结构阻尼比对单管塔风荷载计算的影响分析

结构阻尼比对单管塔风荷载计算的影响分析

屠海明1张帆2

（1.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海200092；2.中国铁塔股份有限公司 北京100142）

摘要：为了分析结构阻尼比对单管塔风荷载计算的影响，本文进行了阻尼比不同取值时风振系数的计算对比。结果表明风振系数随着结构阻尼比的增加而显著下降。然后根据上海某单管塔实测得到的阻尼比与规范规定的阻尼比取值，分别对该单管塔风荷载进行了计算对比。实测的阻尼比大于规范规定的取值，相应计算得到的风荷载也明显降低。这给单管塔的优化设计提供了参考依据。

关键词：阻尼比 单管塔 风荷载

引言

近年来随着通信基站建设的发展，对通信塔的专业化、标准化提出了更高的要求。对于单管塔的设计和制作而言，起控制作用的荷载是风荷载，得到相对准确的风荷载设计值，对于每年数万座标准化生产的单管塔而言，具有很重要的经济意义。本文作者［1］根据2012年调整前后的荷载规范，对高耸结构的风荷载进行了分析与对比，并提出了《高耸结构设计规范》（GB 50135-2006）中风荷载部分条文的修改意见。但是以上分析没有专门涉及结构阻尼比对于风荷载计算的影响分析。同济大学何敏娟［2］等采用激振法对336m黑龙江电视塔进行了模态参数的实测和分析，实测结构一阶阻尼比为0.028，大于规范规定值0.02。同济大学闫祥梅等［3］对位于河北的辛安-衡水500kV线路工程的几座直线输电塔转角塔进行了环境脉动下的动力测试。同济大学设计院梁峰［4］对上海新国际博览中心展馆两侧的30m高钢结构灯杆进行了微风振动下的动力测试，得到了灯杆的自振频率和阻尼比。本文作者对上海移动两座单管塔进行了微风振动下的动力测试，并根据实测结果，与规范规定值对比，探讨结构阻尼比对单管塔风荷载计算的影响。

1 阻尼比对风荷载计算的影响

结构阻尼比用于表达结构阻尼的大小，是描述结构在振动过程中能量耗散的术语。引起结构能量耗散的因素很多，主要有：材料阻尼，周围介质对振动的阻尼，节点、支座连接处的阻尼等。

结构阻尼对结构效应的影响体现在结构的风致振动中，对于高耸结构的风振分析，比较准确的是采用频率域和时间域的动力分析方法。实际工程中，为了方便应用，按照荷载规范计算等效风荷载，用静力分析方法计算结构风效应。

因此，结构阻尼比对风荷载计算的影响，主要体现在风振系数的计算上。《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）中风振系数的表达式为：

其中：g为峰值因子；I10为10m高名义湍流强度；Bz为背景分量因子；共振分量因子R表示与频率有关的积分项，可按下列公式计算：

其中：ζ1为结构阻尼比；f1为结构第1阶自振频率；kw为地面粗糙度修正系数；w0为基本风压。结构阻尼比对钢结构可取0.01，对有填充墙的钢结构房屋可取0.02，对钢筋混凝土及砌体结构可取0.05。

修编后的《高耸结构设计规范》规定：“结构阻尼比可根据结构型式相应选取：对于单管塔可取0.01，构架式塔可取0.02，混凝土塔可取0.05。”

由于单管塔相对一般房屋结构而言刚度较小，因此理论计算得到的风振系数较大。阻尼比差异对风荷载的计算也有较大影响。

以上海地区38m单管塔为例，底部直径为1.32m，顶部直径为0.75m。基本风压为0.55kN/m2，第一振型自振周期为1.4s。不同地貌类别，阻尼比为0.01～0.05时，单管塔顶部风振系数见表1和图1。

表1 38m单管塔顶部风振系数
Tab.1 Wind vibration coefficient on top of38m monopole

阻尼系数地貌类别A B C D 0.01 2.67 2.78 3.38 4.20 0.02 2.26 2.35 2.83 3.50 0.03 2.09 2.18 2.61 3.22 0.04 2.00 2.08 2.48 3.06 0.05 1.93 2.01 2.40 2.96

