赵晓琪，杨启志，赫明胜，华希俊，卢文建

(1.江苏大学农业工程学院，江苏 镇江 212013)(2.江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013)(3.江苏北洋通讯有限公司，江苏 泰州 225300)

随着人们对通信要求的提高，需要更多的通信基站来扩大信号覆盖范围和增大信号强度，且要求在通信塔上加挂更多的外部设备，这使得通信塔的使用安全问题变得至关重要。通信塔在使用的过程中受到风载和地震载荷的影响尤为明显，风灾和地震等自然灾害会对通信管塔和人的生命造成极大的伤害[1]。模态分析不仅可以得到管塔的固有频率和各阶振型特点，而且是通信塔风载失效分析与抗震性能分析的基础。

针对塔结构的模态分析，张永伟等[2]采用ANSYS Workbench对某通信角钢塔进行模态仿真分析，得到了通信角钢塔前10阶非零模态频率，结果表明该通信塔的动力学特性较为复杂，模态振型具有多样性。鲍宇等[3]针对钢结构塔架设计上的不足之处，采用ANSYS软件构建塔架结构的有限元分析模型并进行结构模态分析，获得每个模态的振型特点，通过有限元软件仿真提取结构动态特性振型和固有频率。闫安志等[4]利用有限元软件ANSYS，以密平线改建工程中的一个塔架为研究对象，建立了空间有限元模型，对其进行模态分析得到前10阶自振频率和振型，并分析其振型特点，为后续研究地震响应做好了准备工作。

目前模态分析的研究对象大多是角钢塔，对管塔尤其是插接式单管塔的模态分析少之又少。插接式单管塔高度高、刚度小，使得风载荷和地震载荷对管塔设备的安全起着决定性的作用。单管塔模态分析是风载荷和地震载荷分析的基础，能够给管塔的结构优化、抗震设计等提供依据[5-6]，在性能分析中必不可少。针对以上问题，本文以江苏省某地所使用的移动内爬插接景观塔(金轮)为研究对象，通过SolidWorks建立三维实体模型，结合有限元分析软件ANSYS Workbench中的Modal模块进行模态分析，来确定结构的各阶振动频率及振动特性。根据张珩等[7]针对通信单管塔的连接与附属构件对基本自振周期的影响研究可知，附属构件对基本自振周期的影响不可忽略，在建模分析时塔身顶部的天线、抱杆等集中质量不能采用放大系数进行简化，仿真时应添加真实的载荷。

1 模型的建立

1.1 移动内爬插接式单管塔特征

插接式单管塔是近几年快速发展起来的一种新型通信单管塔技术，其最大特点在于整个管塔由几节10 m左右多边形钢管组成，上面一节钢管下端外插入下面一节钢管上端，靠两节端部的楔形插接实现连接，没有传统法兰连接需要的法兰盘及大量连接紧固件，通信塔的安全可靠性大幅提高，有效降低了后期维护难度，且内爬式单管塔将爬梯安装在单管塔的内部，降低了单管塔外部结构的复杂性。移动内爬插接式单管塔的模态分析，与法兰连接式单管塔最大的不同之处在于建模时管塔插接部分连接方式的选择，不仅要使仿真计算更贴近实际还要使计算时间尽可能短。

在本次分析中，插接部分的连接方式在建模时选择Bonded，使模型在仿真分析时不发生法向移动，允许少量的切向滑动，更贴合实际。由于单管塔的模态分析为自由模态分析，因此无需添加任何约束与负载。

1.2 单管塔模型

单管塔结构如图1所示，该移动内爬插接景观塔(金轮)塔身部分由5段塔身插接而成，塔身截面为正多边形，边数为18，单管塔总高45 m。在塔身1顶部安装有5 m高的避雷针，在塔身高度44.5 m与38.5 m处均安装有金轮，除此之外还有抱杆、天线、内爬梯等安装在单管塔的相应位置。该通信管塔为满足使用要求，要在每根抱杆上安装一根天线，每根天线质量约为15 kg，迎风面积不超过0.5 m2。另外，每根天线需另配置一台射频拉远单元(remote radio unit，RRu)设备，每台质量约为15 kg，迎风面积0.15 m2。本铁塔管身采用ASTM A572 Gr65钢板，其余钢材(不含螺栓)均采用Q235B钢，该单管塔总质量约12 277 kg。每段塔身的各项参数见表1。

