某钢结构电视塔的风害倒塌分析

(郑州大学土木工程学院， 郑州 450001)

摘 要：对某钢结构电视塔倒塌事故进行了分析。通过事故现场的调查、结构构件的材料实测，对钢结构电视塔的倒塌原因做出了判断。通过对钢结构电视塔的有限元分析进一步验证了事故原因，并针对钢结构电视塔在设计中存在的问题及应注意的事项进行了分析。

关键词：钢结构电视塔； 事故分析； 风荷载； 拟静力风荷载； 动力时程风荷载

1 概 述

图1 电视塔完好状态

一般电视塔结构为高耸结构，而钢结构常作为电视塔结构的首选方案。高耸钢塔结构是高柔性结构，高耸结构对风荷载尤为敏感,作用在其上的荷载以风荷载为主要控制荷载[1]。由于设计、施工等因素造成高耸结构在风荷载作用下损坏、倒塌的事故屡见不鲜。本文通过对某钢结构电视塔在风作用下破坏的实例分析，对这类结构在设计中应注意的问题进行讨论。

河南省某广播电视发射塔是一座四柱钢结构塔，塔高(含天线)136 m，见图1。该钢结构电视塔建成5年后在2012年3月受大风影响发生折断、倒塌(图2)。根据当地气象资料，当日平均风力7～8级，极大风速为22 m/s，瞬时风力为9级。根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，该电视塔的设计基本风压为：0.35 kN/m2；根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》,抗震设计参数为：6度，0.05g，第一组。

图2 电视塔折断状态

2 倒塌结构状况分析

从倒塌塔架的状况(图2)可以看到塔架是在塔身上半部折断，下部结构基本完好。折断的上部塔身在塔体变截面处的杆件变形破坏严重，并有部分杆件拉断，可以看出钢塔折断的原因可能是上半部分结构存在问题。

2.1 破坏现场勘察

通过对钢结构电视塔的设计资料调查，所有构件材质均为Q235。钢塔架在标高81.000 m以下的塔柱均为圆钢管，截面自下而上依次为：φ325×12，φ273×12，φ325×10和φ219×8。在81.000 m标高位置为两个等截面段收进连接顶部天线，塔身的截面宽度由4 m变为2 m，塔架的塔柱由圆钢管改为与角钢140×12相接，上部塔柱截面为125×10。可见钢塔身在81 m标高的截面出现明显变化，塔身的刚度也有较大改变。

从现场破坏状况看，在81.000 m标高变截面处与圆钢管连接的角钢出现了严重扭曲(图3a)，其上部弦杆(图3b)有断裂现象但没有严重扭曲现象。另外，原电视塔结构位于标高81.000 m处设置有一个装饰球(图1)，装饰球在电视塔折断倒塌前被吹落并呈展开状，见图3c。在原设计图纸中装饰球为直径6 700 mm的近似球体，球体采用φ21.3和φ26.8镀锌圆管构成灯笼状，外包不锈钢板，但原设计图纸缺少必要的连接构造详图。在掉落的装饰球内可以看到部分杆件锈蚀严重，同时在镀锌圆管断口处有安装时的焊接烧穿现象。根据现场调查，在电视塔折断时附近的居民先听到“咣咣”的撞击声，随后伴随“轰隆”的巨响钢结构电视塔发生倒塌。

a—变截面段角钢变形；b—上部角钢拉断；c—装饰球掉落撕开；d—装饰球杆件断裂。
图3 钢结构电视塔破坏状况

2.2 结构构件的检测

为了进一步查明电视塔架折断的原因，对于钢塔架构件的材料进行了取样，检测构件的几何尺寸、化学成分以及材料性能等。通过实测发现该塔架的构件存在如下问题：部分角钢的几何尺寸偏差较大；一些角钢的含碳量超过GB/T 700—2006《碳素结构钢》的规定，即角钢50×5的含碳量限值为0.297%。化学成分超限的角钢主要是截面相对较小的角钢，但其一般机械性能均满足相应的标准。塔柱的化学成分和机械性能指标均能满足相关的国家标准要求。塔架上的装饰球虽然不是主要结构，球体的骨架采用的是φ21.3和φ26.8镀锌管，根据相关的标准，钢管的壁厚应为2.8 mm，但实际测量厚度仅仅为1.5 mm左右。

2.3 塔架折断的初步分析

根据电视塔的折断现场勘察和构件材料的实测，初步判定钢结构电视塔的折断首先发生在塔体变截面以上半部分。在上塔部分，虽然检测出角钢尺寸偏差较大，材料有害元素含量偏大，但这不是塔架倒塌破坏的首要部位。钢塔首先在装饰球部位发生破坏，装饰球正位于塔体的变截面位置。

根据GB 50135—2006《高耸结构设计规范》，球体在封闭状态时风压体型系数为0.4，但当球体为开放形式时，风压体型系数可以达到1.7，这就意味着当球体出现局部破损而呈现开放而兜风时，局部风压可以达到原状态的4.25倍。从而造成装饰球承受非常大的内压力而首先撕开。在构造上，原设计图纸要求装饰球骨架的焊缝为5 mm，这就造成装饰球骨架在焊接安装时就出现了局部烧穿现象，而在使用中由于锈蚀等因素更削弱了连接，在遭遇大风作用下球体构件连接处极易发生破坏，在现场的勘察也证实这种局部破坏现象，如图3d所示。

