結(jié)構(gòu)阻尼比對單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響分析

1、結(jié)構(gòu)阻尼比對單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響分析結(jié)構(gòu)阻尼比對單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響分析 結(jié)構(gòu)阻尼 比對單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響分析 屠海明 1 張帆 2 (1.同 濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))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(jié)構(gòu) 阻尼比對單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響，本文進(jìn)行了阻尼比不同 取值時(shí)風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算對比。結(jié)果表明風(fēng)振系數(shù)隨著結(jié)構(gòu)阻 尼比的增加而顯著下降。然后根據(jù)上海某單管塔實(shí)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(fēng)荷載進(jìn) 行了計(jì)算對比。實(shí)測的阻尼比大于規(guī)范規(guī)定的取值，相應(yīng)計(jì) 算得到的風(fēng)荷載也明顯降低。這給單管塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供

2、了 參考依據(jù)。 關(guān)鍵詞：阻尼比 單管塔 風(fēng)荷載 引言 近年來 隨著通信基站建設(shè)的發(fā)展，對通信塔的專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化提出 了更高的要求。對于單管塔的設(shè)計(jì)和制作而言，起控制作用 的荷載是風(fēng)荷載，得到相對準(zhǔn)確的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，對于每年 數(shù)萬座標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的單管塔而言，具有很重要的經(jīng)濟(jì)意義。 本文作者 1根據(jù) 2012 年調(diào)整前后的荷載規(guī)范，對高聳結(jié) 構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行了分析與對比，并提出了高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī) 范(GB 50135-2006 )中風(fēng)荷載部分條文的修改意見。但是 以上分析沒有專門涉及結(jié)構(gòu)阻尼比對于風(fēng)荷載計(jì)算的影響 分析。同濟(jì)大學(xué)何敏娟 2等采用激振法對 336m 黑龍江電視塔進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)的實(shí)測和分析，

3、實(shí)測結(jié)構(gòu)一階阻尼比為 0.028，大于規(guī)范規(guī)定值 0.02。同濟(jì)大學(xué)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(zhuǎn)角 塔進(jìn)行了環(huán)境脈動(dòng)下的動(dòng)力測試。同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)院梁峰4對上海新國際博覽中心展館兩側(cè)的 30m 高鋼結(jié)構(gòu)燈桿進(jìn)行 了微風(fēng)振動(dòng)下的動(dòng)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(dòng)兩座單管塔進(jìn)行了微風(fēng)振動(dòng)下的動(dòng) 力測試，并根據(jù)實(shí)測結(jié)果，與規(guī)范規(guī)定值對比，探討結(jié)構(gòu)阻 尼比對單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響。 1 阻尼比對風(fēng)荷載計(jì)算 的影響 結(jié)構(gòu)阻尼比用于表達(dá)結(jié)構(gòu)阻尼的大小，是描述結(jié)構(gòu) 在振動(dòng)過程中能量耗散的術(shù)語。引起結(jié)構(gòu)能量耗散的因素很 多，主要有：材料阻

4、尼，周圍介質(zhì)對振動(dòng)的阻尼，節(jié)點(diǎn)、支 座連接處的阻尼等。 結(jié)構(gòu)阻尼對結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響體現(xiàn)在結(jié) 構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)中，對于高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析，比較準(zhǔn)確的是 采用頻率域和時(shí)間域的動(dòng)力分析方法。實(shí)際工程中，為了方 便應(yīng)用，按照荷載規(guī)范計(jì)算等效風(fēng)荷載，用靜力分析方法計(jì) 算結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)。 因此，結(jié)構(gòu)阻尼比對風(fēng)荷載計(jì)算的影響， 主要體現(xiàn)在風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算上。 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 ( GB 50009-2012)中風(fēng)振系數(shù)的表達(dá)式為：其中： g 為峰值因子；110為10m高名義湍流強(qiáng)度；Bz為背景分量因子；共振 分量因子 R 表示與頻率有關(guān)的積分項(xiàng)，可按下列公式計(jì)算： 其中：Z 1為結(jié)構(gòu)阻尼比；fl為結(jié)構(gòu)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(fēng)壓。結(jié)構(gòu)阻尼比對鋼結(jié) 構(gòu)可取 0.01，對有填充墻的鋼結(jié)構(gòu)房屋可取0.02，對鋼筋混凝土及砌體結(jié)構(gòu)可取 0.05。 修編后的高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 規(guī)定：“結(jié)構(gòu)阻尼比可根據(jù)結(jié)構(gòu)型式相應(yīng)選?。簩τ趩喂芩?可取 0.01，構(gòu)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(jié)構(gòu)而言剛度較小，因此理論計(jì)算得到 的風(fēng)振系數(shù)較大。阻尼比差異對風(fēng)荷載的計(jì)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(fēng)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(shí)，單管

6、塔頂部風(fēng)振系數(shù)見表 1 和圖 1。 表 1 38m 單管塔頂部風(fēng)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(jié)構(gòu)阻尼 比的增加，風(fēng)振系數(shù)明顯下降。阻尼比越小時(shí)，下降幅度越 大。因此，得到相對準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)阻