图1 单管塔结构示意图

表1 管塔塔身参数 单位：mm

1.3 单管塔模型简化

首先根据二维图纸利用SolidWorks建立该单管塔的三维模型，然后为了使划分网格简单，减少计算消耗的时间，并保证计算结果的准确性，在不影响仿真结果的基础上，对模型进行简化，去除倒角、圆角、安装孔等小特征[8]。在模型导入ANSYS后，将抱杆、天线及RRu设备以质量点的方式添加在单管塔的相应位置。随后对管塔材料性能进行设置，其中ASTM A572 Gr65钢板的弹性模量为2.06 GPa,泊松比为0.26，密度为7 850 kg/m3，Q235B钢的弹性模量为2.11 GPa,泊松比为0.28，密度为7 850 kg/m3。最后对比模型质量与实际单管塔质量，并将质量差以质量点方式添加到单管塔的重心位置，使模型质量与单管塔实际质量一致，以提高仿真分析结果的准确性。添加质量点的ANSYS三维仿真模型如图2所示。

图2 ANSYS模型

模型建立之后，利用有限元软件ANSYS对整个结构进行网格划分，获得节点198 116个、单元96 970个，如图3所示。

图3 网格划分

2 单管塔静力分析

根据单管塔的实际情况，对模型各部件之间选择合适的连接方式，施加合理的约束。将塔身5底部固定，设置载荷为标准重力载荷，以Z轴负方向加载在塔身上，进行单管塔的应力分析，得到应力云图如图4所示。可知，在地球重力的影响下，单管塔最大应力在管塔底部，应力大小约为8 MPa，远小于材料的许用应力，满足材料性能要求。

图4 单管塔应力云图

3 单管塔模态分析

由于管塔在地震与风载等动载荷的作用下，其变形和内力均与管塔设备的自振周期和振型有关[9]，为了避免通信塔在各种工况下发生共振，通常需要计算通信塔的模态频率和振型。选用ANSYS Workbench中的Modal模块分析管塔的固有模态，将已建立好的模型导入ANSYS中进行分析，其各阶模态频率如图5所示。前6阶模态的固有频率几乎都为0，此时单管塔为刚体模态。由此可知，对设计与优化有意义的为第7～12阶模态，提取非零模态前6阶(即第7～12阶)的固有频率，见表2。

图5 模态频率

表2 前6阶非零模态固有频率

根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范中一般高耸结构的基本自振周期，对于钢结构可按照公式T=(0.007～0.013)H进行计算，其中H为结构的高度[10]。计算得结构的第1阶非零模态的周期为0.35～0.65 s，频率为1.54～2.85 Hz，证明所构建的插接式单管塔模型符合工程计算要求。

根据ANSYS模态分析得到第7～12阶模态振型，如图6所示。各阶振型的特点见表3。

图6 各阶模态振型

表3 管塔振型特点

由分析结果可以看出，模态分布相对分散，模态频率较为清晰，其中第7和第8阶频率起主要影响作用，振型特征基本符合高耸结构一般情况下的风振振型特征。第7阶为塔身的一阶横向(X向)振动，第8阶为塔身的一阶纵向(Y向)振动，且这两阶的自振频率的数值相差很小，说明插接管塔结构的横向和纵向刚度几乎无差别。根据单塔的前6阶非零模态振型可以看出，扭转振型出现在横向和纵向振型之后，且扭转主要出现在金轮以上部位，在第8阶扭转程度更加明显，钢管塔中金轮以下部位变形较小，而其以上部位变形较明显，在地震作用下对钢管塔进行响应分析时，金轮以上部位应该作为重要的研究对象。

任何通信管塔在使用ANSYS进行风载仿真分析时，都要根据风压计算通信塔迎风一侧受到的风力大小。利用公式计算时需要知道通信塔的自振周期，自振周期数值的大小可以通过公式计算，但由于通信塔的外形等会存在差异，计算得到的自振周期就会存在一定的误差从而造成仿真结果不准确。由于通过ANSYS模态仿真分析得到自振周期，进而计算所受风载的大小，可以提高受载仿真的准确性，因此通信管塔在进行ANSYS地震仿真之前，必须利用Modal模块进行模态分析。

4 结论

本文结合有限元分析软件ANSYS Workbench中的Modal模块对江苏某地使用的移动内爬插接景观塔(金轮)的模态进行分析，根据仿真结果可得结论如下：

1)仿真得到的该单管塔前6阶非零模态频率中，第7和第8阶频率起到主要的影响作用，振型特征基本符合高耸结构一般情况下的风振振型特征；

2)通过分析各阶模态的振型图，可知扭转振型出现在横向和纵向振型之后，且扭转主要出现在金轮以上部位，其中第8阶扭转程度尤为明显；

3)对该插接式管塔受地震载荷进行仿真分析时，金轮以上部位应该作为重要的研究对象，且在加挂外部设备时，应该避免与该管发生共振。

本文对该插接式单管塔的仿真分析可为该管塔的结构优化、抗震设计等提供依据，也可为其他通信塔固有模态的分析提供参考。