將引起通信鐵塔迎風面積的增加，風荷載對桿塔的作用也隨之增加。

覆冰厚度為Omm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm不同覆冰厚度下擋風率的數據詳表1，分析內容詳圖2（注：以下計算表格中寬度、長度表示該塔段內的桿件尺寸，單位為mm；面積單位為mmz）：

（1）鐵塔的覆冰厚度與其擋風率為一次函數關系，擋風率隨著覆冰厚度的增大而增大：

（2）相比鐵塔塔身，平臺的結構構件截面較小且相鄰間距較密，隨著覆冰厚度的增加，由覆冰引起的擋風率的增長率也比后者要高很多。因此鐵塔在選材上在滿足構件設計強度的條件下，宜選用擋風率相對較小的結構形式，不僅可以減小風荷載對塔架結構影響；另一方面，在覆冰條件下，也可最大限度地減小因覆冰引起的擋風面積，從而減小風荷載對塔架結構作用力，提高塔架的安全性。

選取半剛性節點連接的鐵塔模型作為基本模型，將風荷載簡化為作用在連接節點上的集中荷載，如圖3所示（圖中集中力為覆冰厚度5mm情況下的風荷載值）：

通過Midas Gen進行風荷載單工況下的分析，分別得到8個塔段的主材在不同覆冰厚度情況下截面的最大壓應力值與壓力值，對其結果進行對比分析，結果詳圖4.1-圖4.8：

圖4.1-圖4.8反應的是每個塔段在不同覆冰厚度條件下的壓力變化值，變量X的常數項可以理解為是在不同的風荷載影響下各個塔段壓力值增加量的幅度——數值越大，壓力增加幅度也就越大。因此應對主材的“安全系數”進行包絡取值，避免因“安全系數”的不同而導致安全系數較小的主材提前失效。

3.結論及展望

通過對不同覆冰厚度下通信鐵塔整體受力分析對比可知：

（1）塔身的擋風面積與覆冰的厚度呈線性關系：

（2）在鐵塔高度、塔腳跟開、主次材型號等客觀條件不變的情況下，且僅考慮風荷載引起的結構內力，忽略因覆冰重量引起的二階效應，鐵塔的桿件應力和風荷載呈線性關系：

（3）隨風荷載的增加，越接近地面的塔段的軸壓力曲線的斜率越大，即越接近地面的塔段隨風荷載變化其內力變化的敏感度越高。因此，在考慮有不確定因素引起的附加水平荷載的情況下，在對鐵塔進行結構設計以及后期的安全復核過程中，對底部結構構件應加以重視。

《高聳結構設計規范》規定：“重覆冰區輸電高塔覆冰后風荷載，按桿塔風荷載的標準值計算時，應乘以覆冰增大系數A=zo”。由于通信鐵塔和電力鐵塔荷載情況有很大差異，通信鐵塔直接采用輸電高塔的覆冰增大系數可能造成較大誤差。本文對通信鐵塔覆冰下的風荷載及其效應進行了初步探討，后續可繼續研究，提出相對合理的通信鐵塔覆冰增大系數。