中外荷載規(guī)范下有限元軟件對(duì)通信單管塔分析

李 剛 陳太平

(南京基久網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，江蘇 南京 211800)

1 概述

通信鐵塔是我們生活中最常見(jiàn)的鐵塔結(jié)構(gòu)，鐵塔結(jié)構(gòu)為通信覆蓋和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了很大便利。不同于輸電線路上的輸電鐵塔，通信鐵塔在建設(shè)上和使用上一般是獨(dú)立的，不依賴于除支撐它的基礎(chǔ)外的其他周?chē)h(huán)境。占地面積較小，塔身高度較高，應(yīng)用上非常便利，應(yīng)用非常廣泛，是目前通信覆蓋最主要的配套設(shè)施。

通信鐵塔作為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的關(guān)鍵設(shè)施，通信鐵塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為有較高的高度、較輕的自身重量、較小的剛度以及細(xì)長(zhǎng)的外形。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了通信鐵塔的控制荷載為風(fēng)荷載。

通常的鐵塔設(shè)計(jì)是根據(jù)規(guī)范規(guī)定的基于概率論的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，保證了結(jié)構(gòu)可靠度的要求。本文在常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分析鐵塔結(jié)構(gòu)的承載能力，考慮在充分利用材料性能的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)所能承受的最大荷載，以及所能承受的最大荷載與常規(guī)設(shè)計(jì)荷載的偏差。在此基礎(chǔ)上，分析結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)時(shí)的形態(tài)，破壞時(shí)的局部應(yīng)力應(yīng)變，全方位的分析單管塔結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的情況。

2 模型選取及建模過(guò)程

2.1 原型結(jié)構(gòu)模型介紹

為了利用有限元軟件對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，本文選用了《通信鐵塔標(biāo)準(zhǔn)圖集V1.3》中編號(hào)為DGT(Z)-30-0.35-3ZJ的鐵塔作為分析模型。此模型為30 m單管通信鐵塔，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.35 kN/m，包含三層支架，每層支架上掛載3付通信天線和3付對(duì)應(yīng)的RRU設(shè)備，掛高分別為28.5 m,24.5 m和21 m。塔身結(jié)構(gòu)分三段拼裝，分段結(jié)構(gòu)信息見(jiàn)表1。

表1 塔身分段信息

2.2 SAP2000單管塔模型建模過(guò)程

SAP2000軟件是常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，常用來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元分析。模型中采用變截面單元模擬鋼結(jié)構(gòu)鐵塔桿體單元，為考慮不同段桿體壁厚的不同，采用三段構(gòu)件拼裝成整個(gè)鐵塔桿體。

鐵塔桿體材料選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼材Q345B，材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為305 MPa，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3；桿身采用結(jié)構(gòu)自動(dòng)分段方法劃分分析網(wǎng)格。

2.3 ABAQUS單管塔模型建模過(guò)程

不同于SAP2000軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，ABAQUS軟件對(duì)個(gè)別部位和特殊截面的應(yīng)力應(yīng)變分析，ABAQUS軟件中同樣采用三段構(gòu)件拼裝成整個(gè)鐵塔桿體，每段鋼構(gòu)件均采用鋼材鋼管。

ABAQUS軟件需要自行定義材料本構(gòu)，本文定義鋼材本構(gòu)為理想線彈性模型，為了與SAP2000模型分析結(jié)構(gòu)對(duì)比，ABAQUS本構(gòu)定義屈服強(qiáng)度為305 MPa，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。

模型采用三維六面體減縮實(shí)體單元C3D8R，該單元為各向同性的，符合鋼材的受力性能。為了精確的分析結(jié)構(gòu)特殊部位和截面的性能，網(wǎng)格大小為50 mm，單管塔分析模型見(jiàn)圖1。

模型建完后，根據(jù)相應(yīng)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的相應(yīng)規(guī)定，計(jì)算塔身所掛設(shè)備所受到的風(fēng)荷載和重力荷載，施加在鐵塔相應(yīng)的位置處，經(jīng)計(jì)算得到的風(fēng)荷載和重力荷載如表2所示。

表2 塔身施加荷載標(biāo)準(zhǔn)值

3 模型分析結(jié)果對(duì)比

3.1 SAP2000模型計(jì)算結(jié)果

通過(guò)SAP2000模型的分析，得出了結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果，包括軸力、剪力、彎矩，以及塔頂位移值。結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖見(jiàn)圖2，塔底內(nèi)力值見(jiàn)表3，塔底軸力值為33.57 kN，塔底剪力值為11.68 kN，塔底彎矩值297.3 kN·m；塔頂位移值為629 mm。

表3 塔腳內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值

3.2 ABAQUS模型計(jì)算結(jié)果

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)的有限元分析，得到了鐵塔結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力云圖和塔身內(nèi)力值，見(jiàn)圖3，包括軸力、剪力、彎矩和塔頂位移值。塔底內(nèi)力值匯總于表3，塔底軸力值為35.60 kN，塔底剪力值11.69 kN，塔底彎矩值293.6 kN·m；塔頂位移值為645 mm。

從表3中可以看出，兩種模型的鐵塔內(nèi)力值相差不大，剪力、彎矩、位移值相對(duì)偏差都在5%以內(nèi)，軸力相對(duì)偏差為6.05%，也在合力范圍之內(nèi)。說(shuō)明兩種模型在鐵塔分析結(jié)果上基本相同，相互驗(yàn)證了兩種模型的準(zhǔn)確性。