从表1和图1中可以看出，随着结构阻尼比的增加，风振系数明显下降。阻尼比越小时，下降幅度越大。因此，得到相对准确的结构阻尼比，对于单管塔风荷载的计算有着重要的意义。

图1 风振系数变化图
Fig.1 Transformation ofwind vibration coefficient

2 现场实测

2.1 现场测试

受中国移动通信集团上海有限公司委托，对松华磊基站、顾家塘基站单管塔进行了现场检测。松华磊基站位于上海市松江区申港公路西侧，铁塔总高度为38m，为双轮景观塔，铁塔整体如图2所示。顾家塘基站位于上海市闵行区莘庄镇莘松公路青春路顾家塘村，铁塔总高度为42m。

图2 松华磊基站单管塔现场
Fig.2 Scene picture of Songhualei Monopole

除了对两个通信基站的基础、铁塔构件、连接节点、防腐涂层、塔身整体变形等进行常规检测以外，还采用同济大学土木工程防灾国家重点实验室SVSA结构振动信号采集分析系统对该铁塔进行自振特性现场测试。测试仪器选用LC0132型内装IC压电式加速度传感器及UA300系列数据采集器，采样频率为100Hz。在超过30m高度的塔身上取4个点，分别采集其两个正交方向的振动信息。

阻尼比测试可以分成时域和频域两大类。时域方法对于波形要求较高，一般仅适用于实验室；频域方法适用性比较广，但是广泛使用的半功率法在功率谱半功率带宽较小时，会产生一定的误差，需要对谱图进行细化，并采用时间较长的采样数据。

本次测试采用半功率法计算结构的阻尼比。

2.2 实测数据

试验通过数据采集器测得的微风作用下加速度信号，转换成自功率谱后，可以得到结构一阶自振频率和阻尼比，见图3、图4。

图3 顾家塘基站实测频率及阻尼比
Fig.3 Measured frequency and damping ratio of Gujiatang Monopole

顾家塘基站铁塔第一振型自振周期为1.47s，阻尼比为1.83%。

图4 松华磊基站实测频率及阻尼比
Fig.4 Measured frequency and damping ratio of Songhualei Monopole

松华磊基站铁塔第一振型自振周期为1.37s，阻尼比为1.83%。

实测数据汇总见表2。

表2 实测周期和阻尼比
Tab.2 Measured period and damping ratio

基站名称塔高/m理论周期/s实测周期/s 阻尼比顾家塘42 1.40 1.47 1.83%松华磊38 1.34 1.37 1.83%

从表2中可以看出，实测周期与理论周期比较接近，由于单管塔中天馈线等附加质量的分布与理论计算不完全一致，因此周期略有差异。

现场实测的两个单管塔第一振型阻尼比均为1.83%，明显大于1%的规范规定值。可能是由于单管塔筒体内布置有大量馈线等附属件及筒体节段间的连接，提高了阻尼比。

3 计算结果与分析

3.1 计算结果

根据实际测试得到的一阶自振周期，分别按照规范规定的阻尼比数值和实测得到的数值，并考虑不同地貌类别，计算松华磊基站单管塔的风荷载。计算结果见表3～表5。

表3 顶部风振系数比较
Tab.3 Comparison ofwind vibration coefficient on top

阻尼系数地貌类别A B C D 4.20 0.0183 2.30 2.40 2.89 0.01 2.67 2.78 3.38 3.58降幅13.9% 13.7% 14.5% 14.8%

表4 总风荷载比较（单位：kN）
Tab.4 Comparison of total wind load（unit：kN）

阻尼系数地貌类别A B C D 21.0 0.0183 37.7 32.5 24.4 0.01 42.5 36.7 27.9 18.3降幅11.3% 11.4% 12.5% 12.9%

