不弃点滴：钢塔结构设计与仿真计算

本文以钢塔结构为例，简述其结构形式、受力特点和设计原则，探讨结构计算中大型有限元分析程序可能的应用方向。

一、塔结构的基本特征及设计原则：

塔结构是一种高耸结构，其基本特征是高度远大于横截面尺寸，横向水平荷载起决定性作用。

鉴于塔结构的这个特点，在设计中应当将风荷载作为主要荷载。由于风荷载与结构高度、横截面尺寸以及形式等诸多因素有关，因此合理确定结构的建筑图形及几何尺寸，正确选用构件截面和构造方案是钢塔设计的一个重要环节。选择结构形式时，宜作各种结构方案的技术经济比较，以求节约材料，降低造价。减少风荷载对节约材料有重要意义，应尽量采用具有最小风压值的截面，尽量简化构造，减少迎风面积，使得结构所受的风荷载降低到最低限度。

钢塔结构设计的其他主要原则还有：满足建筑及功能要求，保证结构的强度、刚度和稳定，便于安装及维护等。

二、钢塔结构设计中若干概念问题的理解

1、多边形塔边数与用钢量的关系

一般情形下，塔架截面边数越多，所用钢材也越多，这主要是由于以下的原因：

塔架受力状况与悬臂梁相似，多边形截面一定有塔柱靠近中和轴而不能达到强度极限的情况；

塔架边数越多，用于节点板的材料增多，挡风面积也随之增加，风荷载也就越大，材料用得也越多；

塔架边数越多，用以维持截面几何稳定的横隔材料也越多，仅仅构造需要而不受力的构件也越多。

2、塔架结构自振周期经验公式与模态计算

塔架结构自振周期估算可按如下的经验公式：

无桅杆：T₁=0.01H（sec）

H为塔架的高度，单位以m计算；

有桅杆：T₁=0.01H₁+0.03H₂

H₁及H₂分别为塔架高度和桅杆高度，以m计算；

由这个公式可知自振周期与高度之间有着某种相关关系，事实上，T=2π√m/k=2π√mδ，k与δ分别为结构的刚度和柔度。一般地，结构高度越大就越显得纤细，即柔度越大，因此可以直观的判断其自振周期也越长。

当然，结构自振周期的精确值可通过ANSYS程序计算，但是一些经验公式也能够快速给出很好的估计值。

3、塔结构减振与TMD 

TMD即调频质量阻尼器（Turned Mass Dampers）的英文缩写，这种装置主要靠质量的惯性对结构施加控制力而起到减振作用。最早在建筑物顶部装置大型TMD来减振的是悉尼电视塔，采用靠近塔楼顶部的水箱作为第一级TMD，建成后通过实测分析证实水箱TMD对于第一振型的阻尼有显著的增加。我国的东北黑龙江电视塔在设计中也采用了这种减振方法。

这种把水箱包括在TMD中的做法也应用于许多高层建筑，提高了结构的有效阻尼，从而使侧移大为减少。这方面的实例很多，在复杂结构计算中也不乏采用ANSYS进行瞬态时程分析的案例。

三、钢塔结构体系及构造

塔架结构受力状况类似于悬臂梁，根部弯矩最大，因此理想的立面形式为抛物线型。但由于制造安装等各种因素的影响，不可能作成理想抛物线，所以一般采用近似抛物线的折线型立面。

塔架的平面形状一般为正多边形，以塔柱作为多边形棱台的棱，塔柱截面多采用钢管，因为钢管刚性好，造型美观。

塔柱之间设置有横杆、斜杆以及再分式腹杆，分段支撑塔柱，并分担平面内的部分水平剪力，与塔柱一起构成整个钢塔的结构体系，同时也起到减小塔柱计算长度的效果。

对于多边形的塔架，为了保证截面的几何不变性及塔柱有好的工作条件，还须设置一定数量的横隔。如塔架中有电梯，则电梯井道用横隔与塔身相连系，每隔一个节间设置一道横隔。若无电梯井道则可隔几个节间设置一道横隔，但在塔柱的变坡处必须设置一道横隔。

除了上述构造之外，塔架上还常设置用于工艺、了望、餐厅等平台与塔楼，塔楼形式可分为圆盘形、球形及下塔身的“田”字形等。在各种形式的塔楼中以圆盘形塔楼最为常见。这种形状的塔楼风阻力小，使用较为合理。其结构体系通常采用射线状分布的悬挑桁架为主体，受力明确，制作安装便利。

钢塔的这些体系构造其实涉及到结构的强度、刚度和稳定性，属于概念设计的范畴，后续详细设计阶段还需要通过ANSYS等软件进行全面的结构计算来论证和校核。