江蘇太倉廣播電視發(fā)射塔有限元分析

1、江蘇太倉廣播電視發(fā)射塔有限元分析Finite Element Analysis of Jiang Su Tai Cang Radio and Television Tower王謙 1 田畾 1 盧明奇 2 夏大橋 1(1. 中廣電廣播電影電視設(shè)計(jì)研究院 北京 100045；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044)( 1. Radio, Film and Television Design and Research Institute ， Beijing 1000452. School of Civil Engineering ， Beijing Jiaotong Universi

2、ty, Beijing 100044)摘要：太倉塔工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造型新穎，建成后將成為太倉市的標(biāo)志性建筑。在 結(jié)構(gòu)分析中， 太倉塔工程存在一定的技術(shù)難點(diǎn)， 主要表現(xiàn)在風(fēng)荷載的計(jì)算， 外塔 架與內(nèi)部井道的協(xié)同工作以及塔體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。本文利用 sap2000 有限元分析軟件， 建立整體空間有限元分析模型， 對(duì)荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行 內(nèi)力分析。其中，風(fēng)荷載采用鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建議的方法，考慮了脈動(dòng) 風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)高階振型的影響作用。 通過對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可以看出： 外塔架與內(nèi)部井 道結(jié)構(gòu)沿水平面呈大致相同的水平位移分布形式， 說明井道與外塔架之間的連桿 連接，能夠保證二者的變形協(xié)調(diào)， 共同工作

3、。 本文還在保證結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的前提 下，對(duì)塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了合理的桿件截面。關(guān)鍵詞： 有限元分析 風(fēng)荷載 優(yōu)化設(shè)計(jì) 塔體ABSTRAC：TFor Tai Cang Tower has a complex structure and original sculpt, it will be the symbol of the city, when it is built. But there were some difficulties in the structure analysis of the tower. These difficulties were mainly the

4、estimation of wind effects, the interaction between the outer tower structure and the inner shaft and the optimum design of the tower. In the paper, a 3D finite element was proposed to analyze the inner forces of the structure under different loading. The method that was suggested in the Code for St

5、ructure Design of Steel Tower and Mast was adopted to consider the effects of the dynamic wind on high modes of the tower. From the theoretical results, it can be seen that the horizontal displacements of the outer towerstructure and the inner shaft were similar. This means that the connecting rods

6、betwee n the outer tower structure and the inner shaft may keep the displaceme nt of the two parts compatible. Un der the premise that the structure were rema ined safe, the optimum desig n were con ducted and the reas on able member secti ons were suggested in the paper.KEYWORDS nite eleme nt an al

7、ysis, wi nd, optimum desig n, tower1、工程概況江蘇省太倉市傳媒中心廣播電視發(fā)射塔工程位于太倉市區(qū)東北，外環(huán)路南側(cè)、支十路東側(cè)，總占地約575平方米， 建筑設(shè)計(jì)總高度為 158米，是一座以廣播電視節(jié)目發(fā)射為 主、兼做景觀、機(jī)房的多功能鋼結(jié)構(gòu)廣播電視發(fā)射塔。塔 架上部設(shè)置錨型塔樓，寓意鄭和七下西洋起錨，新太倉揚(yáng) 帆起航，走向新的科學(xué)發(fā)展之路。塔樓建筑面積約950平方米，造型新穎，有別于國內(nèi)外已建成的其他塔型，其建 成后將成為太倉市重要的標(biāo)志性建筑。太倉塔結(jié)構(gòu)形式如 圖1所示。2、太倉塔結(jié)構(gòu)分析的主要技術(shù)難點(diǎn)太倉塔塔體結(jié)構(gòu)主要包括外塔架、內(nèi)部井道、塔樓和 塔下機(jī)房

