CAE于通信铁塔抗风分析中的应用

1、概述

通信铁塔是典型的高柔结构，其高度从20m-60m不等。通信铁塔的主要设计载荷为风载荷，根据建筑载荷规范和高耸结构设计规范设计。但设计的结构是否能满足实际工程的需要，需要进一步的验证。目前风载荷的确定的手段主要有风洞实验、现场实测和数值模拟。而风洞实验相对费用较高，难以大面积的应用。而现场实测得到的数据比较全面，可信度高，但受到大自然风不定变化的限制，同时组织和安排比较复杂，耗时耗资巨大，成本较高。随着计算机技术的发展，风载荷数值模拟取得较大进展，通过有限元计算铁塔的抗风性能耗时耗资少，可重复性高，计算结果可信度较高，因此广泛接受。本文通过Altair公司的HyperMesh生成铁塔的数学模型，并做静力分析，计算得出通信铁塔的抗风性能。

2、工程简介

本文以一四边形角钢塔为研究对象，全塔高40m，基地宽度6m，距顶2m和5m处各设一个平台。如图1所示。铁塔的主材为低合金高强度结构钢，屈服强度为345MPa，其他辅材为碳素合金钢，屈服强度为235MPa。结构所处地貌为C类，基本风压为0.40KN/m2。

图1通信塔结构简图

3、通信塔动力特性分析

结构风工程的理论基础和分析与结构的动力学密切相关，结构的动力特性一般包括自振频率、振型及阻尼比。这些是结构风响应分析的前提。

本文中通信铁塔的动力特性分析采用Lanczos法，提取1-10Hz结构的模态。本文采用两种方法建立通信塔的有限元模拟，一种是全采用Beam单元；一种是主材采用Beam单元，辅材采用Rod单元。得到的结果如表1所示。全beam模型的振型结果如图2-图6所示。

表1全Beam模型与Beam和Rod混合模型频率和振型对比

图2X向一阶弯曲

图3Y向一阶弯曲

图4X向二阶弯曲

图5Y向二阶弯曲

图6一阶扭转

根据表1可知，当采用全可根据表1可知，当采用全Beam模型时，结构的频率偏高；全Beam模型和Beam和Rod振型基本一致。

4、通信铁塔抗风分析

根据建筑结构载荷规范，上的风标准值计算公式为：

（1）基于建筑结构载荷规范的风载荷

表2《建筑结构载荷规范》计算风振系数

表3建筑结构载荷规范0°风向风载荷标准值

表4建筑结构载荷规范45°风向风载荷标准值

（2）基于高耸结构设计规范的风载荷

表5《高耸结构设计规范》算风振系数

表6高耸结构设计规范0°风向风载荷标准值

表7高耸结构设计规范45°风向风载荷标准值

表8通信铁塔各塔段最大水平位移（mm）

图7通信铁塔水平位移图

表9通信铁塔各段最大应力（MPa）

5、结论

本文通过对通信铁塔结构建立准确的有限元模型，并根据《建筑结构载荷规范》和《高耸结构设计规范》对通信塔在0°和45°风向角风载荷作用下进行拟静力分析，得出在相同风向角风载荷的作用下，结构的响应非常接近，在45°风向角风载荷作用下，结构的水平位移响应式同高度处0°风向角风载荷作用下水平位移的1.63倍。最大应力都未超出结构的屈服强度。

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