分层空间桁架法对角钢塔安全评估的可行性分析

【摘要】 通过将分层空间桁架法与有限元分析的结果进行对比，验证运用分层空间桁架法对通信角钢塔安全性能快速评估的可行性。将通信角钢塔结构进行简化，运用分层空间桁架法对其进行静力计算。以有限元结果为精确解，来分析分层空间桁架法的计算结果。得到的结论如下：分层空间桁架法适用于通信角钢塔的简化计算。所以，可以利用该方法对角钢塔的安全性能进行快速评估。

【关键词】 通信角钢塔 分层空间桁架法 安全评估

Abstract： In this paper， the layered space truss method and finite element analysis results are compared to verify feasibility of using layered space truss method of communication angle steel tower safety performance evaluation.The structure of communication angle steel tower is simplified， using layered space truss method for static calculation. With the finite element results as the exact solution， the calculation results of the layered space truss method are analyzed. The conclusions obtained are as follows： layered space truss method is applied to the simplified calculation of communication angle steel tower. Therefore， this method can be used for the rapid safety assessment of angle steel tower.

Keywords： communication angle-steel tower； layered space truss method； safety assessment

引言

随着通信事业的迅猛发展，特别是移动通信量的增大，通信塔的需求也日益增多。通信塔作为天线的“载体”，其安全可靠运行是天线正常工作的基本保障。所以，角钢塔的安全性能也引起了大家广泛关注。角钢塔是应用最早，结构最复杂且稳定性较好的塔型之一[1]。对于传送模拟信号或对安装角度要求严格的天线，角钢塔作为其“载体”至今仍被大量使用。

随着计算机技术的发展，有限元软件已经被大量应用于通信塔的安全评估中。在运用有限元软件时，由于建模仿真过程较为繁琐，有限元模型需要不断精确化，造成对通信塔进行安全评估时，评估周期较长。本文希望通过利用基本的角钢塔结构参数，来实现对角钢塔安全性能的快速评估。本文主要将分层空间桁架法[2]运用到通信角钢塔上，通过与有限元分析结果进行对比，最终验证其对角钢塔安全性能快速评估的可行性。

一、角钢塔结构特性

本文选取45m通信角钢塔为例，基本风压为0.65KN/ m2，地面粗糙度为B类。本塔体共设4层平台，分别置于塔段①-④。每层平台安装6副天线和6个RRU，且每副天线面积不大于0.6m2，每个RRU面积不大于0.2m2。本结构斜杆全部为刚性斜杆。将角钢塔分为八段，从塔顶至塔底依次为①-⑧段（如图1）。

二、角钢塔的简化计算

塔架的静力计算方法主要包括空间法和平面法。平面法是将塔架结构分解为几个平面桁架结构进行计算，这样忽略了杆件间的变形协调关系，导致计算结果与实际相差较大。空间法分为空间桁架法与空间刚架法。空间桁架法又分为简化的空间桁架法、分层空间桁架法以及整体空间桁架法，主要区别就是假定不同[3]。其中，分层空间桁架法计算精度相对较高。这里先对角钢塔结构进行简化，然后将分层空间桁架法运用到通信角钢塔的静力计算中。

2.1角钢塔的结构简化

分层空间桁架法是针对高耸塔架结构的静力计算方法。杨更新[2]利用最常见的塔架结构形式对分层空间桁架法进行了详细推导，并给出了K型与交叉型斜杆的塔架结构静力计算公式。对于标准通信角钢塔结构而言，它并不是完全由K型塔架与交叉型塔架结构组成。通信角钢塔的主杆与斜杆之间通常会有许多辅助杆做连接，属于再分式结构[4]。

在对角钢塔结构进行简化时，需要将所有辅杆去掉，主要原因在于：

（1）对于通信角钢塔，设置辅杆主要是从稳定性角度去考虑。因为角钢回转半径小，采用单角钢构件必须考虑其构件长细比的限值。

由公式1可知，构件的长细比λ与计算长度和构件回转半径有关。由于角钢回转半径很小[5]，所以需要减小计算长度来控制长细比。长细比值越小，构件越不容易失稳。采用辅杆可以将主杆与斜杆的计算长度下降到1/3-1/2[6]。因此，角钢塔采用了再分式结构，增加了许多辅助杆件。

