通信塔桅結(jié)構(gòu)的單點脈動風(fēng)時程模擬技術(shù)研究

摘要：通信塔通常具有較高的高度，這就決定了該結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載的作用十分明顯。塔身各點所承受的自然風(fēng)可以分解成脈動風(fēng)、平均風(fēng)兩類，其中，平均風(fēng)的作用和靜力作用相似，脈動風(fēng)的作用則更接近于動力作用。由于脈動風(fēng)速具有不可預(yù)估的特性，因此，需要提前模擬脈動風(fēng)速給塔桅結(jié)構(gòu)帶來的影響，為制訂項目設(shè)計方案提供依據(jù)。[A2] 結(jié)合實際項目，探討了模擬脈動風(fēng)時程的方法。仿真模擬結(jié)果表明，諧波合成法所模擬的功率譜和對應(yīng)目標(biāo)譜的重合度較高，可以為修改行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)5G基站等工作提供便利。

關(guān)鍵詞：脈動風(fēng)時程" 塔桅結(jié)構(gòu)" 通信塔" 5G基站

Research on Single-Point Pulsating Wind Time History Simulation Technology for Communication Tower Mast Structure

XU Qiyuan

China Electronics Technology Putian Technology Co.， Ltd.， Anqing， Anhui Province， 246600 China

Abstract： Communication towers usually have a high height， which determines that the structure is significantly affected by wind loads. The natural wind borne by each point on the tower can be decomposed into two types： fluctuating wind and average wind. Among them， the effect of average wind is similar to static wind， while the effect of fluctuating wind is closer to dynamic wind. Due to the unpredictable nature of fluctuating wind speeds， it is necessary to simulate the impact of fluctuating wind speeds on tower and mast structures in advance to provide a basis for developing project design plans. Based on practical projects， the method of simulating pulsating wind time history was explored. The simulation results showed that the power spectrum simulated by the harmonic synthesis method had a high degree of coincidence with the corresponding target spectrum， which can provide convenience for modifying industry standards， constructing 5G base stations， and other work.

Key Words： Pulsating wind time; Tower and mast structure; Communication tower; 5G base station

通信塔結(jié)構(gòu)具有自振周期長、高度高、對風(fēng)敏感等特征，塔身極易受風(fēng)荷載作用而出現(xiàn)側(cè)向位移、振動等情況，對風(fēng)荷載做出的動力響應(yīng)極為顯著。近幾年，由于強風(fēng)作用發(fā)生變形、彎曲甚至倒塌問題的通信塔的數(shù)量有所增加，該問題不僅造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，還給居民生活、企業(yè)生產(chǎn)帶來了不便。在此背景下，有關(guān)人員加大了對通信塔結(jié)構(gòu)的研究力度，希望能夠盡快確定強化通信塔穩(wěn)定性、抗風(fēng)性的方案，使通信塔充分發(fā)揮作用。

1模擬脈動風(fēng)時程的理論

在設(shè)計工程結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員往往會用風(fēng)壓表示風(fēng)荷載。結(jié)合空氣動力學(xué)有關(guān)理論，可知風(fēng)壓、風(fēng)速密切相關(guān)。風(fēng)壓由脈動風(fēng)壓、平均風(fēng)壓組成，其中，平均風(fēng)壓由平均風(fēng)速決定，脈動風(fēng)壓則同時受平均風(fēng)速、脈動風(fēng)速影響[1]。對脈動風(fēng)時程進行模擬的方法并不唯一，具體包括逆傅里葉變換、小波分析、線性濾波、諧波合成等，不同理論的原理往往存在顯著差異。

