塔桅结构的设计研究
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摘要
塔桅结构是一种高度相对于横截面尺寸很大，水平风荷载起主要作用的自立式结构。目前，电视塔、输电线路塔、微波信号传输塔、导航塔等各种适应工程应用的塔架蜂拥而起，使得塔架结构的研究被提上日程。经过一个多世纪的研究，有关塔架结构所在地区粗糙度问题、风的力学理论、风振控制以及可靠性方面都有了比较丰硕的成果。但是对于塔架的研究远远比不上其结构形式及功能多样化的需求，使得根据以往研究得到的高耸结构设计规范对于许多造型独特的塔架结构不能提供准确的参考依据。在这种情况下，对独特造型铁塔进行设计研究，寻求方便可靠的分析方法，以便为以后的铁塔设计提供依据和参考就显得尤为重要。
本论文就是对一结构和造型都非常独特的，应用于实际工程的组合高耸塔架结构——微波移动通讯铁塔进行设计研究的。论文用三种不同的方法：一般风荷载算法、风洞实验方法、有限元分析法，进行了选择风荷参数的结构设计和较为全面的应力分析校核。采用了满应力方法对其进行主体结构材料的局部优化。提出了可供参考的选取组合结构风荷载风荷影响系数方法。
首先运用传统风荷载计算的方法，结合本文的组合结构的特殊情况，以高耸结构设计规范为参考，参照风荷载理论选定了影响该组合结构风荷载的风荷参数，并依据一般塔架算法(简化悬臂梁法)计算出了与底座连接处断面(最危险截面，距塔底6米段)的轴力和弯矩，同时对此处进行了应力分析和可靠性校核。为验证风荷参数的选择是否与实际情况相符，本论文对铁塔进行了风洞实验，实验按照初步设计和计算的材料结构建立模型，从三个不同风向角进行实验，从而确定风荷系数选择的正确性；最后用空间杆系单元有限元法对该铁塔进行全面分析和直观的结果输出显示，并用一已经使用的铁塔结构验证该有限元算法，为铁塔设计开辟了更直观、方便的分析方法。通过满应力的局部材料优化，明显减轻了材料的自重，为设计提供了依据，降低了造价。
Tower truss structure is a kind of rise independence structure, landscape orientation level load is the determine load, moreover wind load is main load to tower truss structure in all of level loads. That specialty is that high is greater than dimension of cross section. At present, TV tower , transmit electricity line tower tower used transmission signal of microwave navigation tower were build stampedely. The research was put forward by needs of engineering. Plentiful and substantial harvest about tower truss structure in aspect of region coarseness problem, mechanics theory of wind, vibration control of wind and dependability was acquired. But the research is not a patch on the needs of structure form and diversification function .As far as those towers that have vagary sculpt, the criterion of high -rising structure design can not offer veracious reference basis. In these conditions research about design of vagary sculpt tower and seeking analyzing methods of convenience dependable looks especially importance.
An combination rise tower truss structure (microwave motion iron tower)that will be used in fact engineering was designed with three different kinds of method (commonly arithmetic of wind load, tunnel wind experiment method, finite element method) . It also was general analyzed and checked in stress fact. In this article optimization for the part of main body was done by program. A method of choosing the wind load influence modulus that decides the wind load numerical value of
combination structure was proposed correspondingly.
Firstly the wind load parameter that influences the wind load of combination structure was chosen according to design criterion of high-rising structure and through tradition calculation methods of wind load. By using currently calculation methods the axis force and martix
of the most danger section was worked out, and the security of structure was analyzed and checked. The wind tunnel experimentation was applied. Model of experimentation was established according to the result had been calculated and designed. In wind tunnel experimentation combination structure was impacted by wind from three different aspect. The correctness choosing modulus of wind load was ensured. At last the finite element method of space pole cell was used entirely analysis the iron tower structure. An ensample that had been made use of the fact was used to validate the finite element method. The important of optimization was showed through material optimization based on full stress.