表5 底部弯矩比较（单位：kN·m）
Tab.5 Comparison of bottom bendingmoment（unit：kN·m）

阻尼系数地貌类别A B C D 534.6 0.0183 933.4 809.3 618.4 0.01 1064.2 925.8 716.6 460.1降幅12.3% 12.6% 13.7% 13.9%

从表3～表5可以看出，其他条件均保持不变的情况下，对于4种不同地貌，根据实测阻尼比计算得到的单管塔顶部风振系数、单管塔总风荷载、底部弯矩都明显小于根据阻尼比为1%计算得到的相应值，且降幅均大于10%。

3.2 阻尼比测试方法与探讨

阻尼比虽然是结构的动力特性之一，不过，不同的分析方法和技术、振幅和变形的大小、环境因素等都会影响阻尼比的测量结果。对于单管塔设计而言，由于实际风荷载为基本风压作用时，单管塔的变形较大，阻尼比可能与微风振动下测得的阻尼比有差异，因此需要进一步开展大变形条件下阻尼比的实测工作。

同时，根据本文的计算工作，如果能够采用简易可行的振动控制装置以提高结构的阻尼比，可以改善单管塔的风振效应，相当于降低单管塔的计算风荷载，从而促进单管塔的优化设计。

4 结论

本文对阻尼比对单管塔风荷载计算的影响进行了理论分析；并且通过上海两个单管塔基站的现场实测，得到了其自振周期与阻尼比。根据实测的数据，与规范规定取值进行了计算对比，得出如下结论：

1.对于单管塔而言，随着结构阻尼比的增加，风振系数明显下降。阻尼比越小时，下降幅度越大。

2.对两个单管塔基站进行微风振动下的动力测试，阻尼比均明显大于规范规定值1%。

3.根据实测阻尼比数据计算得到的风荷载，比依据规范规定值计算得到的风荷载小10%以上。

同时，本文提出了进一步工作的两个方向：①大变形条件下阻尼比的实测；②通过设置振动控制装置以提高单管塔阻尼比，从而减小结构风振效应。

参考文献：

［1］屠海明.《高耸结构设计规范》中风荷载计算条文的修编探讨［J］.特种结构，2014（4）：97-100 Tu Haiming.Revision discussion of wind load calculation in“Code for design of high-rising structures”［J］.Special Structures，2014（4）：97-100

［2］何敏娟，马人乐，黄征.336m高电视塔模态参数实测与分析［J］.同济大学学报，2001（7）：862-866 He Minjuan，Ma Renle，Huang Zheng.Measurementsand analysis ofmodel parameter of broadcastand television steel tower［J］. Journal of Tongji University，2001（7）：862-866

［3］闫祥梅，何敏娟，马人乐.高压输电塔同步环境脉动实测分析［J］.振动与冲击，2010（3）：77-80 Yan Xiangmei，He Minjuan，Ma Renle.Measurementand analysis of synchronous environmental fluctuation on high voltage transmission tower［J］.Journal of Vibration and Shock，2010（3）：77-80

［4］梁峰.30m高钢结构灯杆微风振动试验研究及振动控制［J］.特种结构，2014（4）：97-100 Liang Feng.Test research and vibration control on one 30m high steel lighting pole［J］.Special Structures，2014（3）：32-36

Effect of Dam ping Ratio on W ind Load Calculation of Monopole Towers

Tu Haiming1Zhang Fan2
（1.A rchitectural Design＆Research Institute of Tongji University（Group）Co.，Ltd.，Shanghai200092，China；2.China Tower Corporation Lim ited.，Beijing 100142，China）

ABSTRACT：In order to analyze the effect of damping ratio on wind load ofmonopole towers，the calculation and comparison of the wind-induced vibration coefficients were investigated in this paper.The results indicate that thewind-induced vibration coefficient decreases significantly with the increasing of the damping ratio.Then taking amonopole tower in Shanghai as an example，wind loads usingmeasured damping ratio and design code specified valuewere calculated and compared.Themeasured damping ratio is greater than the value specified in the design code，thus the corresponding calculated wind load is significantly reduced.This study provides some reference for the optimization design ofmonopole tower.

KEYWORDS：Damping ratio Monopole towers Wind load