SAP2000在雙桿身桅桿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
摘 要：該文采用SAP2000軟件，對雙桿身桅桿剛性連桿連接和軟性鋼絲繩連接進(jìn)行了風(fēng)荷下的非線性受力分析和屈曲分析，文章分析比較了計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化雙桅桿結(jié)構(gòu)布局形式，為雙桿身桅桿設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：雙桿身桅桿 非線性 屈曲 SAP2000
中圖分類號：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（c）-0059-02
雙桿身桅桿是同相水平天線采用最多也是最經(jīng)濟(jì)的支持物，由兩座相同高度桅桿組合而成，在拉線節(jié)處用剛性連桿或軟性繩纜將兩桿身連在一起。雙桅桿桿身一般采用圓鋼或鋼管焊接而成，桿身上通過吊索掛接同相水平天線幕或反射幕，雙桅桿結(jié)構(gòu)布局形式見圖1。
雙桿身桅桿結(jié)構(gòu)屬于超靜定空間結(jié)構(gòu)，安全可靠性較差，只要一根拉繩的破斷或一根弦桿的失穩(wěn)，就容易引起整個(gè)桅桿結(jié)構(gòu)破壞 [1]，因此對雙桿身桅桿進(jìn)行風(fēng)荷力學(xué)分析計(jì)算，對確定結(jié)構(gòu)形式、避免事故的發(fā)生具有十分重要的研究意義和使用價(jià)值。
該文通過SAP2000軟件，對比了43.5 m高雙桿身桅桿在不同拉繩夾角、不同連桿結(jié)構(gòu)形式下的風(fēng)荷計(jì)算，分析了各種形式的優(yōu)劣，為最終確定雙桅桿結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。
1 雙桿身桅桿計(jì)算模型
雙桅桿鋼材選用Q235鋼，主柱采用φ50圓鋼，橫桿采用φ25圓鋼，次橫桿和斜桿采用φ20圓鋼，下層拉繩和曳線為φ18鍍鋅鋼絲繩，與地面夾角為45 °；上層拉繩和曳線為φ22鍍鋅鋼絲繩，與地面的夾角分別為45 °和55 °。雙桅桿之間連接形式有兩種，分別為φ22鍍鋅鋼絲繩軟結(jié)構(gòu)連接和φ159x6鋼管硬結(jié)構(gòu)連接。
本文選取的工況計(jì)算風(fēng)壓為1 kN/m2，風(fēng)向垂直于天線幕。下面對幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行風(fēng)荷受力分析計(jì)算，將計(jì)算風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為桅桿主柱、橫桿、次橫桿和拉繩的線荷載。
2 非線性計(jì)算及分析
用SAP2000軟件建模，主柱、橫桿、次橫桿和斜桿選用Frame單元，拉繩選用Cable單元，連桿分別選用Frame單元和Cable單元建模。添加靜態(tài)非線性工況，將風(fēng)荷載施加在桅桿和拉繩模型上，運(yùn)行荷載工作[3]。計(jì)算的拉繩最大拉力、桅桿的最大應(yīng)力比和最大位移見表1。通過表1可以看出各種形式的雙桿身桅桿、拉繩計(jì)算結(jié)果滿足文獻(xiàn)[4]相應(yīng)要求。
分析表1計(jì)算結(jié)果，傾角45 °拉繩的拉力大于55 °傾角拉繩的拉力，但桅桿的支座反力和桅桿的頂部撓度小，可傾角45 °拉繩的占地面積大，從經(jīng)濟(jì)成本等綜合考慮應(yīng)優(yōu)先選用傾角55 °的拉繩布局。
通過表1還可以看出在拉繩傾角相同的情況下，連接方式為鋼管的桅桿支座反力、拉繩拉力均與鋼絲繩連接方式相同，這說明在計(jì)算雙桿身桅桿時(shí)可將鋼管等效為柔索參照三方拉線桅桿[6]進(jìn)行建模計(jì)算。
3 屈曲計(jì)算及分析
由于桅桿屬于大跨度空間結(jié)構(gòu)體系，其極限承載力狀態(tài)主要由桿身穩(wěn)定性控制。桅桿結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題分為兩類，一類為分支點(diǎn)失穩(wěn)（特征值屈曲）；一類為極限值點(diǎn)失穩(wěn)。SAP2000的屈曲分析工況（Buckling）是解決第一類失穩(wěn)問題。SAP2000將特征值λ稱為屈曲因子，屈曲因子與給定荷載的乘積即為屈曲荷載。有時(shí)，也可將λ視為安全系數(shù)，如果屈曲因子大于1，給定的荷載必須增大以引起屈曲；如果小于1，給定的荷載必須減小以防止屈曲。屈曲因子也可以為負(fù)值，說明當(dāng)荷載反向時(shí)會(huì)發(fā)生屈曲。
添加屈曲分析工況（Buckling），運(yùn)行荷載工作[3]。兩種連接方式計(jì)算的屈曲因子見表2。通過表2可以看出，在連桿結(jié)構(gòu)相同時(shí)桅桿的拉線角度不同對屈曲因子影響不明顯。
選用鍍鋅鋼絲繩作為連桿時(shí)屈曲因子受鋼絲繩垂度影響較大，鋼絲繩垂度越小，屈曲因子絕對值越大。屈曲因子為負(fù)值表明
發(fā)生該階失穩(wěn)需臨界反向荷載作用。
但選用鋼絲繩作為連桿時(shí)，安裝架設(shè)時(shí)由于人為操作會(huì)影響到連桿的垂度，從安裝架設(shè)角度考慮，選用鋼管作為連桿要比選用鋼絲繩作為連桿更安全。
4 結(jié)語
通過SAP2000分析計(jì)算，雙桅身桅桿布局應(yīng)選用上層拉線與地傾角為55°、桅桿連接方式為φ159x6鋼管的的結(jié)構(gòu)形式，其安全可靠性高于45°拉線傾角、桅桿連接方式為軟結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。
SAP2000屈曲分析為特征值屈曲，其計(jì)算結(jié)果對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力進(jìn)行初期預(yù)測。若進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，還需結(jié)合其他分析功能和仿真軟件進(jìn)行綜合解決。
參考文獻(xiàn)
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[3] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南[M].中國建筑工業(yè)出版社，2007.
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[6] 王肇民.高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.
