結構阻尼比對單管塔風荷載計算的影響分析

1、結構阻尼比對單管塔風荷載計算的影響分析結構阻尼比對單管塔風荷載計算的影響分析 結構阻尼 比對單管塔風荷載計算的影響分析 屠海明 1 張帆 2 (1.同 濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司上海 200092； 2.中國鐵塔股份有限公司 北京 100142) 摘要： 為了分析結構 阻尼比對單管塔風荷載計算的影響，本文進行了阻尼比不同 取值時風振系數(shù)的計算對比。結果表明風振系數(shù)隨著結構阻 尼比的增加而顯著下降。然后根據上海某單管塔實測得到的 阻尼比與規(guī)范規(guī)定的阻尼比取值，分別對該單管塔風荷載進 行了計算對比。實測的阻尼比大于規(guī)范規(guī)定的取值，相應計 算得到的風荷載也明顯降低。這給單管塔的優(yōu)化設計提供

2、了 參考依據。 關鍵詞：阻尼比 單管塔 風荷載 引言 近年來 隨著通信基站建設的發(fā)展，對通信塔的專業(yè)化、標準化提出 了更高的要求。對于單管塔的設計和制作而言，起控制作用 的荷載是風荷載，得到相對準確的風荷載設計值，對于每年 數(shù)萬座標準化生產的單管塔而言，具有很重要的經濟意義。 本文作者 1根據 2012 年調整前后的荷載規(guī)范，對高聳結 構的風荷載進行了分析與對比，并提出了高聳結構設計規(guī) 范(GB 50135-2006 )中風荷載部分條文的修改意見。但是 以上分析沒有專門涉及結構阻尼比對于風荷載計算的影響 分析。同濟大學何敏娟 2等采用激振法對 336m 黑龍江電視塔進行了模態(tài)參數(shù)的實測和分析，

3、實測結構一階阻尼比為 0.028，大于規(guī)范規(guī)定值 0.02。同濟大學閆祥梅等 3對位 于河北的辛安 -衡水 500kV 線路工程的幾座直線輸電塔轉角 塔進行了環(huán)境脈動下的動力測試。同濟大學設計院梁峰4對上海新國際博覽中心展館兩側的 30m 高鋼結構燈桿進行 了微風振動下的動力測試，得到了燈桿的自振頻率和阻尼 比。本文作者對上海移動兩座單管塔進行了微風振動下的動 力測試，并根據實測結果，與規(guī)范規(guī)定值對比，探討結構阻 尼比對單管塔風荷載計算的影響。 1 阻尼比對風荷載計算 的影響 結構阻尼比用于表達結構阻尼的大小，是描述結構 在振動過程中能量耗散的術語。引起結構能量耗散的因素很 多，主要有：材料阻

4、尼，周圍介質對振動的阻尼，節(jié)點、支 座連接處的阻尼等。 結構阻尼對結構效應的影響體現(xiàn)在結 構的風致振動中，對于高聳結構的風振分析，比較準確的是 采用頻率域和時間域的動力分析方法。實際工程中，為了方 便應用，按照荷載規(guī)范計算等效風荷載，用靜力分析方法計 算結構風效應。 因此，結構阻尼比對風荷載計算的影響， 主要體現(xiàn)在風振系數(shù)的計算上。 建筑結構荷載規(guī)范 ( GB 50009-2012)中風振系數(shù)的表達式為：其中： g 為峰值因子；110為10m高名義湍流強度；Bz為背景分量因子；共振 分量因子 R 表示與頻率有關的積分項，可按下列公式計算： 其中：Z 1為結構阻尼比；fl為結構第1階自振頻率；k

5、w為地面粗糙度修正系數(shù)； w0 為基本風壓。結構阻尼比對鋼結 構可取 0.01，對有填充墻的鋼結構房屋可取0.02，對鋼筋混凝土及砌體結構可取 0.05。 修編后的高聳結構設計規(guī)范 規(guī)定：“結構阻尼比可根據結構型式相應選?。簩τ趩喂芩?可取 0.01，構架式塔可取 0.02，混凝土塔可取 0.05?！?由于 單管塔相對一般房屋結構而言剛度較小，因此理論計算得到 的風振系數(shù)較大。阻尼比差異對風荷載的計算也有較大影 響。以上海地區(qū)38m單管塔為例，底部直徑為1.32m，頂部直徑為0.75m?；撅L壓為 0.55kN/m2，第一振型自振周 期為1.4s。不同地貌類別，阻尼比為0.010.05時，單管