1.1 逆傅里葉變換

該方法的原理是基于頻域分析和時間域信號的轉(zhuǎn)換，對脈動風(fēng)時程進行準(zhǔn)確模擬。實際工作中，首先，要計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比，結(jié)合塔桅結(jié)構(gòu)的動力特性建模，獲取其在風(fēng)力作用下的頻率響應(yīng)特性。再通過風(fēng)洞試驗或參考已有的脈動風(fēng)力數(shù)據(jù)，確定脈動風(fēng)速的頻譜信息。其次，使用快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）算法將頻譜分解成各個頻率分量，通過振幅和相位信息重構(gòu)出對應(yīng)的時間域信號，順利將信息從頻域轉(zhuǎn)換到時間域。為了確保模擬效果的準(zhǔn)確性，工作人員還要對重構(gòu)后的時程信號展開時域分析，觀察其在特定時間長度內(nèi)的波動特性。最后，將信號寫入模型，根據(jù)有限元分析結(jié)果，評估其在實際風(fēng)載下的動態(tài)響應(yīng)，得到具體的位移、應(yīng)力等反饋信息，通過反復(fù)迭代優(yōu)化塔桅設(shè)計，提高其抗風(fēng)性能。

1.2 小波分析

該方法強調(diào)通過對風(fēng)速時程做一系列處理，明確其對塔桅結(jié)構(gòu)的影響。若工作人員決定使用該方法完成模擬任務(wù)，則要按照順序完成以下幾項工作：通過氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取特定環(huán)境下的風(fēng)速時程數(shù)據(jù)；應(yīng)用小波變換對數(shù)據(jù)進行分解，根據(jù)信號展示出的瞬時特征，提取出不同頻率成分，以便更好地分析瞬態(tài)脈動風(fēng)的特性；選擇有良好的時間—頻率局部化特性的小波基函數(shù)，通過逆小波變換這一方式，將重要的頻率成分合成，重構(gòu)加速度、位移等結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)；利用滿足工作需求的數(shù)值模擬方法，將風(fēng)力作用下的響應(yīng)數(shù)據(jù)代入動力學(xué)方程，求解出結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性，評估其抗風(fēng)性能。上述工作結(jié)束后，繪制風(fēng)速與塔桅響應(yīng)之間的關(guān)系圖，識別關(guān)鍵的影響因素，為塔桅的設(shè)計與安全評估提供理論依據(jù)。事實證明，科學(xué)使用小波分析法，不僅可以提高分析的準(zhǔn)確性，還能夠為復(fù)雜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供不同于以往的全新思路。

1.3 線性濾波

線性濾波法的基本原理是通過對風(fēng)速信號做濾波處理，獲得結(jié)構(gòu)在特定頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)。實際操作時，首先，需要通過風(fēng)洞實驗獲取具有典型性、代表性的風(fēng)速時程信號；其次，將通過實驗獲取的風(fēng)速信號視為輸入信號，結(jié)合實踐經(jīng)驗與實際情況，設(shè)定合適的濾波器，并利用所設(shè)定濾波器對輸入信號進行一系列處理，提取對塔桅結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響較大的頻率成分；再次，確定塔桅的材料屬性、幾何特征和邊界條件，據(jù)此建立相應(yīng)的動力學(xué)模型，并設(shè)定合適的邊界條件和阻尼特性，將濾波后的信號與動力學(xué)模型結(jié)合，利用結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論分析風(fēng)荷載對塔桅結(jié)構(gòu)的影響，如塔桅在風(fēng)載下的位移、速度與加速度響應(yīng)；最后，將分析結(jié)果與設(shè)計規(guī)范對比，判斷結(jié)構(gòu)是否具有符合要求的安全性和可靠性。

1.4 諧波合成

諧波合成是將風(fēng)速信號分解為多個諧波成分，通過合成諧波來重構(gòu)所需的風(fēng)時程的方法。現(xiàn)階段，該方法的使用頻率有所增加，針對諧波合成制訂的工作方案也變得更加完善。實踐經(jīng)驗表明，要想最大化實現(xiàn)該方法的價值，關(guān)鍵是要保證操作流程規(guī)范。首先，收集風(fēng)速數(shù)據(jù)，并通過傅里葉變換將其分解為頻譜，提取主要的頻率成分和幅值信息。其次，選擇合適的頻率和幅值，利用諧波函數(shù)構(gòu)建風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型，保證模擬的風(fēng)速信號能夠反映實際情況。再次，按照規(guī)定將諧波成分相加，生成模擬的風(fēng)速時程。最后，利用有限元分析，將合成的風(fēng)速時程輸入到動力學(xué)模型中，通過結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析有效捕捉風(fēng)對塔桅的作用，準(zhǔn)確預(yù)測塔桅在復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的表現(xiàn)，從而優(yōu)化設(shè)計和安全防范措施。