8、等組成部分，其設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.50kN/m2,地面粗糙度B類，抗震設(shè)防烈度七度(0.1g),二類場(chǎng)地?？紤] 太倉塔的結(jié)構(gòu)形式，在計(jì)算分析中，主要存在以下難點(diǎn)問 題：(a)風(fēng)荷載的計(jì)算。風(fēng)荷載是塔桅結(jié)構(gòu)的主要控制荷載【1】，其計(jì)算的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì) 于太倉塔而言，由于局部突出的塔樓部分具有較大的附加 質(zhì)量，并引起結(jié)構(gòu)剛度沿建筑高度的突變，其風(fēng)荷載計(jì)算 需綜合考慮脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)高階振型的影響作用，不能簡單 按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009 2001)【2】或者高 聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50135 2006)【3】進(jìn)行計(jì)算。(b )外塔架與內(nèi)部井道的協(xié)同工作。太倉塔外塔架

9、是由塔柱、 橫桿、斜桿組成的空間桁架體系，內(nèi)部井道為帶斜撐的鋼框架 結(jié)構(gòu)，二者之間通過橫隔上設(shè)置的連桿相連。外塔架與內(nèi)部井 道在外荷載作用下，是否能夠保證協(xié)同工作，需要研究。(c)在保證一定安全儲(chǔ)備的前提下，對(duì)塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。太倉塔內(nèi)部桿件眾多，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，在保證結(jié)構(gòu)具有一 定安全儲(chǔ)備的前提下，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有利于充分發(fā)揮材料 性能，降低工程造價(jià)。為此，需要通過對(duì)塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的 內(nèi)力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)桿件截面進(jìn)行優(yōu)化。3、太倉塔結(jié)構(gòu)整體空間有限元分析模型為解決上述結(jié)構(gòu)分析中的技術(shù)難點(diǎn)問題，本文利用通用有 限元分析軟件 sap2000,建立了太倉塔結(jié)構(gòu)整體空間有限元分:-I 二単

10、連HP-1 ； ri圖1太倉塔結(jié)構(gòu)形式圖2太倉塔有限元分析整體模型析模型。在整體模型中，包含了外塔架、內(nèi)部井道、塔樓和塔下機(jī)房等組成部分。通過結(jié)構(gòu)的整體分析，對(duì)太倉塔在外荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行真實(shí)模擬分析，其有限元模型如圖2所示。該模型共計(jì) 11715個(gè)單元，5176個(gè)節(jié)點(diǎn)。塔底的約束條件為鉸接。塔樓平面如圖3所示，塔架和內(nèi)井道的連接如圖 4所示，內(nèi)部井道與外塔架之間通過連桿連接，連桿釋放其截面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，從而保證內(nèi)部井道與外塔架之間平動(dòng)的位移協(xié)調(diào)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，塔柱的鋼材采用Q345鋼，其余鋼桿件均為 Q235鋼材。Q345鋼材屈服強(qiáng)度取為 345MPa,設(shè)計(jì)強(qiáng)度 為310 MPa。Q23

11、5鋼材屈服強(qiáng)度為 235MPa,設(shè)計(jì)強(qiáng)度為215 MPa。鋼材的彈性模量 2.06 X523310 N/mm 密度 7.8 X 10 kg/m。丄1H-T1H .1.2圖3太倉塔塔樓有限元模型4內(nèi)井架與塔架連接4、風(fēng)荷載的計(jì)算由于塔樓部分的影響， 使塔體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布不均勻, 風(fēng)振系數(shù)的方法計(jì)算風(fēng)荷載， 應(yīng)綜合考慮高階振型的影響作用。故不能直接按照平均風(fēng)乘本文采用鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GY5001 2004)14】推薦的方法計(jì)算風(fēng)荷載， 首先根據(jù)基本風(fēng)壓 w0計(jì)算風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值 Wk為:Wk 二丄 zsW。(1)平均風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)值:(2)脈動(dòng)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)值:Fdj二 MM、j j(3)其中，Jz, Js為

