李 刚 陈太平
(南京基久网络科技有限公司，江苏 南京 211800)
1 概述
通信铁塔是我们生活中最常见的铁塔结构，铁塔结构为通信覆盖和网络的发展提供了很大便利。不同于输电线路上的输电铁塔，通信铁塔在建设上和使用上一般是独立的，不依赖于除支撑它的基础外的其他周围环境。占地面积较小，塔身高度较高，应用上非常便利，应用非常广泛，是目前通信覆盖最主要的配套设施。
通信铁塔作为网络信号覆盖的关键设施，通信铁塔的结构特点为有较高的高度、较轻的自身重量、较小的刚度以及细长的外形。这些结构特点决定了通信铁塔的控制荷载为风荷载。
通常的铁塔设计是根据规范规定的基于概率论的承载能力极限状态设计方法，保证了结构可靠度的要求。本文在常规设计的基础上，分析铁塔结构的承载能力，考虑在充分利用材料性能的基础上，结构所能承受的最大荷载，以及所能承受的最大荷载与常规设计荷载的偏差。在此基础上，分析结构破坏状态时的形态，破坏时的局部应力应变，全方位的分析单管塔结构在极限状态下的情况。
2 模型选取及建模过程
2.1 原型结构模型介绍
为了利用有限元软件对铁塔结构进行分析，本文选用了《通信铁塔标准图集V1.3》中编号为DGT(Z)-30-0.35-3ZJ的铁塔作为分析模型。此模型为30 m单管通信铁塔，设计基本风压为0.35 kN/m，包含三层支架，每层支架上挂载3付通信天线和3付对应的RRU设备，挂高分别为28.5 m,24.5 m和21 m。塔身结构分三段拼装，分段结构信息见表1。
表1 塔身分段信息
2.2 SAP2000单管塔模型建模过程
SAP2000软件是常用的结构设计软件，常用来进行结构的有限元分析。模型中采用变截面单元模拟钢结构铁塔杆体单元，为考虑不同段杆体壁厚的不同，采用三段构件拼装成整个铁塔杆体。
铁塔杆体材料选用国家标准钢材Q345B，材料的设计强度为305 MPa，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3；杆身采用结构自动分段方法划分分析网格。
2.3 ABAQUS单管塔模型建模过程
不同于SAP2000软件的结构设计过程，ABAQUS软件对个别部位和特殊截面的应力应变分析，ABAQUS软件中同样采用三段构件拼装成整个铁塔杆体，每段钢构件均采用钢材钢管。
ABAQUS软件需要自行定义材料本构，本文定义钢材本构为理想线弹性模型，为了与SAP2000模型分析结构对比，ABAQUS本构定义屈服强度为305 MPa，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。
模型采用三维六面体减缩实体单元C3D8R，该单元为各向同性的，符合钢材的受力性能。为了精确的分析结构特殊部位和截面的性能，网格大小为50 mm，单管塔分析模型见图1。
模型建完后，根据相应《建筑结构荷载规范》的相应规定，计算塔身所挂设备所受到的风荷载和重力荷载，施加在铁塔相应的位置处，经计算得到的风荷载和重力荷载如表2所示。
表2 塔身施加荷载标准值
3 模型分析结果对比
3.1 SAP2000模型计算结果
通过SAP2000模型的分析，得出了结构模型的计算结果，包括轴力、剪力、弯矩，以及塔顶位移值。结构内力图见图2，塔底内力值见表3，塔底轴力值为33.57 kN，塔底剪力值为11.68 kN，塔底弯矩值297.3 kN·m；塔顶位移值为629 mm。
表3 塔脚内力标准值
3.2 ABAQUS模型计算结果
通过ABAQUS软件对铁塔结构的有限元分析，得到了铁塔结构模型的应力云图和塔身内力值，见图3，包括轴力、剪力、弯矩和塔顶位移值。塔底内力值汇总于表3，塔底轴力值为35.60 kN，塔底剪力值11.69 kN，塔底弯矩值293.6 kN·m；塔顶位移值为645 mm。