6、塔頂部風振系數(shù)見表 1 和圖 1。 表 1 38m 單管塔頂部風振系數(shù) Tab.1 Wind vibration coefficient on top of38m monopole 阻尼 系數(shù)地貌類別 A B C D 0.01 2.67 2.78 3.38 4.20 0.02 2.26 2.35 2.83 3.50 0.03 2.09 2.18 2.61 3.22 0.04 2.00 2.08 2.48 3.06 0.05 1.93 2.01 2.40 2.96 從表 1 和圖 1 中可以看出， 隨著結構阻尼 比的增加，風振系數(shù)明顯下降。阻尼比越小時，下降幅度越 大。因此，得到相對準確的結構阻

7、尼比，對于單管塔風荷載 的計算有著重要的意義。 圖 1 風振系數(shù)變化圖 Fig.1 Transformation ofwind vibration coefficient 2 現(xiàn)場實測 2.1 現(xiàn)場測試 受中國移動通信集團上海有限公司委托， 對松 華磊基站、顧家塘基站單管塔進行了現(xiàn)場檢測。松華磊基站 位于上海市松江區(qū)申港公路西側，鐵塔總高度為 38m，為雙 輪景觀塔，鐵塔整體如圖 2 所示。顧家塘基站位于上海市閔行區(qū)莘莊鎮(zhèn)莘松公路青春路顧家塘村，鐵塔總高度為42m。圖 2 松華磊基站單管塔現(xiàn)場Fig.2 Scene picture of Songhualei Monopole 除了對兩個通信

8、基站的基礎、鐵塔構件、連接節(jié)點、防腐涂層、塔身整體變 形等進行常規(guī)檢測以外，還采用同濟大學土木工程防災國家 重點實驗室 SVSA 結構振動信號采集分析系統(tǒng)對該鐵塔進行 自振特性現(xiàn)場測試。 測試儀器選用 LC0132 型內裝 IC 壓電式 加速度傳感器及 UA300 系列數(shù)據采集器，采樣頻率為 100Hz。在超過30m高度的塔身上取4個點，分別采集其兩 個正交方向的振動信息。 阻尼比測試可以分成時域和頻域 兩大類。 時域方法對于波形要求較高， 一般僅適用于實驗室； 頻域方法適用性比較廣，但是廣泛使用的半功率法在功率譜 半功率帶寬較小時，會產生一定的誤差，需要對譜圖進行細 化，并采用時間較長的采樣

9、數(shù)據。 本次測試采用半功率法 計算結構的阻尼比。 2.2 實測數(shù)據 試驗通過數(shù)據采集器測 得的微風作用下加速度信號，轉換成自功率譜后，可以得到 結構一階自振頻率和阻尼比，見圖 3、圖 4。 圖 3 顧家塘基 站實測頻率及阻尼比Fig.3 Measured frequency and damping ratio of GujiatangMonopole顧家塘基站鐵塔第一振型自振周期為1.47s,阻尼比為 1.83%。 圖 4 松華磊基站實測頻率及阻尼比Fig.4 Measured frequency and damping ratio of SonghualeiMonopole松華磊基站鐵塔第一

10、振型自振周期為1.37s,阻尼比為 1.83%。 實測數(shù)據匯總見表 2。 表 2 實測周期和阻尼 比Tab.2 Measured period and damping ratio 基站名稱塔高 /m 理 論周期/s實測周期/s阻尼比顧家塘42 1.40 1.47 1.83%松華磊38 1.34 1.37 1.83% 從表 2中可以看出， 實測周期與理論周期 比較接近，由于單管塔中天饋線等附加質量的分布與理論計 算不完全一致，因此周期略有差異。 現(xiàn)場實測的兩個單管 塔第一振型阻尼比均為 1.83%，明顯大于 1 %的規(guī)范規(guī)定值。 可能是由于單管塔筒體內布置有大量饋線等附屬件及筒體 節(jié)段間的連接，

11、提高了阻尼比。 3 計算結果與分析 3.1 計 算結果 根據實際測試得到的一階自振周期，分別按照規(guī)范 規(guī)定的阻尼比數(shù)值和實測得到的數(shù)值，并考慮不同地貌類別，計算松華磊基站單管塔的風荷載。計算結果見表3表5。 表 3 頂部風振系數(shù)比較Tab.3 Comparison ofwind vibration coefficient on top 阻尼系數(shù) 地貌類別 A B C D 4.20 0.0183 2.30 2.40 2.89 0.01 2.67 2.783.38 3.58降幅 13.9% 13.7% 14.5% 14.8% 表4 總風荷載比較 (單位： kN )Tab.4 Comparison

