一种自立式通信塔抗倒塌安全性评估方法技术

一种自立式通信塔抗倒塌安全性评估方法，可以精确的模拟自立式通信塔在风荷载作用下关键构件发生破坏时铁塔倒塌全过程的动力响应，并对自立式通信塔的抗倒塌安全性进行评估，本方法通过常规设计软件和通用有限元软件的结合，既可以方便快捷地完成构件众多的通信塔的建模，又可以实现复杂的动力倒塌全过程的模拟，考虑了各种不利风向、单构件破坏和多构件联合破坏的工况，分析结果详实可靠。本发明专利技术的评估方法，分析思路简单，易于学习和掌握，即可用于新建铁塔的设计，也可用于在网铁塔的评估，利于在铁塔设计人员中推广，填补了自立式通信塔在抗倒塌研究和设计方面的空白。

Method for evaluating collapse safety of self-supporting communication tower

Safety assessment method for anti collapse of a free-standing communication tower can self-supporting communication tower under wind load failure when the tower collapsed the key component of whole process dynamic response simulation precise, and the self-supporting communication tower collapse safety evaluation, combined with this method through the conventional design software and General Co. element software, modeling can easily and quickly complete the communication tower component of many, but also can realize the complex dynamic collapse simulation of the whole process, considering all kinds of unfavorable wind, single component failure and multi component joint damage conditions, detailed and reliable analysis results. The evaluation method of the invention, the analysis method is simple and easy to learn and master, can be used for the design of the new tower, also can be used to evaluate the network in the tower, the tower design is conducive to the promotion of personnel, to fill the gaps in the free-standing communication tower collapse research and design aspects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信工程塔桅
，具体涉及一种对自立式通信塔抗倒塌安全性的评估方法，可应用于评估自立式通信塔在设计荷载作用下局部构件破坏时效后塔桅的抗倒塌安全性。
技术介绍
通信铁塔是通信信号发射、接收和传输设备的主要载体，是移动通信网完成信号覆盖的重要基础设施。自立式通信铁塔是一种典型的高耸钢结构建筑，自重较轻，因此一般将风荷载作为设计控制荷载。自立式通信塔通常包括单管塔、三管塔和角钢塔，其中三管塔和角钢塔由于其建设高度较高，占地面积较大，通常用于室外或野外开阔场地，其建设和使用环境较为恶劣，其组成构件众多，传力路径复杂，在风荷载作用下存在一定的安全隐患，铁塔倒塌的事故时有发生。因此有必要对新建和已有自立式通信塔进行抗倒塌安全性评估。目前我国对于建筑结构的抗倒塌安全性评估仅停留在概念阶段，并无详细的国家规范作为指导。而对于通信铁塔在设计荷载作用下的抗倒塌安全性评估更是处于空白阶段，缺乏一套切实可行的通信塔抗倒塌安全评估方法。对于普通的建筑结构的抗倒塌性能分析常采用两阶段加载方式，即在构件失效处施加反向内力，并在失效时间内撤掉该方向力的方式来模拟构件失效，该方式过于复杂，不易实施，难于推广应用；另一方面通信塔的构件较多，组成复杂，现有通用有限元软件在建模功能上较为繁琐，同样限制了抗倒塌安全性评估在通信塔上的应用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种对自立式通信塔抗倒塌安全性的评估方法，通过简单易行的建模和分析手段，实现自立式通信铁在设计荷载作用下倒塌的全过程模拟，并对其进行抗倒塌安全性评估，既可用于新建塔桅的设计，也可用于在网铁塔的改造。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种对自立式通信塔抗倒塌安全性的评估方法，包括以下步骤：1）设计模型建模：采用Midas和3D3S具有铁塔设计模块的钢结构设计软件对要分析的通信塔进行设计模型的建模；2）FE模型建模：将铁塔的设计模型导入到通用有限元软件ABAQUS中，建立相应的FE(FiniteElement)模型，赋予非线性材料本构；3）不利风向和关键构件选取：根据规范计算铁塔所承受的风荷载并选取不利风向施加在铁塔上，根据构件的重要性和破坏影响范围选取关键构件进行拆除分析；4）非线性动力拆柱分析：采用ABAQUS中的非线性动力分析进行铁塔的倒塌全过程模拟，并采用直接拆柱法实现关键构件的移除，并观察剩余铁塔结构的动力响应，如在选定不利风向下关键构件的移除并未引起铁塔的倒塌，可重新选定不利风向或关键构件进行分析，也可在剩余塔身上继续移除关键构件或加大风荷载进行分析。