（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

隨著用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息需求量的增加和需求質(zhì)量的提升，需要不斷提高網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的緊密程度，不斷加大網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投入，傳統(tǒng)基站建設(shè)需要進(jìn)行地勘及土建基礎(chǔ)施工，且塔體和機(jī)房分開(kāi)，塔體自身也需要分成多段運(yùn)輸?shù)桨惭b地點(diǎn)，建設(shè)成本和周期較長(zhǎng)，拆遷、搬運(yùn)不便[1-3]。新型的一體化通信基站基于功能性需求的方法設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的通信基站塔體和機(jī)房是連為一體，其塔體自身、塔體和機(jī)房之間可以通過(guò)自行折疊及展開(kāi)擁有運(yùn)輸及運(yùn)行兩種方式。通過(guò)建立一體化通信塔的ANSYS模型，對(duì)通信塔進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析。

1 一體化通信基站的基本組成

一體化通信基站主要包括通信機(jī)房、塔體、鐵塔支撐、機(jī)房底座，以及升降塔控制裝置。配備不同的通信設(shè)備后，可滿足相應(yīng)通信需求。塔體為套接結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)升降功能。升降鐵塔由基節(jié)、次節(jié)和未節(jié)通過(guò)相互之間設(shè)置的升降裝置依次聯(lián)接構(gòu)成。其中基節(jié)、次節(jié)和未節(jié)分別由封閉式金屬結(jié)構(gòu)或桁架式金屬結(jié)構(gòu)制成。升降裝置由鋼絲繩、卷?yè)P(yáng)機(jī)及滑輪組成，鋼絲繩一端固定于基節(jié)，然后依次繞過(guò)固定在次節(jié)上滑輪和在基節(jié)上滑輪后，另一端與固定在基節(jié)上的卷筒相連；其它節(jié)段按此理依次纏繞，即可完成同步升降操作，塔體通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、以及滑輪系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)自立和升降。

2 一體化通信塔ANSYS建模

目前，有限元分析法是對(duì)高聳鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和理論研究的首選方法。單管塔受力特性主要與塔的材質(zhì)、塔身高、塔身斜率及塔身截面類型有關(guān)[4]。通信塔筒身材料采用Q345鋼，連接選用4.8級(jí)螺栓連接，塔身高30 m，避雷針長(zhǎng)度為2 m；塔身的斜率為1.7%；塔身截面為正三角形。由于通信塔模型的總單元較多，且具有大量的振型，考慮求解速度及計(jì)算的精度問(wèn)題，選用四面體單元模型代替梁—桿混合模型進(jìn)行建模，并采用高級(jí)函數(shù)劃分得到可靠的結(jié)果。通信塔塔體在ANSYS中的模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)總數(shù)3 017 314個(gè)，單元總數(shù)1 624 082個(gè)。

圖1通信塔塔體在ANSYS中的模型圖

3 一體化通信塔的靜力分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)對(duì)模型施加合理的約束條件，定義邊界條件為：固定工作站底面和通信塔底端，載荷按表1加載在塔身上，方向?yàn)閅軸朝向工作站方向。通信塔由塔底到塔頂?shù)木幪?hào)依次為1-5號(hào)，通信塔各段所受模擬靜力風(fēng)的風(fēng)力值和受力狀態(tài)如圖2所示。根據(jù)通信塔各段所承受的風(fēng)力，分別進(jìn)行通信塔的應(yīng)力、應(yīng)變和剛度分析，如圖3-圖5所示。

表1塔身所受靜風(fēng)力值

圖2通信塔塔體各段受力模型

圖3通信塔應(yīng)力云圖

圖4通信塔應(yīng)變?cè)茍D

圖5通信塔剛性云圖

從應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力306.08 MPa，小于屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。最大應(yīng)力位于塔身中部，說(shuō)明塔身中部受力最大，最可能產(chǎn)生失效。從位移云圖可知，最大位移312.61 mm，位于通信塔頂部，塔高30 mm，占塔高的1.04%，變形較小。

4 一體化通信塔的模態(tài)分析

通信塔在使用過(guò)程中，為了避免發(fā)生共振問(wèn)題，需要計(jì)算研究通信塔的固有頻率和振型。本文采用自由模態(tài)分析法，不額外添加約束和外載荷來(lái)求解通信塔的自由模態(tài)。通常，通信塔共振較容易在低階次頻率處發(fā)生，因此本文只提取前16階諧次，獲取其相應(yīng)頻率和振型。使用ANSYS中Block Lanczos法進(jìn)行計(jì)算[5-6]，由于前6階模態(tài)的固有頻率幾乎為0，為剛體模態(tài)。因此，真正有意義的模態(tài)是第7-16階模態(tài)，提取前10階非零模態(tài)的固有頻率如表2所示。

表2通信塔前10階非零模態(tài)固有頻率/Hz

通信塔的重要階數(shù)振型如圖6-圖15所示，其中塔高方向?yàn)閆向，Y向?yàn)楣ぷ髡鹃L(zhǎng)度方向，X為YZ平面垂直方向，三者形成笛卡爾右手直角坐標(biāo)系。

圖6第7階自由模態(tài)圖

圖7 第8階自由模態(tài)圖

圖8第9階自由模態(tài)圖

圖9 第10階自由模態(tài)圖

圖10第11階自由模態(tài)圖

圖11第12階自由模態(tài)圖

圖12第13階自由模態(tài)圖

圖13第14階自由模態(tài)圖

圖14第15階自由模態(tài)圖

圖15第16階自由模態(tài)圖

由圖6-圖15可知，7階模態(tài)為YOZ平面內(nèi)的一彎振動(dòng)，通信塔最大振幅發(fā)生在通信塔第5節(jié)塔身上，最小振幅在第4節(jié)塔身中部；8階模態(tài)為XOZ平面內(nèi)的一彎振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔頂上，最小振幅發(fā)生在第1節(jié)與第2節(jié)塔身連接處；9階模態(tài)為YOZ平面內(nèi)的一扭振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第1節(jié)塔身上；10階模態(tài)為YOZ平面內(nèi)的二彎振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第2節(jié)與第3節(jié)塔身連接處；11階模態(tài)為XOZ平面內(nèi)的二彎振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第4節(jié)塔身中部；12階模態(tài)為彎扭耦合振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔底，最小振幅發(fā)生塔頂；13階模態(tài)為彎扭耦合振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔底，最小振幅發(fā)生在第4節(jié)塔身處；14階模態(tài)為彎扭耦合振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第3節(jié)塔身處；15階模態(tài)為彎扭耦合振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第4節(jié)塔身處；16階模態(tài)為彎扭耦合振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第2節(jié)與第3節(jié)塔身連接處。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析，得出：

（1）設(shè)計(jì)一種新型的一體化通信塔，塔體和機(jī)房連為一體，塔體自身、塔體和機(jī)房之間可以通過(guò)自行折疊及展開(kāi)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸及運(yùn)行兩種方式。

（2）有限元分析結(jié)果表明：一體化通信塔的應(yīng)力、變形均滿足要求。

（3）對(duì)一體化通信塔進(jìn)行模態(tài)分析，低階模態(tài)主要為彎曲振動(dòng)，高階模態(tài)為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及彎扭耦合振動(dòng)。

[1]王肇民，馬人樂(lè)，等.塔式結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社，2004.

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[3]胡衛(wèi)兵，何 建.高層建筑與高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算及風(fēng)振控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

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