2模擬脈動風(fēng)時程的必要性

雖然現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范中涉及通信塔設(shè)計的內(nèi)容較多，但多數(shù)設(shè)計規(guī)范均將風(fēng)荷載與靜力荷載畫上等號。通信塔結(jié)構(gòu)作為對風(fēng)敏感、柔性較強的結(jié)構(gòu)，有較大概率會因強風(fēng)作用而損壞甚至倒塌，因此，要想保證設(shè)計方案合理，設(shè)計人員應(yīng)全面落實分析結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的工作。模擬脈動風(fēng)時程的意義主要體現(xiàn)在以下方面。

2.1提高結(jié)構(gòu)安全性

正式投入運行的通信塔往往長時間暴露在各種風(fēng)速和風(fēng)向的環(huán)境中，模擬單點脈動風(fēng)，可以幫助設(shè)計人員識別和分析結(jié)構(gòu)在風(fēng)載荷作用下可能出現(xiàn)的振動和響應(yīng)特性，在設(shè)計階段優(yōu)化塔桅的形狀、材料和連接方式，從而提高結(jié)構(gòu)具有的抗風(fēng)性能，減少受風(fēng)影響帶來的潛在損壞風(fēng)險，確保通信塔的長期穩(wěn)定性和安全性[2]。

2.2保證經(jīng)濟效益

正確的風(fēng)載荷評估不僅能夠保證通信塔設(shè)計的合理性，避免過度設(shè)計帶來的資源浪費等問題，還能防范由于設(shè)計不足導(dǎo)致的潛在損失，使通信塔更具有經(jīng)濟效益。施工方可以根據(jù)設(shè)計方提供的風(fēng)載荷數(shù)據(jù)，對建材和施工工藝加以選擇，降低材料成本和施工時間，提高項目的盈利能力。此外，監(jiān)測風(fēng)對正常運行狀態(tài)的塔桅的影響，還能夠使運維人員及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，通過采取恰當(dāng)?shù)木S護和加固措施，延長通信塔的有效使用壽命，最終實現(xiàn)效益的最大化。

2.3實現(xiàn)智能化監(jiān)測與管理

將模擬脈動風(fēng)時程得到的數(shù)據(jù)、分析結(jié)果與智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合，可以使實時監(jiān)測塔桅的設(shè)想成為現(xiàn)實。其中，監(jiān)測系統(tǒng)的作用主要是捕捉環(huán)境變化和風(fēng)載荷變化對塔桅的影響，及時發(fā)出警報，指導(dǎo)維修和加固策略。此外，工作人員還可以利用機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，處理積累歷史風(fēng)載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)，對未來的風(fēng)載荷展開預(yù)測，實施更為高效的管理措施，在保障通信基礎(chǔ)設(shè)施整體安全性的前提下，為未來智慧城市的建設(shè)提供支持。

3模擬脈動風(fēng)時程的方法討論

工作人員將某處具有代表性的風(fēng)場作為模擬通信塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)的算例，將作為脈動風(fēng)速譜，確定脈動風(fēng)速曲線特征后，基于進行編程，通過分析模擬譜，判斷模擬算例風(fēng)場的操作是否能夠取得理想效果。

