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

1、結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響分析結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響分析 結(jié)構(gòu)阻尼 比對(duì)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(guó)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(duì)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(duì)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(cè)得到的 阻尼比與規(guī)范規(guī)定的阻尼比取值，分別對(duì)該單管塔風(fēng)荷載進(jìn) 行了計(jì)算對(duì)比。實(shí)測(cè)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(lái) 隨著通信基站建設(shè)的發(fā)展，對(duì)通信塔的專(zhuān)業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化提出 了更高的要求。對(duì)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(duì)準(zhǔn)確的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，對(duì)于每年 數(shù)萬(wàn)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(duì)高聳結(jié) 構(gòu)的風(fēng)荷載進(jìn)行了分析與對(duì)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(jiàn)。但是 以上分析沒(méi)有專(zhuān)門(mén)涉及結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)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(duì) 336m 黑龍江電視塔進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)的實(shí)測(cè)和分析，

3、實(shí)測(cè)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(duì)位 于河北的辛安 -衡水 500kV 線(xiàn)路工程的幾座直線(xiàn)輸電塔轉(zhuǎn)角 塔進(jìn)行了環(huán)境脈動(dòng)下的動(dòng)力測(cè)試。同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)院梁峰4對(duì)上海新國(guó)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(cè)試，得到了燈桿的自振頻率和阻尼 比。本文作者對(duì)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(cè)試，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，與規(guī)范規(guī)定值對(duì)比，探討結(jié)構(gòu)阻 尼比對(duì)單管塔風(fēng)荷載計(jì)算的影響。 1 阻尼比對(duì)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(guò)程中能量耗散的術(shù)語(yǔ)。引起結(jié)構(gòu)能量耗散的因素很 多，主要有：材料阻

4、尼，周?chē)橘|(zhì)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)鋼結(jié) 構(gòu)可取 0.01，對(duì)有填充墻的鋼結(jié)構(gòu)房屋可取0.02，對(duì)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?duì)于單管塔 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(duì)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(duì)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(lèi)別，阻尼比為0.010.05時(shí)，單管

6、塔頂部風(fēng)振系數(shù)見(jiàn)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(lèi)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(duì)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)阻

7、尼比，對(duì)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(chǎng)實(shí)測(cè) 2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 受中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司委托， 對(duì)松 華磊基站、顧家塘基站單管塔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。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(chǎng)Fig.2 Scene picture of Songhualei Monopole 除了對(duì)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(cè)以外，還采用同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 SVSA 結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)采集分析系統(tǒng)對(duì)該鐵塔進(jìn)行 自振特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。 測(cè)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(guò)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(cè)試可以分成時(shí)域和頻域 兩大類(lèi)。 時(shí)域方法對(duì)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(huì)產(chǎn)生一定的誤差，需要對(duì)譜圖進(jìn)行細(xì) 化，并采用時(shí)間較長(zhǎng)的采樣

9、數(shù)據(jù)。 本次測(cè)試采用半功率法 計(jì)算結(jié)構(gòu)的阻尼比。 2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 試驗(yàn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器測(cè) 得的微風(fēng)作用下加速度信號(hào)，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(jiàn)圖 3、圖 4。 圖 3 顧家塘基 站實(shí)測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表 2。 表 2 實(shí)測(cè)周期和阻尼 比Tab.2 Measured period and damping ratio 基站名稱(chēng)塔高 /m 理 論周期/s實(shí)測(cè)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(cè)周期與理論周期 比較接近，由于單管塔中天饋線(xiàn)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(xiàn)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(cè)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(cè)得到的數(shù)值，并考慮不同地貌類(lèi)別，計(jì)算松華磊基站單管塔的風(fēng)荷載。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(duì) 于 4 種不同地貌，根據(jù)實(shí)測(cè)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(cè)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(guò)， 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(huì)影響阻尼比的測(cè)量結(jié)果。對(duì)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(cè)得的阻尼比有差異，因此需要進(jìn)一步開(kāi)展大 變形條件下阻尼比的實(shí)測(cè)工作。 同時(shí)，根據(jù)本文的計(jì)算工 作，如果能夠采用簡(jiǎn)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(duì)阻 尼比對(duì)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(guò) 上海兩個(gè)單管塔基站的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了其自振周期與阻尼 比。根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，與規(guī)范規(guī)定取值進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，得 出如下結(jié)論： 1.對(duì)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(duì)兩個(gè)單管塔基站進(jìn)行微風(fēng)振動(dòng)下的動(dòng)力測(cè)試，阻尼比均明顯大 于規(guī)范規(guī)定值 1% 。 3.根據(jù)實(shí)測(cè)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(cè)；通過(guò)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(lè)，黃征.336m高電視塔模態(tài)參數(shù)實(shí)測(cè)與分析J 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001（

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