5）抗倒塌安全性评估：根据各种不利风向和关键构件拆除后铁塔的动力分析结果，对铁塔的抗倒塌安全性进行评估，对于不满足抗倒塌安全性的新建铁塔和在网铁塔进行重新设计和加强。所述的步骤1)中设计模型建模，选择建设环境恶劣、风压大、塔身高和附属构件多的塔型进行分析，采用Midas和3D3S具有铁塔设计模块的钢结构设计软件进行建模，铁塔的几何模型包括塔柱、斜撑、横撑、避雷针、平台和天线等，计算模型的前六阶自振频率，并按照规范计算出塔身承受风荷载的大小。所述的步骤2)中FE模型建模，通过设计软件自身的软件接口，将铁塔的设计模型导入到通用有限元软件ABAQUS中，增加材料的非线性本构，并计算FE模型的前六阶自振频率，与步骤(1)中设计模型的自振频率进行对比验证，采用Truss单元模拟铁塔的各类构件，赋予材料瑞利阻尼和密度，施加重力加速度场。所述的步骤3)中不利风向和关键构件选取，根据规范计算铁塔各塔段所承受的风荷载，并根据建设地点的主风向和铁塔的建设方向选取不利风向，将风荷载施加在铁塔的各塔段上，根据塔身结构构件的重要性和破坏影响范围选取关键构件进行拆除分析。所述的步骤4)中非线性动力拆柱分析，采用ABAQUS中隐式动力分析(ImplicitDynamicAnalysis)模块进行铁塔的倒塌全过程模拟，采用单元改变模块(*Elementchange)中的移除命令(*Remove)模拟关键构件的破坏，关键构件的破坏时间取铁塔基本周期的十分之一(0.1T)，在移除关键构件后附加足够多的分析时长使剩余铁塔结构的振动趋于稳定，以观察结构的动力响应，如在选定不利风向下关键构件的移除并未引起铁塔的倒塌，可重新选定不利风向或关键构件，重复以上步骤进行分析，也可在剩余塔身上继续移除关键构件或加大风荷载进行分析，直到完成各种不利风向和全部关键构件分析，可对该铁塔进行抗倒塌安全性评估。所述的步骤5)中抗倒塌安全性评估，根据各种不利风向和关键构件拆除后铁塔的动力分析结果，对铁塔的抗倒塌安全性进行评估，可以偏于保守的采用规范规定的塔顶位移限值进行评估，也可以采用计算结构是否失去全部承载能力的标准进行评估，前者可以保证铁塔的正常工作，后者则用来保证铁塔不会造成重大事故，对于风荷载的选择，既可以考察铁塔在设计风荷载下的抗倒塌性能，也可以考察铁塔在罕遇风荷载下的抗倒塌性能，而对于不满足抗倒塌安全性的新建铁塔和在网铁塔进行重新设计和加强，然后重复以上步骤，直到满足铁塔的抗倒塌安全性要求。所述的关键构件为每个塔段的底层柱、承受压力的塔柱、平台下方的塔柱和连接构件较多的塔柱。本专利技术的有益效果是：1）常规的有限元软件采用命令流建模，在建立复杂的结构体型模型时较为不便，因此采用专业铁塔设计人员熟悉设计软件Midas或3D3S的铁塔建模模块进行计算模型的建模，之后通过专用接口导入有限元软件中建立FE模型，赋予模型相应的构件截面和非线性材性，这样的建模方式操作简单，便于设计人员使用。2）FE模型可以进行精确的铁塔倒塌动力时程分析，显示铁塔在倒塌过程中任意时刻的应力状态，便于设计人员对结果进行总结分析。FE模型可以进行任意风向下任意构件破坏后铁塔的抗倒塌安全性能，并可进行多构件联合破坏工况的模拟。3）不同于常规的两阶段加载模拟构件破坏，本专利技术采用先进的直接动力拆柱法进行构件破坏的模拟，设计人员可在FE模型上直接设定所需破坏的构件和破坏时间，即可模拟构件破坏后铁塔真实的动力响应，直观可靠。4）针对任意风向、任意单一构件和多构件分析结果，采用塔顶位移动力时程曲线和IDE曲线结果对铁塔进行全面详细的抗倒塌安全性评估，即可用于新建铁塔的设计，也可用于在网铁塔的补强设计。本方法填补了自立式通信塔设计的空缺。附图说明图1为本专利技术的工作流程示意图。具体实施方式如图1所示，一种对自立式通信塔抗倒塌安全性的评估方法，包括以下步骤：1）设计模型建模：选择建设环境恶劣、风压大、塔身高和附属构件多的塔型进行分析，采用铁塔设计中较为常用的Midas和3D3S等具有铁塔设计模块的钢结构设计软件进行设计模型的建模。根据图纸建立铁塔的几何模型，包括塔柱、斜撑、横撑、避雷针、平台和天线等，并赋予构件截面尺寸和弹性材料属性。计算模型的前六阶自振频率，并按照规范计算出塔身承受风荷载的大小，铁塔的竖向荷载主要是塔身各构件的自重荷载。2）FE模型建模：通过设计软件自身的软件接口，将铁塔的设计模型导入到通用有限元软件ABAQUS中，设计模型中的信息主要包括铁塔的几何模型、杆件截面属性、弹性材料属性和边界条件，从而建立相应的FE(FiniteElement)模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对自立式通信塔抗倒塌安全性的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：1）设计模型建模：采用Midas和3D3S具有铁塔设计模块的钢结构设计软件对要分析的通信塔进行设计模型的建模；2）FE模型建模：将铁塔的设计模型导入到通用有限元软件ABAQUS中，建立相应的FE(Finite Element)模型，赋予非线性材料本构；3）不利风向和关键构件选取：根据规范计算铁塔所承受的风荷载并选取不利风向施加在铁塔上，根据构件的重要性和破坏影响范围选取关键构件进行拆除分析；4）非线性动力拆柱分析：采用ABAQUS中的非线性动力分析进行铁塔的倒塌全过程模拟，并采用直接拆柱法实现关键构件的移除，并观察剩余铁塔结构的动力响应，如在选定不利风向下关键构件的移除并未引起铁塔的倒塌，可重新选定不利风向或关键构件进行分析，也可在剩余塔身上继续移除关键构件或加大风荷载进行分析；5）抗倒塌安全性评估：根据各种不利风向和关键构件拆除后铁塔的动力分析结果，对铁塔的抗倒塌安全性进行评估，对于不满足抗倒塌安全性的新建铁塔和在网铁塔进行重新设计和加强。

