CAE于通信鐵塔抗風分析中的應用
1概述
通信鐵塔是典型的高柔結構，其高度從20m-60m不等。通信鐵塔的主要設計載荷為風載荷，根據建筑載荷規范和高聳結構設計規范設計。但設計的結構是否能滿足實際工程的需要，需要進一 步的驗證。目前風載荷的確定的手段主要有風洞實驗、現場實測和數值模擬。而風洞實驗相對費用 較高，難以大面積的應用。而現場實測得到的數據比較全面，可信度高，但受到大自然風不定變化 的限制，同時組織和安排比較復雜，耗時耗資巨大，成本較高。隨著計算機技術的發展，風載荷數值模擬取得較大進展，通過有限元計算鐵塔的抗風性能耗時耗資少，可重復性高，計算結果可信度較高，因此廣泛接受。本文通過Altair公司的HyperMesh生成鐵塔的數學模型，并做靜力分析，計算得出通信鐵塔的抗風性能。
2 工程簡介
本文以一四邊形角鋼塔為研究對象，全塔高40m，基地寬度6m，距頂2m和5m處各設一個平臺。如圖1所示。鐵塔的主材為低合金高強度結構鋼，屈服強度為345MPa，其他輔材為碳素合金鋼，屈服強度為235MPa。結構所處地貌為C類，基本風壓為0.40KN/m2。
圖1 通信塔結構簡圖
3 通信塔動力特性分析
結構風工程的理論基礎和分析與結構的動力學密切相關，結構的動力特性一般包括自振頻率、振型及阻尼比。這些是結構風響應分析的前提。
本文中通信鐵塔的動力特性分析采用Lanczos法，提取1-10Hz結構的模態。本文采用兩種方法建立通信塔的有限元模擬，一種是全采用Beam單元；一種是主材采用Beam單元，輔材采用Rod單元。得到的結果如表1所示。全beam模型的振型結果如圖2-圖6所示。
表 1全Beam模型與Beam和Rod混合模型頻率和振型對比
圖2X向一階彎曲
圖3Y向一階彎曲
圖4 X向二階彎曲
圖5Y向二階彎曲
圖6 一階扭轉
根據表1可知，當采用全可根據表1可知，當采用全Beam模型時，結構的頻率偏高；全Beam模型和 Beam和 Rod振型基本一致。
4 通信鐵塔抗風分析
根據建筑結構載荷規范，上的風標準值計算公式為：
4.1基于建筑結構載荷規范的風載荷
表2 《建筑結構載荷規范》計算風振系數
表3 建筑結構載荷規范 0° 風向風載荷標準值
表 4 建筑結構載荷規范45°風向風載荷標準值
4.2 基于高聳結構設計規范的風載荷
表5《高聳結構設計規范》算風振系數
表 6 高聳結構設計規范 0° 風向風載荷標準值
表 7高聳結構設計規范 45° 風向風載荷標準值
表8 通信鐵塔各塔段最大水平位移（mm）
圖7 通信鐵塔水平位移圖
表9通信鐵塔各段最大應力（MPa）
5 結論
本文通過對通信鐵塔結構建立準確的有限元模型，并根據《建筑結構載荷規范》和《高聳結構設計規范》對通信塔在0°和45°風向角風載荷作用下進行擬靜力分析，得出在相同風向角風載荷的作用下，結構的響應非常接近，在45°風向角風載荷作用下，結構的水平位移響應式同高度處0°風向角風載荷作用下水平位移的1.63倍。最大應力都未超出結構的屈服強度。
