鋼結構支撐塔風荷載數值仿真分析*

徐興盛，邵 將，康 鵬，朱 晨

(中國電子科技集團公司第二十二研究所 機械設計中心，山東 青島 266107)

風荷載是建筑結構的最主要環境荷載之一，建筑結構的抗風研究一直是結構工程領域中的熱點。每年有多起因為強風作用導致鐵塔、橋梁、房屋等結構損壞、倒塌的事故發生。因此在結構設計時必須考慮結構的抗風驗算，國內外的科研人員對此進行了大量的研究工作，提出了很多有關的計算方法。其中，文獻[1]針對現有的橋梁靜風穩定分析方法中存在的問題，提出了增量與內外兩重迭代相結合的新方法。文獻[2]在分析了單目標等效風荷載不足和局限性的基礎上，提出了一種新的多目標等效風荷載計算方法。文獻[3]采用數值模擬方法研究500 kV超高壓輸電線路在隨機風荷載作用下的風偏問題。

鋼結構支撐塔具有強度高、自重輕、運輸方便等優點，因此大量應用于工程實際中。本文以實際工程為例，采用有限元法分析一款支撐塔在設計要求條件下的受力情況。

1 工程概況

在實際工程中，某型號鋼結構支撐塔是由3節相同的鋼結構立柱架設而成。單節鋼立柱尺寸如圖1所示，鋼立柱由n76×5鋼管和n25圓鋼2種材料焊接而成，單節立柱的高度為3 575 mm，n76×5鋼管的中心寬度為800 mm。支撐桿中的材料參數見表1。在支撐塔的頂部安裝有天線設備，天線設備在風荷載的作用下會產生載荷。分析該支撐塔的受力情況，一方面支撐塔受到天線設備的作用，包括天線設備的自重G0、天線設備的風荷載F0及風載產生的彎矩M0；另一方面支撐塔受自身的重力G和自身的風載F。根據支撐塔和天線設備的受力分析，為保證支撐塔滿足天線設備的架設，鋼結構支撐塔應滿足的設計要求如下：1)支撐塔的承載質量不小于500 kg；2)在16級風載作用下，支撐塔頂部承受側向力300 kg和彎矩2 kN·m而不發生破壞；3)在條件16級風載作用下，支撐塔頂部偏移不大于25 mm。

2 構建仿真模型

根據支撐塔結構的特征尺寸參數，建立支撐塔的仿真分析模型。鋼管和圓鋼(力學參數見表1)結構都考慮選用BEAM188梁單元。定義鋼管的截面尺寸：外徑76 mm，內徑66 mm；圓鋼的截面尺寸：

表1 主要材料力學參數

直徑25 mm。鋼管和圓鋼的材質均為鋼Q345，它們的彈性模量E為210 GPa，泊松比υ為0.3，取材料的安全系數S=1.5，則許用應力為230 MPa。單節鋼立柱的質量為463 kg。將天線設備簡化為一個剛體，以500 kg質點的形式施加在支撐塔的頂部。仿真分析模型進行有限元網格劃分，可獲得2 572個節點和1 412個單元。

根據設計要求，將支撐塔結構分為如下2種工況進行研究。

工況1為支撐塔僅受到重力作用，其邊界約束條件如下：支撐塔底部固定；自重加速度為g。

工況2為支撐塔受到重力和風載的雙重作用，其邊界約束條件如下：支撐塔底部固定；自重加速度為g；支撐塔頂部施加側向力300 kg和彎矩2 kN·m；支撐塔本身受到16級風荷載。

3 仿真結果與討論

3.1 風荷載計算

查詢參考文獻，有關風載論述和研究的文獻[4-10]較多，對于不同研究問題，研究人員提出多種可計算風載的方法。本文根據文獻[11]確定，作用在結構單位面積上的風荷載應按下式計算：

ωk=βzμsμzω0

(1)

式中，ωk是作用在結構單位面積上的風荷載；ω0是基本風壓；μz是風壓高度變化系數；μs是風荷載體型系數；βz是風振系數。

風荷載為

F=ωkAk

(2)

式中，Ak是結構的迎風面積。

計算風向為0°、30°和45°時(見圖2)支撐塔的16級風載值，具體值見表2。

表2 16級風荷載的計算值

3.2 結果討論

在工況1中，如上文所述支撐塔結構模型僅受自重加速度g的作用，計算支撐塔在工況1下的受力，圖3所示為支撐塔在工況1下的變形和應力云圖。從圖3中可以看出，在工況1下支撐塔的最大變形和最大應力分別為0.09 mm和4.3 MPa，它們的數值遠遠小于結構的設計要求。因此支撐塔的剛度和強度滿足設計要求。

在工況2中，支撐塔結構模型受到重力和風載的雙重作用，為研究不同風向對結構受力產生的影響，下面將工況2分為如下3種情況：1)工況2-1(風向角度為0°)；2)工況2-2(風向角度為30°)；3)工況2-3(風向角度為45°)。風向角度如圖2所示。圖4、圖5和圖6分別為支撐塔在上述3種工況下計算的變形和應力云圖。

圖4a、圖5a和圖6a分別為支撐塔在上述3種工況下的變形云圖，可以看出，這3種工況中支撐塔的最大變形分別為18.4、21.2和17.0 mm，比較發現3個數值之間的差距不大，且均小于設計要求的最大偏移25 mm。

圖4b、圖5b和圖6b分別為支撐塔在上述3種工況下的應力云圖。可以看出，在這3種工況中支撐塔整體呈現應力較小的狀態，僅在一些局部出現較大的應力，其中3種工況的最大應力位置均出現在第一節鋼立柱的圓鋼處；3種工況中支撐塔的最大應力分別為137.1、172.3和102.1 MPa，均小于材料的許用應力230 MPa。比較發現，3個應力最大值之間存在一定的差距，工況2-2的數值要大于工況2-1和工況2-2，從中可以看出，不同的風向對結構的應力是有一定影響的，這是因為風向的改變一方面造成迎風面積的改變，另一方面導致結構的截面剛度發生變化。本節所述支撐塔的剛度和強度滿足設計要求，不會在16級風載作用下產生破壞。

比較工況1和工況2可知，工況2產生的應力和變形要遠大于工況1，因此不難看出風荷載對支撐塔的影響要遠遠大于自重產生的影響，因此在工程中對風荷載進行分析研究是必要的。

4 結語

本文以實際工程中的鋼結構支撐塔為分析對象，采用有限元法進行支撐桿結構的抗風分析。通過對結構的強度和剛度進行分析計算，結果說明該支撐塔結構的設計是合理可行的，能很好地滿足結構設計要求。后期可依據分析方法對支撐塔進行優化設計，在降低結構應力水平的同時減輕結構質量，提高整體性能。