4 承載能力分析計(jì)算

一般的鐵塔設(shè)計(jì)是基于概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，采用分項(xiàng)系數(shù)法考慮結(jié)構(gòu)的可靠性能。結(jié)構(gòu)的可靠度要求使得鐵塔材料的性能沒(méi)能充分的利用，本文根據(jù)鋼材的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值，研究鐵塔的實(shí)際承載能力。

本文研究鐵塔采用Q345B鋼材，材料屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值345 MPa，強(qiáng)屈比按照規(guī)范要求的1.25取值及受拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為431 MPa。

材料本構(gòu)關(guān)系采用線性強(qiáng)化模型，考慮到極限狀態(tài)下鋼材會(huì)發(fā)生斷裂，鋼筋單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線采用如圖4所示的本構(gòu)。

4.1 承載能力分析計(jì)算

圖5為單管塔承載能力分析結(jié)果圖，從圖5a)中可以看出，此結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值并未出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底段的塔腳部位，而是出現(xiàn)在中段下部部位，在結(jié)構(gòu)達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時(shí)此部分網(wǎng)格已經(jīng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度，發(fā)生破壞；從圖5b)中可以看出，最大位移發(fā)生在塔頂位置處，但是由圖可以看出，塔身變形曲率最大的位置還是在中段塔身位置處。

從圖5c)和圖5d)中可以看出，底部塔段的彎矩值為1 130 kN·m，由于中部塔段和上部塔段的壁厚相同，此處只列出了塔段中部的彎矩值，為673 kN·m。由此可以看出，在充分考慮鋼材性能的情況下，結(jié)構(gòu)的承載能力大大增加，也就是說(shuō)，在降低可靠度的情況下，發(fā)掘材料潛能，能夠發(fā)揮更大的性能。

4.2 荷載位移曲線分析

圖6為ABAQUS模型分析得到的荷載位移曲線，從圖6中可以看到，鐵塔結(jié)構(gòu)在剛受到荷載作用時(shí)，位移均勻增加，荷載和位移成線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；隨著塔身變形的增加，荷載增長(zhǎng)逐漸變緩，由彈性變形變成塑性變形，荷載增長(zhǎng)不大，位移大幅度增長(zhǎng)。直到荷載不再增加，結(jié)構(gòu)破壞。期間最大荷載為38.99 kN。

4.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

圖7為塔段底段下部和中段下部應(yīng)力曲線，由圖7可以看出，隨著塔身變形的增大，兩個(gè)部位的應(yīng)力均逐漸增大，不同的是兩個(gè)部位的應(yīng)力變化曲線不盡相同，底段下部的應(yīng)力呈現(xiàn)兩端曲線式變化，雖然兩段曲線的變化斜率不相同；中段下部的應(yīng)力則不同于底段下部應(yīng)力變化，整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)曲線變化，剛開(kāi)始應(yīng)力隨塔身變形逐漸增大，增大到278 MPa后又開(kāi)始逐漸下降。

圖8為塔段底段下部和中段下部應(yīng)變曲線，由圖8可以看出，塔段底段下部和中段下部的應(yīng)變變化不同于應(yīng)力變化趨勢(shì)。兩個(gè)部位的應(yīng)變均逐漸增大，不同的是兩個(gè)部位的應(yīng)變變化曲線不盡相同，底段下部的應(yīng)變呈現(xiàn)兩端曲線式變化，雖然兩段曲線的變化斜率不相同。

應(yīng)力曲線圖中第二段曲線斜率小于第一段曲線斜率，而應(yīng)變曲線圖中第二段曲線斜率大于第一段曲線斜率；中段下部應(yīng)變變化則與應(yīng)力曲線變化趨勢(shì)相同，整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)曲線變化，剛開(kāi)始應(yīng)力隨塔身變形逐漸增大，增大到峰值后又開(kāi)始逐漸下降。

分析圖7，圖8可以得出，由于中段下部先于底段下部發(fā)生屈服，造成整個(gè)塔身的屈服，塔身發(fā)生屈服后，塔身整體的變形主要集中在已經(jīng)發(fā)生屈服的中段下部部位，塔身別的部位的受力反而減弱了。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用國(guó)外目前認(rèn)可有限元SAP2000軟件和ABAQUS軟件對(duì)塔身進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，得出了塔身內(nèi)力和位移值。得出以下結(jié)論：

1)ABAQUS軟件分析結(jié)果與SAP2000軟件對(duì)單管塔的分析結(jié)果除塔身軸力偏差為6.05%外，其余結(jié)果偏差在誤差范圍5%之內(nèi)，說(shuō)明國(guó)外常用ABAQUS軟件可以同目前國(guó)內(nèi)常用SAP2000一樣，可以進(jìn)行鐵塔結(jié)構(gòu)有限元分析；

2)在充分考慮材料性能的情況下，鐵塔能夠承受的荷載可以大大增加，也就是說(shuō)鐵塔結(jié)構(gòu)的極限承載能力可以達(dá)到38.99 kN，是原設(shè)計(jì)荷載11.68 kN的3.34倍；

3)由于本鐵塔結(jié)構(gòu)壁厚不同的原因，結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在中段下部部位，未發(fā)生在彎矩最大的底段下部位置；且中部位置發(fā)生破壞后，結(jié)構(gòu)的變形主要集中在已經(jīng)發(fā)生破壞的部位，其他部位的受力相對(duì)減弱了。