7、尼比，對于單管塔風(fēng)荷載 的計(jì)算有著重要的意義。 圖 1 風(fēng)振系數(shù)變化圖 Fig.1 Transformation ofwind vibration coefficient 2 現(xiàn)場實(shí)測 2.1 現(xiàn)場測試 受中國移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司委托， 對松 華磊基站、顧家塘基站單管塔進(jìn)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(cè)，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(gè)通信

8、基站的基礎(chǔ)、鐵塔構(gòu)件、連接節(jié)點(diǎn)、防腐涂層、塔身整體變 形等進(jìn)行常規(guī)檢測以外，還采用同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 SVSA 結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號采集分析系統(tǒng)對該鐵塔進(jìn)行 自振特性現(xiàn)場測試。 測試儀器選用 LC0132 型內(nèi)裝 IC 壓電式 加速度傳感器及 UA300 系列數(shù)據(jù)采集器，采樣頻率為 100Hz。在超過30m高度的塔身上取4個(gè)點(diǎn)，分別采集其兩 個(gè)正交方向的振動(dòng)信息。 阻尼比測試可以分成時(shí)域和頻域 兩大類。 時(shí)域方法對于波形要求較高， 一般僅適用于實(shí)驗(yàn)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(shí)，會產(chǎn)生一定的誤差，需要對譜圖進(jìn)行細(xì) 化，并采用時(shí)間較長的采樣

9、數(shù)據(jù)。 本次測試采用半功率法 計(jì)算結(jié)構(gòu)的阻尼比。 2.2 實(shí)測數(shù)據(jù) 試驗(yàn)通過數(shù)據(jù)采集器測 得的微風(fēng)作用下加速度信號，轉(zhuǎn)換成自功率譜后，可以得到 結(jié)構(gòu)一階自振頻率和阻尼比，見圖 3、圖 4。 圖 3 顧家塘基 站實(shí)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(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)匯總見表 2。 表 2 實(shí)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(shí)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(shí)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(zhì)量的分布與理論計(jì) 算不完全一致，因此周期略有差異。 現(xiàn)場實(shí)測的兩個(gè)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(nèi)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(jì)算結(jié)果與分析 3.1 計(jì) 算結(jié)果 根據(jù)實(shí)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(shí)測得到的數(shù)值，并考慮不同地貌類別，計(jì)算松華磊基站單管塔的風(fēng)荷載。計(jì)算結(jié)果見表3表5。 表 3 頂部風(fēng)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(fēng)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(jù)實(shí)測阻尼比計(jì)算得到的單管塔頂部風(fēng) 振系數(shù)、單管塔總風(fēng)荷載、底部彎矩都明顯小于根據(jù)阻尼比 為 1%計(jì)算得到的相應(yīng)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(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性之一，不過， 不同的分析方法和技術(shù)、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(jié)果。對于單管塔設(shè)計(jì)而言，由于實(shí)際 風(fēng)荷載為基本風(fēng)壓作用時(shí)，單管塔的變形較大，阻尼比可能 與微風(fēng)振動(dòng)下測得的阻尼比有差異，因此需要進(jìn)一步開展大 變形條件下阻尼比的實(shí)測工作。 同時(shí)，根據(jù)本文的計(jì)算工 作，如果能夠采用簡易可行的振動(dòng)控制裝置以

14、提高結(jié)構(gòu)的阻 尼比，可以改善單管塔的風(fēng)振效應(yīng)，相當(dāng)于降低單管塔的計(jì) 算風(fēng)荷載，從而促進(jìn)單管塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4 結(jié)論 本文對阻 尼比對單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響進(jìn)行了理論分析；并且通過 上海兩個(gè)單管塔基站的現(xiàn)場實(shí)測，得到了其自振周期與阻尼 比。根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)，與規(guī)范規(guī)定取值進(jìn)行了計(jì)算對比，得 出如下結(jié)論： 1.對于單管塔而言，隨著結(jié)構(gòu)阻尼比的增加，風(fēng)振系數(shù)明顯下降。阻尼比越小時(shí)，下降幅度越大。2.對兩個(gè)單管塔基站進(jìn)行微風(fēng)振動(dòng)下的動(dòng)力測試，阻尼比均明顯大 于規(guī)范規(guī)定值 1% 。 3.根據(jù)實(shí)測阻尼比數(shù)據(jù)計(jì)算得到的風(fēng)荷 載，比依據(jù)規(guī)范規(guī)定值計(jì)算得到的風(fēng)荷載小10%以上。 同時(shí)，本文提出了進(jìn)一步工作的兩個(gè)方

15、向：大變形條件下阻 尼比的實(shí)測；通過設(shè)置振動(dòng)控制裝置以提高單管塔阻尼 比，從而減小結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)。 參考文獻(xiàn)： 1屠海明 .高 聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中風(fēng)荷載計(jì)算條文的修編探討J.特種結(jié)構(gòu)， 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(shí)測與分析J 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001（

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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