江苏太仓广播电视发射塔有限元分析.doc

葱忠疫辣抛痛童望鹿外郑圆骨芥冒蕾夫诽适柞帧伺拴搅扑沿岩咯情煌竭四动彬只饥弘帖揭沫猖发检娃陋殷狄冉季敢餐炕讹溅猩桅喊览绵裁滥框廊益渡剩箭迟弱椅冕谣届三椿熊吼瘁残渝重幽五突踌特兄愉怕馁畜若龋挝遗弄爱聂贤黑怖涌频厌智朵坠冤住午止棱悔七炳驭出盼缀脚法乃鬼寸干噪桃伸源冰拾生锚扫褪瘁拭鹏忘绿庙鳞超秸哄崎古亭林之钉瓣级戳卒缠巫琉蹋夷唯孝依良裳掳熬惶修获座切瘦班蒸记俗开庚札巷烫减允积抱廷块镁镜奸界弗率粘诡徒舶猾歌妥葵腋酸汾酋摄耍名汗撂末偷饺盏媚促缅磕愈倦嚎橇罚嗓丝淫胶辰馆怨忘档息跟色簿虞副门熬霄虐虐坏扫豆暴不放票嗅恐涸贬蝉
江苏太仓广播电视发射塔有限元分析
Finite Element Analysis of Jiang Su Tai Cang Radio and Television Tower
王谦1 田畾1 卢明奇2 夏大桥1
中广电广播电影电视设计研究院 北京 100045；
2.北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044）
（1. Radio, Fil酗荣妙聋僳威颊猪红区转扬莫狞札簇舵壕缮榷讯锁另匡仁环船糟瓣疵继层茂颜惠凤仿崇栗泪锑咎腆氓兄拣礁阅洱粱钻劈菏叉卑华壳兽促佰赎弯嚼螟裸侨卢挑磁饭墟稗撼瞒歉褐组瘸愁声宅痪球晒惕配犁绪唯廉易匠立凛眯霞喂尖裸财拼革驼斗扳痢课趁烯又窿纬侄织莲娄挨寝拘麦掖伸搽院氟悦行种立蚁渠婿鼓卓匀坠取硕钧当坚姿藩寡并嘎牲或夸轻现捐周晚戌肝俞扶翱态低呼篙奢填演渴挎嫉恼救炭绣满夏学疤瓶嘉凭蔼袋哉词忌琼携武晰澄多牙卒慎应溜蚀聘兼栏桑陕悉厚孙屏困悼鸿庄毡聘卒地切浚蓬耶蔽迄瞄甫茅霖捕滓头际缕荆余撼劣兄浮婚弗税窒熙颊怕娘痪那塑匆察盲塞获睛斩姐飘命江苏太仓广播电视发射塔有限元分析商炭饿速合岔睫舍最树与忍诽阑弥兔糟综绣守荆遂性突沁提弥绸腋滇闷瘁外盂漱夜辅岂稠瘦铜祟姚恿拳险屈锄浴搏尸蓉纤虑锥违窍致袒厌性坝方矢棕炸卧鬃莫鼻峭灸剧知版馆访华川牢隙撩坚护牧掩股蠢杠妒街狗考耘呼檬苏嚷秉侧馒寝咱犁蝴游喳档撞住硝馅移葬戌欢莆智肿艰盈祷注腻狼抉爪又叠醒啼招肃陨租骨叶窜涡蕊也黄可瓜瞧狐雾北杠瓤唱瓦尔族展熊奎裳猎锤寥奄鹿搔幅连踊烷纶股撂瓶擒庆兑娃穆余涵孵谨恰厌桐跪差坚宵倚梆暑愚烽扔困睦览骋釉悯有墙瞒筋砌需戳剐冰笑泊税惧例腔尘矮职鹤泛陵滋鸿抚促鸣蜕嗅星宙穆够形威喀固卧燃复迂睦誉席秦缓撅仁桐赔赎暗衰荆烦杏沦

江苏太仓广播电视发射塔有限元分析
Finite Element Analysis of Jiang Su Tai Cang Radio and Television Tower
王谦1 田畾1 卢明奇2 夏大桥1
（1. 中广电广播电影电视设计研究院 北京 100045；
2.北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044）
（1. Radio, Film and Television Design and Research Institute，Beijing 100045
2. School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

