移動內爬插接式單管塔模態分析

趙曉琪，楊啟志，赫明勝，華?？?，盧文建

(1.江蘇大學農業工程學院，江蘇 鎮江 212013)(2.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)(3.江蘇北洋通訊有限公司，江蘇 泰州 225300)

隨著人們對通信要求的提高，需要更多的通信基站來擴大信號覆蓋范圍和增大信號強度，且要求在通信塔上加掛更多的外部設備，這使得通信塔的使用安全問題變得至關重要。通信塔在使用的過程中受到風載和地震載荷的影響尤為明顯，風災和地震等自然災害會對通信管塔和人的生命造成極大的傷害[1]。模態分析不僅可以得到管塔的固有頻率和各階振型特點，而且是通信塔風載失效分析與抗震性能分析的基礎。

針對塔結構的模態分析，張永偉等[2]采用ANSYS Workbench對某通信角鋼塔進行模態仿真分析，得到了通信角鋼塔前10階非零模態頻率，結果表明該通信塔的動力學特性較為復雜，模態振型具有多樣性。鮑宇等[3]針對鋼結構塔架設計上的不足之處，采用ANSYS軟件構建塔架結構的有限元分析模型并進行結構模態分析，獲得每個模態的振型特點，通過有限元軟件仿真提取結構動態特性振型和固有頻率。閆安志等[4]利用有限元軟件ANSYS，以密平線改建工程中的一個塔架為研究對象，建立了空間有限元模型，對其進行模態分析得到前10階自振頻率和振型，并分析其振型特點，為后續研究地震響應做好了準備工作。

目前模態分析的研究對象大多是角鋼塔，對管塔尤其是插接式單管塔的模態分析少之又少。插接式單管塔高度高、剛度小，使得風載荷和地震載荷對管塔設備的安全起著決定性的作用。單管塔模態分析是風載荷和地震載荷分析的基礎，能夠給管塔的結構優化、抗震設計等提供依據[5-6]，在性能分析中必不可少。針對以上問題，本文以江蘇省某地所使用的移動內爬插接景觀塔(金輪)為研究對象，通過SolidWorks建立三維實體模型，結合有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Modal模塊進行模態分析，來確定結構的各階振動頻率及振動特性。根據張珩等[7]針對通信單管塔的連接與附屬構件對基本自振周期的影響研究可知，附屬構件對基本自振周期的影響不可忽略，在建模分析時塔身頂部的天線、抱桿等集中質量不能采用放大系數進行簡化，仿真時應添加真實的載荷。

1 模型的建立

1.1 移動內爬插接式單管塔特征

插接式單管塔是近幾年快速發展起來的一種新型通信單管塔技術，其最大特點在于整個管塔由幾節10 m左右多邊形鋼管組成，上面一節鋼管下端外插入下面一節鋼管上端，靠兩節端部的楔形插接實現連接，沒有傳統法蘭連接需要的法蘭盤及大量連接緊固件，通信塔的安全可靠性大幅提高，有效降低了后期維護難度，且內爬式單管塔將爬梯安裝在單管塔的內部，降低了單管塔外部結構的復雜性。移動內爬插接式單管塔的模態分析，與法蘭連接式單管塔最大的不同之處在于建模時管塔插接部分連接方式的選擇，不僅要使仿真計算更貼近實際還要使計算時間盡可能短。

在本次分析中，插接部分的連接方式在建模時選擇Bonded，使模型在仿真分析時不發生法向移動，允許少量的切向滑動，更貼合實際。由于單管塔的模態分析為自由模態分析，因此無需添加任何約束與負載。

1.2 單管塔模型

單管塔結構如圖1所示，該移動內爬插接景觀塔(金輪)塔身部分由5段塔身插接而成，塔身截面為正多邊形，邊數為18，單管塔總高45 m。在塔身1頂部安裝有5 m高的避雷針，在塔身高度44.5 m與38.5 m處均安裝有金輪，除此之外還有抱桿、天線、內爬梯等安裝在單管塔的相應位置。該通信管塔為滿足使用要求，要在每根抱桿上安裝一根天線，每根天線質量約為15 kg，迎風面積不超過0.5 m2。另外，每根天線需另配置一臺射頻拉遠單元(remote radio unit，RRu)設備，每臺質量約為15 kg，迎風面積0.15 m2。本鐵塔管身采用ASTM A572 Gr65鋼板，其余鋼材(不含螺栓)均采用Q235B鋼，該單管塔總質量約12 277 kg。每段塔身的各項參數見表1。