12、風(fēng)壓高度變化系數(shù)和體型系數(shù)；A為i質(zhì)點(diǎn)的擋風(fēng)面積； Mj為i質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；j為j振型的脈動(dòng)增大系數(shù)；j為j振型的空間相關(guān)系數(shù)；j為j振型的參與系數(shù),- - 2片=送Yji WkimjAj/送YjMi ；Yi為第j振型第i質(zhì)點(diǎn)的水平相對(duì)位移；m為i質(zhì)點(diǎn)的風(fēng)(4)荷載脈動(dòng)系數(shù)。計(jì)算風(fēng)荷載效應(yīng):s = sSSdSd圖5外塔架與內(nèi)部井道的變形協(xié)調(diào)(5)Ss、Sd分別為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)作用效應(yīng)，Sdj為脈動(dòng)風(fēng)在j振型作用下的動(dòng)力效應(yīng)，振型數(shù)可取3。 s、 d為常數(shù)，取1.00按照上述方法計(jì)算風(fēng)荷載，并以節(jié)點(diǎn)集中力的形式施加到塔體結(jié)構(gòu)上。5、荷載組合根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，在計(jì)算中考慮的荷載組合如下:組合1: 1.

13、35恒荷+ 0.98活荷+ 1.4風(fēng)荷載組合2: 1.2恒荷+ 1.4活荷+ 1.4風(fēng)荷載組合3: 1.2恒荷+ 0.98活荷+ 1.4風(fēng)荷載組合4: 1.2重力荷載代表值+ 1.3水平地震作用+ 0.28風(fēng)荷載組合5: 1.35恒荷+ 0.98活荷組合6:恒荷+活荷+0.6風(fēng)荷載組合7:恒荷+ 0.7活荷+風(fēng)荷載組合&恒荷+ 0.5活荷組合9: 1.2恒荷+ 1.4風(fēng)荷載6、太倉塔結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果6.1外塔架與內(nèi)部井道的協(xié)同工作分析通過計(jì)算可以得到太倉塔在控制荷載組合2作用下整體結(jié)構(gòu)變形情況。以88m處橫隔與內(nèi)井道之間連接的截面為例，將變形前后的桿件位置置于同一張圖 中，如圖5所示。由圖5

14、可見，外塔架與內(nèi)部井道結(jié) 構(gòu)沿水平面呈大致相同的水平位移，這說明內(nèi)部井道 與外塔架之間的連桿連接，能夠保證二者的變形協(xié)調(diào)， 共同工作。6.2塔體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)利用sap2000軟件【5】設(shè)定自動(dòng)選擇截面和設(shè)計(jì)分組，即可實(shí)現(xiàn)同類構(gòu)件截面的優(yōu)化設(shè) 計(jì)。通過設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)于塔柱，14層選擇截面為 500 X 14的鋼管，58層選擇截面為480 X 14的鋼管，913層選擇截面為 377 X 14的鋼管；對(duì)于斜桿，采用273 X 12的鋼 管；橫桿18層選擇截面為 325 X 10的鋼管，913層選擇截面為 273 X 12的鋼管。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的太倉塔結(jié)構(gòu)總用鋼量約為850 噸。7、結(jié)語 本文對(duì)太倉塔結(jié)構(gòu)建立整體空間有限元分析模型， 在計(jì)算中， 結(jié)合塔體形式選擇了適宜 的風(fēng)荷載計(jì)算方法。 通過對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可以看出： 外塔架與內(nèi)部井道結(jié)構(gòu)沿水平面呈大致 相同的水平位移分布形式， 說明內(nèi)部井道與外塔架之間的連桿連接， 能夠保證二者的變形協(xié) 調(diào)，共同工作。 本文還在保證結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的前提下，對(duì)塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了 合理的桿件截面。參考文獻(xiàn)【1】王肇民，馬人樂等，塔式結(jié)構(gòu)，北京：科學(xué)出版社，2004【2】國家標(biāo)準(zhǔn) .