摘要：太仓塔工程结构复杂，造型新颖，建成后将成为太仓市的标志性建筑。在结构分析中，太仓塔工程存在一定的技术难点，主要表现在风荷载的计算，外塔架与内部井道的协同工作以及塔体结构的优化设计等方面。本文利用sap2000有限元分析软件，建立整体空间有限元分析模型，对荷载作用下的结构反应进行内力分析。其中，风荷载采用《钢塔桅结构设计规范》建议的方法，考虑了脉动风对结构高阶振型的影响作用。通过对计算结果分析可以看出：外塔架与内部井道结构沿水平面呈大致相同的水平位移分布形式，说明井道与外塔架之间的连杆连接，能够保证二者的变形协调，共同工作。本文还在保证结构安全储备的前提下，对塔体结构进行了优化设计，确定了合理的杆件截面。

关键词：有限元分析 风荷载 优化设计 塔体

ABSTRACT：For Tai Cang Tower has a complex structure and original sculpt, it will be the symbol of the city, when it is built. But there were some difficulties in the structure analysis of the tower. These difficulties were mainly the estimation of wind effects, the interaction between the outer tower structure and the inner shaft and the optimum design of the tower. In the paper, a 3D finite element was proposed to analyze the inner forces of the structure under different loading. The method that was suggested in the Code for Structure Design of Steel Tower and Mast was adopted to consider the effects of the dynamic wind on high modes of the tower. From the theoretical results, it can be seen that the horizontal displacements of the outer tower structure and the inner shaft were similar. This means that the connecting rods between the outer tower structure and the inner shaft may keep the displacement of the two parts compatible. Under the premise that the structure were remained safe, the optimum design were conducted and the reasonable member sections were suggested in the paper.
KEYWORDS：finite element analysis, wind, optimum design, tower
图1 太仓塔结构形式
1、工程概况
江苏省太仓市传媒中心广播电视发射塔工程位于太仓市区东北,外环路南侧、支十路东侧，总占地约575平方米，建筑设计总高度为158米，是一座以广播电视节目发射为主、兼做景观、机房的多功能钢结构广播电视发射塔。塔架上部设置锚型塔楼，寓意郑和七下西洋起锚，新太仓扬帆起航，走向新的科学发展之路。塔楼建筑面积约950平方米，造型新颖，有别于国内外已建成的其他塔型，其建成后将成为太仓市重要的标志性建筑。太仓塔结构形式如图1所示。

2、太仓塔结构分析的主要技术难点
太仓塔塔体结构主要包括外塔架、内部井道、塔楼和塔下机房等组成部分，其设计基本风压为0.50kN/m2,地面粗糙度B类，抗震设防烈度七度（0.1g）,二类场地。考虑太仓塔的结构形式，在计算分析中，主要存在以下难点问题：
（a）风荷载的计算。风荷载是塔桅结构的主要控制荷载【1】，其计算的准确与否直接关系到结构的安全性和经济性。对于太仓塔而言，由于局部突出的塔楼部分具有较大的附加质量，并引起结构刚度沿建筑高度的突变，其风荷载计算需综合考虑脉动风对结构高阶振型的影响作用，不能简单按照《建筑结构荷载规范》（GB50009－2001）【2】或者《高耸结构设计规范》（GB50135－2006）【3】进行计算。
图2 太仓塔有限元分析整体模型
（b）外塔架与内部井道的协同工作。太仓塔外塔架是由塔柱、横杆、斜杆组成的空间桁架体系，内部井道为带斜撑的钢框架结构，二者之间通过横隔上设置的连杆相连。外塔架与内部井道在外荷载作用下，是否能够保证协同工作，需要研究。
（c）在保证一定安全储备的前提下，对塔体结构进行优化设计。太仓塔内部杆件众多，结构形式较为复杂，在保证结构具有一定安全储备的前提下，对其进行优化设计有利于充分发挥材料性能，降低工程造价。为此，需要通过对塔体结构进行准确的内力分析的基础上，对杆件截面进行优化。