从表3中可以看出，两种模型的铁塔内力值相差不大，剪力、弯矩、位移值相对偏差都在5%以内，轴力相对偏差为6.05%，也在合力范围之内。说明两种模型在铁塔分析结果上基本相同，相互验证了两种模型的准确性。
4 承载能力分析计算
一般的铁塔设计是基于概率论为基础的极限状态设计方法，采用分项系数法考虑结构的可靠性能。结构的可靠度要求使得铁塔材料的性能没能充分的利用，本文根据钢材的标准强度值，研究铁塔的实际承载能力。
本文研究铁塔采用Q345B钢材，材料屈服强度标准值345 MPa，强屈比按照规范要求的1.25取值及受拉强度标准值为431 MPa。
材料本构关系采用线性强化模型，考虑到极限状态下钢材会发生断裂，钢筋单轴应力应变曲线采用如图4所示的本构。
4.1 承载能力分析计算
图5为单管塔承载能力分析结果图，从图5a)中可以看出，此结构的应力最大值并未出现在结构底段的塔脚部位，而是出现在中段下部部位，在结构达到承载能力极限状态时此部分网格已经达到抗拉强度，发生破坏；从图5b)中可以看出，最大位移发生在塔顶位置处，但是由图可以看出，塔身变形曲率最大的位置还是在中段塔身位置处。
从图5c)和图5d)中可以看出，底部塔段的弯矩值为1 130 kN·m，由于中部塔段和上部塔段的壁厚相同，此处只列出了塔段中部的弯矩值，为673 kN·m。由此可以看出，在充分考虑钢材性能的情况下，结构的承载能力大大增加，也就是说，在降低可靠度的情况下，发掘材料潜能，能够发挥更大的性能。
4.2 荷载位移曲线分析
图6为ABAQUS模型分析得到的荷载位移曲线，从图6中可以看到，铁塔结构在刚受到荷载作用时，位移均匀增加，荷载和位移成线性增长趋势；随着塔身变形的增加，荷载增长逐渐变缓，由弹性变形变成塑性变形，荷载增长不大，位移大幅度增长。直到荷载不再增加，结构破坏。期间最大荷载为38.99 kN。
4.3 应力应变分析
图7为塔段底段下部和中段下部应力曲线，由图7可以看出，随着塔身变形的增大，两个部位的应力均逐渐增大，不同的是两个部位的应力变化曲线不尽相同，底段下部的应力呈现两端曲线式变化，虽然两段曲线的变化斜率不相同；中段下部的应力则不同于底段下部应力变化，整个过程呈现曲线变化，刚开始应力随塔身变形逐渐增大，增大到278 MPa后又开始逐渐下降。
图8为塔段底段下部和中段下部应变曲线，由图8可以看出，塔段底段下部和中段下部的应变变化不同于应力变化趋势。两个部位的应变均逐渐增大，不同的是两个部位的应变变化曲线不尽相同，底段下部的应变呈现两端曲线式变化，虽然两段曲线的变化斜率不相同。
应力曲线图中第二段曲线斜率小于第一段曲线斜率，而应变曲线图中第二段曲线斜率大于第一段曲线斜率；中段下部应变变化则与应力曲线变化趋势相同，整个过程呈现曲线变化，刚开始应力随塔身变形逐渐增大，增大到峰值后又开始逐渐下降。
分析图7，图8可以得出，由于中段下部先于底段下部发生屈服，造成整个塔身的屈服，塔身发生屈服后，塔身整体的变形主要集中在已经发生屈服的中段下部部位，塔身别的部位的受力反而减弱了。
5 结语
本文利用国外目前认可有限元SAP2000软件和ABAQUS软件对塔身进行了设计分析，得出了塔身内力和位移值。得出以下结论：
1)ABAQUS软件分析结果与SAP2000软件对单管塔的分析结果除塔身轴力偏差为6.05%外，其余结果偏差在误差范围5%之内，说明国外常用ABAQUS软件可以同目前国内常用SAP2000一样，可以进行铁塔结构有限元分析；
2)在充分考虑材料性能的情况下，铁塔能够承受的荷载可以大大增加，也就是说铁塔结构的极限承载能力可以达到38.99 kN，是原设计荷载11.68 kN的3.34倍；
3)由于本铁塔结构壁厚不同的原因，结构破坏发生在中段下部部位，未发生在弯矩最大的底段下部位置；且中部位置发生破坏后，结构的变形主要集中在已经发生破坏的部位，其他部位的受力相对减弱了。
