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不弃点滴:钢塔结构设计与仿真计算

5年前浏览3118

本文以钢塔结构为例,简述其结构形式、受力特点和设计原则,探讨结构计算中大型有限元分析程序可能的应用方向。

一、塔结构的基本特征及设计原则:

塔结构是一种高耸结构,其基本特征是高度远大于横截面尺寸,横向水平荷载起决定性作用。

鉴于塔结构的这个特点,在设计中应当将风荷载作为主要荷载。由于风荷载与结构高度、横截面尺寸以及形式等诸多因素有关,因此合理确定结构的建筑图形及几何尺寸,正确选用构件截面和构造方案是钢塔设计的一个重要环节。选择结构形式时,宜作各种结构方案的技术经济比较,以求节约材料,降低造价。减少风荷载对节约材料有重要意义,应尽量采用具有最小风压值的截面,尽量简化构造,减少迎风面积,使得结构所受的风荷载降低到最低限度。

钢塔结构设计的其他主要原则还有:满足建筑及功能要求,保证结构的强度、刚度和稳定,便于安装及维护等。

二、钢塔结构设计中若干概念问题的理解

1、多边形塔边数与用钢量的关系

一般情形下,塔架截面边数越多,所用钢材也越多,这主要是由于以下的原因:

塔架受力状况与悬臂梁相似,多边形截面一定有塔柱靠近中和轴而不能达到强度极限的情况;

塔架边数越多,用于节点板的材料增多,挡风面积也随之增加,风荷载也就越大,材料用得也越多;

塔架边数越多,用以维持截面几何稳定的横隔材料也越多,仅仅构造需要而不受力的构件也越多。

2、塔架结构自振周期经验公式与模态计算

塔架结构自振周期估算可按如下的经验公式:

无桅杆:T1=0.01H(sec

H为塔架的高度,单位以m计算;

有桅杆:T1=0.01H1+0.03H2

H1H2分别为塔架高度和桅杆高度,以m计算;

由这个公式可知自振周期与高度之间有着某种相关关系,事实上,T=2π√m/k=2π√mδ,kδ分别为结构的刚度和柔度。一般地,结构高度越大就越显得纤细,即柔度越大,因此可以直观的判断其自振周期也越长。

当然,结构自振周期的精确值可通过ANSYS程序计算,但是一些经验公式也能够快速给出很好的估计值。

3、塔结构减振与TMD 

TMD即调频质量阻尼器(Turned Mass Dampers)的英文缩写,这种装置主要靠质量的惯性对结构施加控制力而起到减振作用。最早在建筑物顶部装置大型TMD来减振的是悉尼电视塔,采用靠近塔楼顶部的水箱作为第一级TMD,建成后通过实测分析证实水箱TMD对于第一振型的阻尼有显著的增加。我国的东北黑龙江电视塔在设计中也采用了这种减振方法。

这种把水箱包括在TMD中的做法也应用于许多高层建筑,提高了结构的有效阻尼,从而使侧移大为减少。这方面的实例很多,在复杂结构计算中也不乏采用ANSYS进行瞬态时程分析的案例。

三、钢塔结构体系及构造

塔架结构受力状况类似于悬臂梁,根部弯矩最大,因此理想的立面形式为抛物线型。但由于制造安装等各种因素的影响,不可能作成理想抛物线,所以一般采用近似抛物线的折线型立面。

塔架的平面形状一般为正多边形,以塔柱作为多边形棱台的棱,塔柱截面多采用钢管,因为钢管刚性好,造型美观。

塔柱之间设置有横杆、斜杆以及再分式腹杆,分段支撑塔柱,并分担平面内的部分水平剪力,与塔柱一起构成整个钢塔的结构体系,同时也起到减小塔柱计算长度的效果。

对于多边形的塔架,为了保证截面的几何不变性及塔柱有好的工作条件,还须设置一定数量的横隔。如塔架中有电梯,则电梯井道用横隔与塔身相连系,每隔一个节间设置一道横隔。若无电梯井道则可隔几个节间设置一道横隔,但在塔柱的变坡处必须设置一道横隔。

除了上述构造之外,塔架上还常设置用于工艺、了望、餐厅等平台与塔楼,塔楼形式可分为圆盘形、球形及下塔身的“田”字形等。在各种形式的塔楼中以圆盘形塔楼最为常见。这种形状的塔楼风阻力小,使用较为合理。其结构体系通常采用射线状分布的悬挑桁架为主体,受力明确,制作安装便利。

钢塔的这些体系构造其实涉及到结构的强度、刚度和稳定性,属于概念设计的范畴,后续详细设计阶段还需要通过ANSYS等软件进行全面的结构计算来论证和校核。

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首次发布时间:2019-04-30
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尚晓江
博士 | 博士 技术专家 海内存知己,天涯若比邻
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