本论文就是对一结构和造型都非常独特的，应用于实际工程的组合高耸塔架结构——微波移动通讯铁塔进行设计研究的。论文用三种不同的方法：一般风荷载算法、风洞实验方法、有限元分析法，进行了选择风荷参数的结构设计和较为全面的应力分析校核。采用了满应力方法对其进行主体结构材料的局部优化。提出了可供参考的选取组合结构风荷载风荷影响系数方法。
首先运用传统风荷载计算的方法，结合本文的组合结构的特殊情况，以高耸结构设计规范为参考，参照风荷载理论选定了影响该组合结构风荷载的风荷参数，并依据一般塔架算法(简化悬臂梁法)计算出了与底座连接处断面(最危险截面，距塔底6米段)的轴力和弯矩，同时对此处进行了应力分析和可靠性校核。为验证风荷参数的选择是否与实际情况相符，本论文对铁塔进行了风洞实验，实验按照初步设计和计算的材料结构建立模型，从三个不同风向角进行实验，从而确定风荷系数选择的正确性；最后用空间杆系单元有限元法对该铁塔进行全面分析和直观的结果输出显示，并用一已经使用的铁塔结构验证该有限元算法，为铁塔设计开辟了更直观、方便的分析方法。通过满应力的局部材料优化，明显减轻了材料的自重，为设计提供了依据，降低了造价。
Tower truss structure is a kind of rise independence structure, landscape orientation level load is the determine load, moreover wind load is main load to tower truss structure in all of level loads. That specialty is that high is greater than dimension of cross section. At present, TV tower , transmit electricity line tower tower used transmission signal of microwave navigation tower were build stampedely. The research was put forward by needs of engineering. Plentiful and substantial harvest about tower truss structure in aspect of region coarseness problem, mechanics theory of wind, vibration control of wind and dependability was acquired. But the research is not a patch on the needs of structure form and diversification function .As far as those towers that have vagary sculpt, the criterion of high -rising structure design can not offer veracious reference basis. In these conditions research about design of vagary sculpt tower and seeking analyzing methods of convenience dependable looks especially importance.
An combination rise tower truss structure (microwave motion iron tower)that will be used in fact engineering was designed with three different kinds of method (commonly arithmetic of wind load, tunnel wind experiment method, finite element method) . It also was general analyzed and checked in stress fact. In this article optimization for the part of main body was done by program. A method of choosing the wind load influence modulus that decides the wind load numerical value of
combination structure was proposed correspondingly.
Firstly the wind load parameter that influences the wind load of combination structure was chosen according to design criterion of high-rising structure and through tradition calculation methods of wind load. By using currently calculation methods the axis force and martix
of the most danger section was worked out, and the security of structure was analyzed and checked. The wind tunnel experimentation was applied. Model of experimentation was established according to the result had been calculated and designed. In wind tunnel experimentation combination structure was impacted by wind from three different aspect. The correctness choosing modulus of wind load was ensured. At last the finite element method of space pole cell was used entirely analysis the iron tower structure. An ensample that had been made use of the fact was used to validate the finite element method. The important of optimization was showed through material optimization based on full stress.