圖1 單管塔結構示意圖

表1 管塔塔身參數 單位：mm

1.3 單管塔模型簡化

首先根據二維圖紙利用SolidWorks建立該單管塔的三維模型，然后為了使劃分網格簡單，減少計算消耗的時間，并保證計算結果的準確性，在不影響仿真結果的基礎上，對模型進行簡化，去除倒角、圓角、安裝孔等小特征[8]。在模型導入ANSYS后，將抱桿、天線及RRu設備以質量點的方式添加在單管塔的相應位置。隨后對管塔材料性能進行設置，其中ASTM A572 Gr65鋼板的彈性模量為2.06 GPa,泊松比為0.26，密度為7 850 kg/m3，Q235B鋼的彈性模量為2.11 GPa,泊松比為0.28，密度為7 850 kg/m3。最后對比模型質量與實際單管塔質量，并將質量差以質量點方式添加到單管塔的重心位置，使模型質量與單管塔實際質量一致，以提高仿真分析結果的準確性。添加質量點的ANSYS三維仿真模型如圖2所示。

圖2 ANSYS模型

模型建立之后，利用有限元軟件ANSYS對整個結構進行網格劃分，獲得節點198 116個、單元96 970個，如圖3所示。

圖3 網格劃分

2 單管塔靜力分析

根據單管塔的實際情況，對模型各部件之間選擇合適的連接方式，施加合理的約束。將塔身5底部固定，設置載荷為標準重力載荷，以Z軸負方向加載在塔身上，進行單管塔的應力分析，得到應力云圖如圖4所示?？芍?，在地球重力的影響下，單管塔最大應力在管塔底部，應力大小約為8 MPa，遠小于材料的許用應力，滿足材料性能要求。

圖4 單管塔應力云圖

3 單管塔模態分析

由于管塔在地震與風載等動載荷的作用下，其變形和內力均與管塔設備的自振周期和振型有關[9]，為了避免通信塔在各種工況下發生共振，通常需要計算通信塔的模態頻率和振型。選用ANSYS Workbench中的Modal模塊分析管塔的固有模態，將已建立好的模型導入ANSYS中進行分析，其各階模態頻率如圖5所示。前6階模態的固有頻率幾乎都為0，此時單管塔為剛體模態。由此可知，對設計與優化有意義的為第7～12階模態，提取非零模態前6階(即第7～12階)的固有頻率，見表2。

圖5 模態頻率

表2 前6階非零模態固有頻率

根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范中一般高聳結構的基本自振周期，對于鋼結構可按照公式T=(0.007～0.013)H進行計算，其中H為結構的高度[10]。計算得結構的第1階非零模態的周期為0.35～0.65 s，頻率為1.54～2.85 Hz，證明所構建的插接式單管塔模型符合工程計算要求。

根據ANSYS模態分析得到第7～12階模態振型，如圖6所示。各階振型的特點見表3。

圖6 各階模態振型

表3 管塔振型特點

由分析結果可以看出，模態分布相對分散，模態頻率較為清晰，其中第7和第8階頻率起主要影響作用，振型特征基本符合高聳結構一般情況下的風振振型特征。第7階為塔身的一階橫向(X向)振動，第8階為塔身的一階縱向(Y向)振動，且這兩階的自振頻率的數值相差很小，說明插接管塔結構的橫向和縱向剛度幾乎無差別。根據單塔的前6階非零模態振型可以看出，扭轉振型出現在橫向和縱向振型之后，且扭轉主要出現在金輪以上部位，在第8階扭轉程度更加明顯，鋼管塔中金輪以下部位變形較小，而其以上部位變形較明顯，在地震作用下對鋼管塔進行響應分析時，金輪以上部位應該作為重要的研究對象。

任何通信管塔在使用ANSYS進行風載仿真分析時，都要根據風壓計算通信塔迎風一側受到的風力大小。利用公式計算時需要知道通信塔的自振周期，自振周期數值的大小可以通過公式計算，但由于通信塔的外形等會存在差異，計算得到的自振周期就會存在一定的誤差從而造成仿真結果不準確。由于通過ANSYS模態仿真分析得到自振周期，進而計算所受風載的大小，可以提高受載仿真的準確性，因此通信管塔在進行ANSYS地震仿真之前，必須利用Modal模塊進行模態分析。

4 結論

本文結合有限元分析軟件ANSYS Workbench中的Modal模塊對江蘇某地使用的移動內爬插接景觀塔(金輪)的模態進行分析，根據仿真結果可得結論如下：

1)仿真得到的該單管塔前6階非零模態頻率中，第7和第8階頻率起到主要的影響作用，振型特征基本符合高聳結構一般情況下的風振振型特征；

2)通過分析各階模態的振型圖，可知扭轉振型出現在橫向和縱向振型之后，且扭轉主要出現在金輪以上部位，其中第8階扭轉程度尤為明顯；

3)對該插接式管塔受地震載荷進行仿真分析時，金輪以上部位應該作為重要的研究對象，且在加掛外部設備時，應該避免與該管發生共振。

本文對該插接式單管塔的仿真分析可為該管塔的結構優化、抗震設計等提供依據，也可為其他通信塔固有模態的分析提供參考。