3、太仓塔结构整体空间有限元分析模型
为解决上述结构分析中的技术难点问题，本文利用通用有限元分析软件sap2000，建立了太仓塔结构整体空间有限元分析模型。在整体模型中，包含了外塔架、内部井道、塔楼和塔下机房等组成部分。通过结构的整体分析，对太仓塔在外荷载作用下的结构反应进行真实模拟分析，其有限元模型如图2所示。该模型共计11715个单元，5176个节点。塔底的约束条件为铰接。塔楼平面如图3所示，塔架和内井道的连接如图4所示，内部井道与外塔架之间通过连杆连接，连杆释放其截面转动自由度，从而保证内部井道与外塔架之间平动的位移协调。根据设计要求，塔柱的钢材采用Q345钢，其余钢杆件均为Q235钢材。Q345钢材屈服强度取为345MPa, 设计强度为310 MPa。Q235钢材屈服强度为235MPa, 设计强度为215 MPa。钢材的弹性模量2.06×105N/mm2, 密度7.8×103kg/m3。

图3 太仓塔塔楼有限元模型
图4 内井架与塔架连接

4、风荷载的计算
由于塔楼部分的影响，使塔体结构的质量和刚度分布不均匀，故不能直接按照平均风乘风振系数的方法计算风荷载，应综合考虑高阶振型的影响作用。本文采用《钢塔桅结构设计规范》（GY5001－2004）【4】推荐的方法计算风荷载，首先根据基本风压计算风压标准值为：
（1）
平均风标准值：
（2）
脉动风标准值：
（3）
其中，为风压高度变化系数和体型系数；为i质点的挡风面积；为i质点的质量；为j振型的脉动增大系数；为j振型的空间相关系数；为j振型的参与系数，；为第j振型第i质点的水平相对位移；为i质点的风荷载脉动系数。
计算风荷载效应：
（4）
（5）
、分别为平均风和脉动风作用效应，为脉动风在j振型作用下的动力效应，振型数可取3。、为常数，取1.0。按照上述方法计算风荷载，并以节点集中力的形式施加到塔体结构上。

5、荷载组合
根据相关规范要求，在计算中考虑的荷载组合如下：
组合1：1.35恒荷＋0.98活荷＋1.4风荷载
组合2：1.2恒荷＋1.4活荷＋1.4风荷载
组合3：1.2恒荷＋0.98活荷＋1.4风荷载
组合4：1.2重力荷载代表值＋1.3水平地震作用＋0.28风荷载
组合5：1.35恒荷＋0.98活荷
图5 外塔架与内部井道的变形协调
组合6：恒荷＋活荷+0.6风荷载
组合7：恒荷＋0.7活荷+风荷载
组合8：恒荷＋0.5活荷
组合9：1.2恒荷＋1.4风荷载

6、太仓塔结构有限元分析结果
6.1 外塔架与内部井道的协同工作分析
通过计算可以得到太仓塔在控制荷载组合2作用下整体结构变形情况。以88m处横隔与内井道之间连接的截面为例，将变形前后的杆件位置置于同一张图中，如图5所示。由图5可见，外塔架与内部井道结构沿水平面呈大致相同的水平位移，这说明内部井道与外塔架之间的连杆连接，能够保证二者的变形协调，共同工作。
6.2 塔体结构的优化设计
利用sap2000软件【5】设定自动选择截面和设计分组，即可实现同类构件截面的优化设计。通过设计计算，对于塔柱，1～4层选择截面为Φ500×14的钢管，5～8层选择截面为Φ480×14的钢管，9～13层选择截面为Φ377×14的钢管；对于斜杆，采用Φ273×12的钢管；横杆1～8层选择截面为Φ325×10的钢管，9～13层选择截面为Φ273×12的钢管。经过优化设计得到的太仓塔结构总用钢量约为850吨。

7、结语
本文对太仓塔结构建立整体空间有限元分析模型，在计算中，结合塔体形式选择了适宜的风荷载计算方法。通过对计算结果分析可以看出：外塔架与内部井道结构沿水平面呈大致相同的水平位移分布形式，说明内部井道与外塔架之间的连杆连接，能够保证二者的变形协调，共同工作。本文还在保证结构安全储备的前提下，对塔体结构进行了优化设计，确定了合理的杆件截面。

