关于单管塔优化选型探讨

hanshaojie126

单管塔计算方法有两种:一种是有限元建模计
算;另一种是自己编制程序,以结构力学中求挠度的
原理,建立悬臂梁模型,用挠度叠加法得到单管塔的
最大位移,进而与规范中的有关规定相比较并选型。
依据文献〔1〕所用风荷载计算公式:
w =βzμsμzw0
(1)式中　
w ———单管塔各段实际作用风压, kPa ;
βz
———高度z 处的风振系数;
μs ———风荷载体型系数;
μz ———高度z 处的风压高度变化系数;
w0 ———基本风压,kPa 。
在有限元计算中,单管塔的计算模型又可分为
两种:悬臂梁模型和壳体模型。悬臂梁模型是从单
管塔的整体受力特点出发,将塔体简化为线单元,单
元刚度采用塔身横截面等效刚度进行计算的。它具
有力学概念明确、计算简单、易于编程的优点,因此,
一般设计人员普遍采用这种模型。
壳体模型是从单管塔的局部受力特点出发,对塔
体进行实体建模,沿塔身方向及横截面方向均匀划分
单元。它更符合单管塔的实际受力和变形情况,计算
结果从理论上来说也更准确。但在实际建模时,是以
内接多边形拟合塔身的,如果多边形的边数不够多,
其计算精度反而不如悬臂梁模型,且无论是编程还是
计算,工作量比悬臂梁模型都大得多〔2 ,3〕。
单管塔的最大位移主要是由其底部直径、顶部
直径以及工艺要求决定的,壁厚所起的作用较小。
其选型是一个在满足刚度和局部稳定条件下如何使
塔体重量最小的问题,选型的途径就是调整单管塔
的底部直径和顶部直径。
本文针对三平台单管塔,系统地进行了基本风
压为013 、0135 、014 、0145 、0155 、018 、110 kPa 作用
下,高度25 、30 、35 、40 、45 、50 、55 、60 m 的单管塔选
型计算。其中平台宽410 m、高112 m、间距6 m ,如
图2 所示。风荷载计算公式中,各项系数的选取采
用《建筑结构荷载规范》( GB50009 - 2001) 中的有关
规定。
图3 中单管塔质量仅
指塔身质量,不包括法兰、爬梯、平台及避雷带的质
量。由图3 可以看出,45 m 以下单管塔的质量对风
压不敏感,在任何风压下都是经济的。45 m 以上的
单管塔对风压比较敏感,如60 、55 m 高的单管塔在
0155 kPa 风压时的质量比0145 kPa 风压下的分别
增加了4146 t 、3117 t ,远超过平均增加117 t 的水
平。由此可知,在0155 kPa 风压以上,不适合建造
高度大于50 m 的单管塔。
45 m 以上的单管塔不仅塔身质量对风压敏感,而且
由于底部剪力、弯矩对风压敏感,造成基础成本增加
很多,总造价增加得更多。同时,当底部弯矩大于
4 000 kN·m时,较大的地锚螺栓与塔身距离过大,
导致法兰与塔身连接处受力不合理,给单管塔的安
全埋下隐患。因此,从构造上来说,在底部弯矩大于
4 000 kN·m时,不宜做单管塔。
高耸结构所受的主要荷载是动力风荷载,为了
了解结构与风荷载的共振情况,避免在随机动力风
荷载作用下结构出现不利响应,应该用Davenport
谱模拟随机风荷载时程,再进行谱分析〔1〕。但由于
动力计算工作量大,计算复杂,所以常规设计中仅进
行结构的拟动力计算,即通过风振系数βz 将动力荷
载转化为静力荷载〔1〕。为从整体上把握动力问题,消
除隐患,可从结构自振周期着手,了解结构共振情况。
1) 在风压大于0155 kPa 时,不适合建造高度大
于55 m 的单管塔。
2) 高度45 m 以下的单管塔对风压变化不敏感,
塔重基本按风压变化均匀增长。
3) 由于单管塔的自振周期比较小,一般可不考
虑单管塔与风荷载主频的共振效应。