高耸桁架结构动态特性的研究.pdfVIP

23.高耸桁架结构动态特性研究 卢立飞 刘晓平 （北京邮电大学自动化学院 北京 100876） 摘要：本文利用有限元软件ANSYS 对高耸空间桁架结构进行建模，并对其动态特性进行了仿真分析，研究 其结构设计的科学性与合理性问题。论文以通信塔为研究对象，建立了六种相似的空间结构模型，对比分析 其动态特性，为确定较为科学合理的结构设计提供指导意见。 关 键 词：高耸桁架结构，结构设计，动态特性 23.1引言 高耸结构是指其横截面尺寸远小于高度的细长结构，具有高度高、重量轻、刚度小、外形细长等特点， [1] 其高度可达几百米，长细比可达几十甚至上百 。高耸结构也称为塔桅结构，一般可分为自立式塔架结构 和拉线式桅杆结构，广泛应用于广播电视、通讯、电力、交通、冶金、航天、环保、石油、化工、旅游及 市政工程等领域，在生产和生活中发挥着重要的作用。通信塔是一类应用广泛的典型高耸塔架结构。本文 以通信塔为例，采用有限元软件ANSYS 对其桁架结构进行动态特性仿真分析研究。 23.2研究对象 通信塔结构一般为空间桁架塔、单管塔和拉线塔，但无论哪种结构形式，其动力分析都是多质点层间 [2] 弯剪模型 。本文以某通信塔为研究对象，其模型结构如图 1 所示。由该三管塔模型可以看到，主体塔身 分为两种桁架结构，上部为双斜杆结构（如图2a ），下部为双斜杆加辅助杆结构（如图2b ），二者比例为5： 3 。本文在不改变三管塔塔身高度和底部根开的情况下，将上下部不同桁架结构所占比例进行调整，使塔 身的空间结构发生改变，并以此建立不同的有限元模型，对各个模型的动态特性进行仿真分析与比较研究。 (a) 双斜杆结构 (b) 双斜杆加辅助杆结构 图1某三管塔模型 图2塔身结构 23.3结构动态特性研究 23.3.1有限元模型的建立 该三管塔在结构上，主柱材料为无缝钢管，其他腹杆为角钢，材质为不锈钢和普通碳素钢。连接形式 为螺栓和焊接，这里把所有连接点简化为有限元结点。所有构件主要受力为拉压弯扭，故采用梁单元 BEAM189 进行建模分析，如图 1。所建三管塔的动力分析模型是多质点层间弯剪模型，为了分析研究通信 塔结构设计合理性的问题，在图 1 所示模型的基础上，对塔体进行分层结构变化处理，建立了六个模型。 某三管塔的双斜杆加辅助杆结构所占高度为 18m，所建的六个模型分别选取塔身下部双斜杆加辅助杆结构 的高度为0m、6m、12m、18m、24m 、28m 的空间结构，其结构分别如图3 所示。以此分别对其动态特性 进行仿真与分析。 (a)模型一 (b)模型二 (c)模型三 (d)模型四 (e)模型五 (f)模型六 图3 三管塔结构改造模型 23.3.2塔体的模态分析 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械 结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。针对塔体在坐标系中振型变 化，本文对六种模型分别进行模态分析。利用ANSYS 对模型进行模态求解，取前四阶固有频率进行分析 比较，其所得数据如表 1、2 所示。其中，表 1 为坐标x 方向弯曲振动所对应的固有频率，表2 为坐标y 方向弯曲振动所对应的固有频率。从表 1、2 中可以看到，随着双斜杆加辅助杆结构所占高度的增加，塔 体刚度增强，第一阶固有频率也不断的变大，图4 为x 方向振动第一阶固有频率的变化情况。同时，从表 1、2 中还可以看到，随着刚度的增加，前四阶共振的频率范围在变小。刚度越大，前四阶共振频率范围在 缩小，这对于结构避开前四阶共振频率是有利的。第一阶固有频率变大和前四阶共振频率范围变小，对于 塔体避免发生结构共振是有利的。 固) 模型固有频率 模型固有频率 阶 z 1.3