（2）辅助杆会对被支撑杆提供一定的刚度，但并不只是单纯的靠支撑杆来提供，而是主要靠主杆、斜杆以及横杆等共同构成的桁架结构起作用。桁架结构能够提供较大刚度是利用了三角形的几何不可变特性。当去除辅杆后，斜杆与横杆及主杆构成的桁架结构将提供主要刚度。所以，去除辅杆对角钢塔整体刚度影响不大。同时，这里借助有限元验证了这一观点（如图2和图3）。 所以，辅杆对角钢塔刚度的影响基本可以忽略不计。

（3）辅杆在角钢塔结构中提供一定的支撑力，但不是主要的承力构件。由《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》可知：塔架结构辅助杆件的承载力一般不低于主杆内力的2%即可。因此，对于塔架结构而言，辅助杆件并不是主要的受力构件。

综上，在对通信角钢塔结构简化时，可以将辅杆去除。同时，本文旨在于运用分层空间桁架法对角钢塔的安全性能进行评估，而对于通信角钢塔局部稳定验算，文献[7]中已经给出了明确计算公式。所以，本文主要从强度与刚度方面对通信角钢塔的安全性能进行评估。

标准通信塔的塔身是由塔底、塔中和塔顶构成。运用分层空间桁架法进行计算时，需要将塔底（塔段⑦和⑧）简化为K型结构，塔中（塔段⑤和⑥）和塔顶（塔段①、②、③和④）分别简化为二层和三层的交叉型结构进行计算。

2.2角钢塔简化计算结果分析

通过将分层空间桁架法运用到角钢塔的静力计算中，只考虑工况一（0°风荷载），得到了各塔段的绝对位移。提取每层顶端位移，并与有限元中分析结果进行对比。（如图4）

由图4可知，简化计算与有限元分析得到的各层位移结果都基本一致，随着塔段层数的增大，两者结果相差逐渐增大，这主要是由于误差累计造成。但各层绝对位移结果的相对误差均小于5%，满足工程允许误差。角钢塔的最大位移与应力是对其进行安全评估的重要指标[8]。所以，需要将角钢塔最大位移与应力的简化计算与有限元分析结果进行对比。

仅重力作用下底层主杆内力：

全部载荷作用下底层主杆平均应力：

由以上表1可知，简化计算的结果与有限元分析结果基本一致。最大位移相对误差为2.73%，平均应力相对误差为5.51%。

通过将分层空间桁架法运用到不同高度角钢塔的静力计算中，并将计算结果与有限元分析结果进行对比，可以发现：简化计算结果与有限元分析结果基本一致，产生误差的主要原因是分层空间桁架法的基本假设与实际情况并不完全相符，但产生的误差均在工程允许范围内。

三、结束语

本文通过将分层空间桁架法运用到45m通信角钢塔静力计算中，建立了结构基本参数与角钢塔位移、应力之间的关系，得到了一种对角钢塔安全性能的快速评估方法。同时，将简化计算与有限元分析所得的应力与位移结果进行对比，发现两者结果基本一致，满足工程允许误差。所以，分层空间桁架法可以作为角钢塔安全性能的快速评估方法。

参 考 文 献

[1] 赵滇生. 输电塔架结构的理论分析与受力性能研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[2] 杨更新. 高耸塔架静力计算的空间桁架法[J]. 土木工程学报，1966，01：31-47.

[3] 夏大桥，尹昊，王谦，王建磊，赵海龙. 钢塔架结构静力计算的分层空间桁架法研究[J].特种结构，2014，31（4）：61-66.

[4] 欧阳可庆，刘长学. 塔架的静力和振动计算[J]. 同济大学学报，1978，1：06

[5] 沈之容，王肇民. 钢结构通信塔设计与施工[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[6] 陈绍番. 塔架辅助杆的支撑力[J]. 西安建筑科技大学学报，2009，04：445-449.

[7] 国家标准. 钢结构设计规范GB50017-201X[S].北京：中国计划出版社，2007.

[8] 国家标准. 高耸结构设计规范GB50135-2006[S].北京：中国计划出版社，2007.