【技术特征摘要】
1.一种对自立式通信塔抗倒塌安全性的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：1）设计模型建模：采用Midas和3D3S具有铁塔设计模块的钢结构设计软件对要分析的通信塔进行设计模型的建模；2）FE模型建模：将铁塔的设计模型导入到通用有限元软件ABAQUS中，建立相应的FE(FiniteElement)模型，赋予非线性材料本构；3）不利风向和关键构件选取：根据规范计算铁塔所承受的风荷载并选取不利风向施加在铁塔上，根据构件的重要性和破坏影响范围选取关键构件进行拆除分析；4）非线性动力拆柱分析：采用ABAQUS中的非线性动力分析进行铁塔的倒塌全过程模拟，并采用直接拆柱法实现关键构件的移除，并观察剩余铁塔结构的动力响应，如在选定不利风向下关键构件的移除并未引起铁塔的倒塌，可重新选定不利风向或关键构件进行分析，也可在剩余塔身上继续移除关键构件或加大风荷载进行分析；5）抗倒塌安全性评估：根据各种不利风向和关键构件拆除后铁塔的动力分析结果，对铁塔的抗倒塌安全性进行评估，对于不满足抗倒塌安全性的新建铁塔和在网铁塔进行重新设计和加强。2.根据权利要求1所述的一种对自立式通信塔抗倒塌安全性的评估方法，其特征在于，所述的步骤1)中设计模型建模，选择建设环境恶劣、风压大、塔身高和附属构件多的塔型进行分析，采用Midas和3D3S具有铁塔设计模块的钢结构设计软件进行建模，铁塔的几何模型包括塔柱、斜撑、横撑、避雷针、平台和天线等，计算模型的前六阶自振频率，并按照规范计算出塔身承受风荷载的大小。3.根据权利要求1所述的一种对自立式通信塔抗倒塌安全性的评估方法，其特征在于，所述的步骤2)中FE模型建模，通过设计软件自身的软件接口，将铁塔的设计模型导入到通用有限元软件ABAQUS中，增加材料的非线性本构，并计算FE模型的前六阶自振频率，与步骤(1)中设计模型的自振频率进行对比验证，采用Truss单元模拟铁塔的各类构件，赋予材料瑞利阻尼和密度，施加重力加速度场。4.根据权利要求1所述的一种对自立式通信塔抗倒...

【专利技术属性】
技术研发人员：高山，张明明，苏卫铭，李晓芳，王文博，
申请(专利权)人：西京学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61