引文
1．风荷载塔架结构可靠度分析方法及应用．高险峰．同济大学
2．结构抗风分析原理及应用．黄本才．同济大学．2001
3．高耸结构发展和展望．王肇民．特种结构，第17卷2000年，第1期
4．塔桅结构．王肇民．同济大学，1989
5．MARC有限元实例分析教程．陈火红．机械工业出版社，2003年
6．高耸结构设计手册．王肇民．建筑工业出版社，1995年
7．屋顶铁塔设计中的几个问题．薛法．特种结构，第11卷1994年，第三期，37—40页
8．塔桅结构设计．北京建筑工业设计院结构实验室
9．风荷载的模拟研究．王之宏．建筑结构学报，第15卷，第1期
10．上海电视塔风载试验研究．张亮亮．西南交通大学学报，第29卷，第5期，499—533页
11. Price. SJ. Paidoussis MP. Joum. Wind Eng. and. Indus. Aerodyn. 1984.17.329—334
12．曲面型高层建筑风载试验研究．张亮亮．低速气动力，1988(2)
13．风载测试与模拟技术的回顾展望．周新玲，周岱，王永芳．振动与冲击，第21卷，第3期，6—10页
14．风洞实验数据误差分析．恽起麟．气动实验与测量控制，1996年，第8卷，第2期，62—70页
15．对风洞实验数据精确度的要求．恽起麟．气动实验与测量控制，1996年，第8卷，第1期，65—72页
16. Picklesymer J R.A Study of Expected Data Precison in the Proposed AEDC HIRT Facility. ADAO13814, 1975
17. Jaarsma F. Enigine-Airplane Interference and Wall Corrections in Transonic Wind Tunnel AD 729568,1971
18．有限元基本原理和数值方法．王勖成，邵敏．清华大学出版社，1987
19．有限元与MARC的实现．梁清香，张根全．机械工业出版社，2003年
20．固体力学有限元理论及程序设计．徐次达，华伯浩．水利电力出版社
21．杆单元有限元法及程序设计．刘而烈，崔恩第，徐振铎．天津大学出版社，1999年
22．空间桁架结构大位移问题的有限元分析法．朱军，周光荣．计算力学学报，第17卷，第3期，399—342页
23．空间张拉杆系统的平衡状态寻找．张其林．空间结构，第3卷，第4期，8—13页
24．空间几何构造分析的有限单元法．叶康生．力学与实践，第25卷，第1期，2003年，22—26页
25．结构力学教程(Ⅰ)．龙驭球，包世华．北京高等教育出版社，2000年
26．高耸结构极限承载力的研究．吴建光，舒兴平．湖南大学学报，第3卷，第3期，2003年，112—115页
27．钢结构设计原理[M]．陈绍．北京；科学出版社，2000年
28．高耸结构设计规范(GBJ135—90)[S]．北京；中国建筑工业出版社 1990
29．何敏娟，马人乐．钢结构电视塔结构形式合理性研究．特种结构，15卷
31．张其林．Udo．Peil欧美塔桅结构研究状况——IASS塔桅工作组95会议简介．特种结构．1996年13卷第二期
32．黄彤斌，马力．高层建筑上钢塔的受力分析．特种结构．17卷
2．结构抗风分析原理及应用．黄本才．同济大学．2001
3．高耸结构发展和展望．王肇民．特种结构，第17卷2000年，第1期
4．塔桅结构．王肇民．同济大学，1989
5．MARC有限元实例分析教程．陈火红．机械工业出版社，2003年
6．高耸结构设计手册．王肇民．建筑工业出版社，1995年
7．屋顶铁塔设计中的几个问题．薛法．特种结构，第11卷1994年，第三期，37—40页
8．塔桅结构设计．北京建筑工业设计院结构实验室
9．风荷载的模拟研究．王之宏．建筑结构学报，第15卷，第1期
10．上海电视塔风载试验研究．张亮亮．西南交通大学学报，第29卷，第5期，499—533页
11. Price. SJ. Paidoussis MP. Joum. Wind Eng. and. Indus. Aerodyn. 1984.17.329—334
12．曲面型高层建筑风载试验研究．张亮亮．低速气动力，1988(2)
13．风载测试与模拟技术的回顾展望．周新玲，周岱，王永芳．振动与冲击，第21卷，第3期，6—10页
14．风洞实验数据误差分析．恽起麟．气动实验与测量控制，1996年，第8卷，第2期，62—70页
15．对风洞实验数据精确度的要求．恽起麟．气动实验与测量控制，1996年，第8卷，第1期，65—72页
16. Picklesymer J R.A Study of Expected Data Precison in the Proposed AEDC HIRT Facility. ADAO13814, 1975
17. Jaarsma F. Enigine-Airplane Interference and Wall Corrections in Transonic Wind Tunnel AD 729568,1971
18．有限元基本原理和数值方法．王勖成，邵敏．清华大学出版社，1987
19．有限元与MARC的实现．梁清香，张根全．机械工业出版社，2003年
20．固体力学有限元理论及程序设计．徐次达，华伯浩．水利电力出版社
21．杆单元有限元法及程序设计．刘而烈，崔恩第，徐振铎．天津大学出版社，1999年
22．空间桁架结构大位移问题的有限元分析法．朱军，周光荣．计算力学学报，第17卷，第3期，399—342页
23．空间张拉杆系统的平衡状态寻找．张其林．空间结构，第3卷，第4期，8—13页
24．空间几何构造分析的有限单元法．叶康生．力学与实践，第25卷，第1期，2003年，22—26页
25．结构力学教程(Ⅰ)．龙驭球，包世华．北京高等教育出版社，2000年
26．高耸结构极限承载力的研究．吴建光，舒兴平．湖南大学学报，第3卷，第3期，2003年，112—115页
27．钢结构设计原理[M]．陈绍．北京；科学出版社，2000年
28．高耸结构设计规范(GBJ135—90)[S]．北京；中国建筑工业出版社 1990
29．何敏娟，马人乐．钢结构电视塔结构形式合理性研究．特种结构，15卷
31．张其林．Udo．Peil欧美塔桅结构研究状况——IASS塔桅工作组95会议简介．特种结构．1996年13卷第二期
32．黄彤斌，马力．高层建筑上钢塔的受力分析．特种结构．17卷
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