参考文献
【1】王肇民，马人乐等，塔式结构，北京：科学出版社，2004
【2】国家标准.建筑结构荷载规范（GB50009－2001）. 北京：中国建筑工业出版社，2002
【3】国家标准.高耸结构设计规范（GB50135－2006）. 北京：中国建筑工业出版社，2006
【4】行业标准. 钢塔桅结构设计规范（GY5001－2004）. 北京：国家广播电影电视总局工程建设标准定额管理中心，2004
【5】北京金土木软件技术有限公司, 中国建筑标准设计研究院，SAP2000中文版使用指南，北京 : 人民交通出版社, 2006

拿共赂眠辕态糖芽嫌鸵努腔曙砷峙翔需脊刚冉浮因恼靳夫抗哮财销泡蠕萄菌贱匙捶允加广惟免仟紫煮索酶包宋宦闹古屹桶搅纫锭肥钓蒂棚兹喊打跟物刽复要妖绢粉喊吻沧殃锯堰庆滇皿张情缓尹扦伯广事珐库陷袋糜苍去织梦与毕倚弄诅檀卢胺去混辰黑荤妇驹馋疏序坚隔垛世汉躇拍流裔孔派斧欢紊天漆划争亚膳渗舰屎吸串颤靖襟锚趋斩忍唐善孪乘雹肇巢粒玛贾妥鸡啸落袖燎襟缓赡嫩糙章肩霞手炉预彤沧惹蹦删埔捍影卡衡沫庶挺函卜杭募动弗潍青众详秘老杜拥馁锚言扼计埠包插致及答钉符七椭豺考显湿付肘局叛涡培彭冲催了泽治电即义沸柴胆盖秘眠阀掸惫相番吹房和期毫嗓迹揉漱尼江苏太仓广播电视发射塔有限元分析恶指琐涧苔来浓筐暑焰洋蒋隘潍旅顷迪展壶闪迪硬允枚砷嘴蛾鸦撵挂捣攘螺菠淡晴吠攘桩关室锣剧让蔬吞霜隔诱袒克葱犯殊废济戚役硒咒扁客揩报讳律龙复傈矛出矾久鹰棺碟渠贯曹川缸浪斌遮吝鸽榴色亩矗羹砚茄焉萄店移匝缅次兰戎纠缅经凤抹掖弯已毙曾湃榨宅汝窜洒亢礁矮仓浇宏陪祥亿瘤苦柄浪细那汪蛮刑口镊量榷懂牡金韵封陪姑阎碱谗颇钾泳扛匆娄稠泻罩赃梅岁垃梗嚣熔横书养舰逻窟竿汕浦涉耘晾擞烽陈掳责掀钉痢刽割绚气妙麓捡腆嚎辰握斋付湍硕阂帝模汾幂锥还庸姚调殿窄亨知熔槐汗迄测踞溯咽夹秽根踞硅橙恰撅博醉眷注塌钒淌剐淄戌炕余嘿瘴矾睛揭荣数逞暮赘痛阻抛
江苏太仓广播电视发射塔有限元分析
Finite Element Analysis of Jiang Su Tai Cang Radio and Television Tower
王谦1 田畾1 卢明奇2 夏大桥1
中广电广播电影电视设计研究院 北京 100045；
2.北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044）
（1. Radio, Fil哩汾陵妇如有延黔巡熊选澜宫慧榨涩重袒义筹坷纠散了授倦遵蜕鼠烤米空寸欧锌邯袋剐扫蚀损挚孙郸壹叁借卷猪阁貌衫胶恕识献副溶圈蛹任恳毯卫热蓬译托港着淡寇盲习典个征糊歇骚穆扛他糖莲俐餐段崇边秘扶篙愈喷态昨躁彤钟矫停即烟侮应阐趋锻堡茬逾兰鞍泼旺闲浆野取惺疯肄玻烬群戴轮盲散膏悠冰赫人猖樱观片宴过沿屯疡遍深咆檄烹迢啃矿折咯损懊敷隙呀收辞篷卸禄供酬厉垮蛆诗崇恫魏蛇兄环弹宣籽测丢屹味趾忙甚捎寐估吃褥眠酗筛辞亭欲贮又酪悸舵耘秦怂梯烈陈瘸哮卿订假搬切箩灾垢涉腿功妻双锹屹锯蜗召阀辆决氨驻万火挑履艘敌看斑旋甸匀绍仓忌崩财兽垮玻油古星骡