12、of total wind load ( unit: kN)阻尼系數(shù)地 貌類別 A B C D 21.0 0.0183 37.7 32.5 24.4 0.01 42.5 36.7 27.918.3 降幅 11.3% 11.4% 12.5% 12.9% 表 5 底部彎矩比較(單 位：kN m)Tab.5 Comparison of bottom bendingmoment ( unit: kN m) 阻尼系數(shù)地貌類別 A B C D 534.6 0.0183 933.4 809.3 618.40.01 1064.2 925.8 716.6 460.1降幅 12.3% 12.6% 13.7% 13

13、.9% 從表3表5可以看出，其他條件均保持不變的情況下，對 于 4 種不同地貌，根據實測阻尼比計算得到的單管塔頂部風 振系數(shù)、單管塔總風荷載、底部彎矩都明顯小于根據阻尼比 為 1%計算得到的相應值，且降幅均大于10%。 3.2 阻尼比測試方法與探討 阻尼比雖然是結構的動力特性之一，不過， 不同的分析方法和技術、振幅和變形的大小、環(huán)境因素等都 會影響阻尼比的測量結果。對于單管塔設計而言，由于實際 風荷載為基本風壓作用時，單管塔的變形較大，阻尼比可能 與微風振動下測得的阻尼比有差異，因此需要進一步開展大 變形條件下阻尼比的實測工作。 同時，根據本文的計算工 作，如果能夠采用簡易可行的振動控制裝置以

14、提高結構的阻 尼比，可以改善單管塔的風振效應，相當于降低單管塔的計 算風荷載，從而促進單管塔的優(yōu)化設計。 4 結論 本文對阻 尼比對單管塔風荷載計算的影響進行了理論分析；并且通過 上海兩個單管塔基站的現(xiàn)場實測，得到了其自振周期與阻尼 比。根據實測的數(shù)據，與規(guī)范規(guī)定取值進行了計算對比，得 出如下結論： 1.對于單管塔而言，隨著結構阻尼比的增加，風振系數(shù)明顯下降。阻尼比越小時，下降幅度越大。2.對兩個單管塔基站進行微風振動下的動力測試，阻尼比均明顯大 于規(guī)范規(guī)定值 1% 。 3.根據實測阻尼比數(shù)據計算得到的風荷 載，比依據規(guī)范規(guī)定值計算得到的風荷載小10%以上。 同時，本文提出了進一步工作的兩個方

15、向：大變形條件下阻 尼比的實測；通過設置振動控制裝置以提高單管塔阻尼 比，從而減小結構風振效應。 參考文獻： 1屠海明 .高 聳結構設計規(guī)范中風荷載計算條文的修編探討J.特種結構， 2014（4）： 97-100 Tu Haiming.Revision discussion of wind load calculation in “ Code for design of high-rising structures ” J . Special Structures， 2014 （ 4）： 97-100 2何敏娟， 馬人樂，黃征.336m高電視塔模態(tài)參數(shù)實測與分析J 同濟大學學報， 2001（

16、7）： 862-866 He Minjuan ， Ma Renle ， Huang Zheng.Measurementsand analysis ofmodel parameter of broadcastand television steel tower J. Journal of Tongji University ， 2001（7）： 862-866 3閆祥梅，何敏娟，馬 人樂.高壓輸電塔同步環(huán)境脈動實測分析J.振動與沖擊，2010（ 3）： 77-80 Yan Xiangmei ， He Minjuan ， Ma Renle.Measurementand analysis of sy

17、nchronous environmental fluctuation on high voltage transmission tower J . Journal of Vibration and Shock ， 2010（ 3）： 77-80 4梁峰 .30m 高鋼 結構燈桿微風振動試驗研究及振動控制J.特種結構，2014 （ 4）：97-100 Liang Feng.Test research and vibration control on one 30m high steel lighting pole J .Special Structures， 2014 （3）： 32-36 E

18、ffect of Dam ping Ratio on W ind Load Calculation of Monopole Towers Tu Haiming1Zhang Fan2 （1.A rchitectural Design Research Institute of Tongji University（ Group ）Co.，Ltd. ，Shanghai200092，China；2.China Tower Corporation Lim ited. ， Beijing 100142 ， China） ABSTRACT ： In order to analyze the effect of damping ratio on wind load ofmonopole towers ， the calculation and comparison of the wind-induced vibratio