3.1項目概況

項目所配備單管塔的高度為40 m，支架分別設(shè)置在35 m和38 m處。其中，35 m處的支架配有3根迎風(fēng)面積在0.8 m2以內(nèi)的天線，38 m處的支架則配有6根迎風(fēng)面積在0.6 m2以內(nèi)的天線[3]。閱讀客戶所提供的項目資料，可知此通信塔的額定風(fēng)為壓0.35 kN/m2，計劃使用50年，要求結(jié)構(gòu)安全性達到二級水平，地面粗糙程度符合B類要求，抗震設(shè)防情況滿足丙類條件。在了解項目情況后，工作人員通過空間鋼結(jié)構(gòu)專用計算機輔助設(shè)計（Computer-Aided Design，CAD）建立結(jié)構(gòu)模型，模型以梁單元為主桿，包括天饋線、爬梯和螺栓在內(nèi)的重要部件統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量點并直接作用于塔身，塔底則通過固接的方式連接[4]。在不考慮通信塔結(jié)構(gòu)、下方土體間所存在相互作用的前提下，建模并剖析通信塔結(jié)構(gòu)具有的動力特征，最終結(jié)果和實際情況基本一致。

3.2模擬風(fēng)荷載

脈動風(fēng)是典型的隨機動態(tài)作用，雖然隨機振動普遍具有無法重現(xiàn)的特性，但仍遵循一定的規(guī)律，因此，除極特殊情況外，都可以通過概率論對其進行統(tǒng)計并從中提取發(fā)生規(guī)律。本項目中，工作人員將開闊平坦區(qū)域距離地面10 m處的10 min平均風(fēng)速最大值作為風(fēng)壓系的標(biāo)準(zhǔn)，通過上文介紹的方法完成模擬風(fēng)速的工作。考慮到按照順序模擬塔身各點所對應(yīng)風(fēng)速時程的做法難度極大，因此，工作人員決定將荷載規(guī)范提出的要求作為主要依據(jù)，在塔身各點中選擇距離地面10 m的點作為風(fēng)場模擬的核心。10 m位置風(fēng)速的平均值取16 m/s，模擬采樣間隔時間取0.01 s，頻率范圍對應(yīng)等分?jǐn)?shù)值取1 024（具體見表1），通過諧波疊加的方式，對10 m/s風(fēng)速條件下通信塔距離地面10 m的實際風(fēng)速時程加以模擬。

結(jié)合行業(yè)最新模擬理論、本項目的各項參數(shù)，不難看出，把節(jié)點設(shè)置成承受風(fēng)荷載的核心作用點，在此基礎(chǔ)上，對能夠如實反映脈動風(fēng)時程的曲線進行模擬的做法可行。本項目中，工作人員結(jié)合曲線對樣本表現(xiàn)出的統(tǒng)計學(xué)特征進行了檢驗，結(jié)果表明，目標(biāo)譜、模擬譜在低頻區(qū)間存在微小誤差。鑒于此，日后再次開展模擬曲線、轉(zhuǎn)換脈動風(fēng)速的工作時，可以有選擇性地忽略部分點的數(shù)據(jù)，避免瞬態(tài)效應(yīng)的影響過于顯著，導(dǎo)致模擬譜無法和目標(biāo)譜重合[5]。

4結(jié)論

通過研究，可以得出以下結(jié)論。（1）諧波合成模擬所得到的功率譜、目標(biāo)譜的重合度較高，這表示諧波合成法可行，通過該方法模擬脈動風(fēng)時程，能夠得到有實際意義的結(jié)果。（2）在基于諧波合成法對風(fēng)場進行模擬時，應(yīng)引入FFT、互譜密度矩陣，對三角函數(shù)進行疊加，這樣做能夠降低計算強度，使工作效率得到提高。（3）模擬脈動風(fēng)得到的結(jié)果可以為日后研究脈動風(fēng)荷載對高聳結(jié)構(gòu)的影響、結(jié)構(gòu)針對脈動風(fēng)荷載所做出的響應(yīng)夯實基礎(chǔ)，降低設(shè)計高聳結(jié)構(gòu)工作的難度，助力行業(yè)快速發(fā)展。

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