因此该电视塔在遭遇大风时，装饰球先出现局部破坏，使得装饰球外层钢板剥离、撕裂。在装饰球在撕裂的破坏过程中，装饰球对电视塔架的薄弱部位(变截面处)的不断撞击，导致电视塔局部杆件的破坏变形，图3a中角钢出现了复杂的扭曲状变形。这可以解释电视塔架在倒塌的过程中附近居民听到的先是“咣当、咣当”撞击声，然后是“轰隆”的倒塌声音的原因。

3 钢结构电视塔的有限元分析

为了进一步分析电视塔折断的原因，对电视塔结构按原设计图纸进行有限元建模分析，采用杆系结构模型进行计算，有限元模型如图4所示。为了详细分析钢结构电视塔在风荷载下破坏的特点，在考虑风荷载的作用时分别采用了拟静力分析和动力时程分析。

图4 钢结构电视塔分析计算模型

3.1 钢塔的拟静力分析

风对于高耸结构的动力作用可描述为包括长周期部分和短周期部分时程[2-3]。长周期部分可以将平均风作用作为一种静力荷载,而短周期部分，即脉动风，是随机变化的。在现行GB 50135—2006规范中，将长周期的风荷载简化作为静载施加到结构上，而短周期部分荷载用风振系数加以反映。这种实际是将风荷载的动力过程按结构的最大响应等效为静力风荷载进行计算，称为拟静力等效风荷载。任意高度的风荷载可表示为：

ωz=βzμsμzω0

(1)

式中：ω0为基本风压；βz为风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数。

对于自立式的高耸结构，根据GB 50135—2006要求，βz的表达式为：

βz=1+ξε1ε2

(2)

式中：ξ为脉动增大系数；ε1为风压脉动和风压高度变化等的影响系数；ε2为振型、结构外形的影响系数。

拟静力计算方法按两个风向角0°和45°分别计算，计算得到位于塔架变截面位置处的角钢为最大应力处。风向角为0°时，转折处塔架弦杆的最大轴压应力为123 MPa，应力比为0.57；按照稳定计算，则应力比为0.83；如果按GB 50017—2003《钢结构设计规范》考虑单角钢折减，应力比则为1.15，已经不满足规范的要求。再按45°角风向计算，该部分弦杆的最大轴压应力已经达到217 MPa，应力比为1.01，按稳定计算，应力比为1.47，如果考虑单角钢折减，应力比则为2.03。另外，在45°角风向计算中，在变截面位置的一些斜腹杆也会出现较高的应力。可见原设计在设计荷载下，变截面位置杆件的强度与稳定计算结果已经严重超限了，在塔身转折部分的结构设计是存在较大缺陷的，这也是电视塔在还没有达到设计风荷载就出现倒塌的重要原因。

3.2 钢塔的动力时程分析

按照拟静力计算方法，不能反映高阶动力特性的影响以及结构在风动力过程中的变化。为了能够更全面地分析电视塔这类高耸结构在风动力作用下的响应，采用动力时程分析法对该钢结构电视塔进行了进一步的分析。

以Kaimal谱为目标函数，采用线性滤波法(AR法)，可以生成风速时程曲线[4-5]。设计基本风压取0.35 kN/m2，沿高度z的平均风速V按指数规律进行取值，表达式为：

=α

(3)

式中：0为标准高度z0处平均风速；α为地面粗糙度系数，取为0.13。

根据上述风速时程模拟参数，可模拟得到计算风速时程曲线。将风载时程作用于塔架可得到电视塔的时程反应，用时程分析法所得的塔架杆件具有较大的瞬态内力。为了能够较好地比较两种分析方法的差别，将拟静力计算与动力时程计算的结果列于表1和图5中。

表1 时程分析法与拟静力计算位移比较

塔段编号塔段顶部标高/m时程分析最大位移/mm拟静力分析位移/mm相对差/%114 0004 984 4710 30227 00011 9211 860 50340 00040 6238 255 84452 00090 6690 230 47564 000162 19161 930 16679 300294 97293 650 45795 000531 28511 493 738108 000823 61766 186 979128 0001766 231354 3823 3210141 0005656 612224 3960 68

图5 拟静力与时程分析计算结果比较

由图5可见在塔架变截面以上部分按动力时程计算的位移开始明显大于拟静力计算的位移。对于一般沿高度均匀变化的结构，拟静力计算的结果与按动力时程计算的结果相差不大，但当塔架有明显的变截面时，按理论截面计算，本案例的变截面处的抗弯刚度变化为6.5倍，所以拟静力计算的结果就有可能偏小。

4 结束语

通过对某钢结构电视塔在大风中倒塌事故的现场勘察、资料调查、构件和材料的检测以及对原结构在风荷载作用下的静、动力分析，从计算分析的结果来看，该电视塔钢结构在原设计上就有较大缺陷，是导致整体塔架倒塌的主要原因。通过对电视塔结构的详细分析，对此类高耸结构在设计中应注意

以下几点：

1)在电视塔结构设计中对于装饰构件以及次要结构必须予以充分重视，特别是塔架类结构的主要构件并不是很大，但装饰类次要结构的破坏有可能对主体结构造成损坏，有时影响是比较严重的。

2)电视塔架结构在塔体变截面处往往因刚度突变的影响而受力较大，在设计中对于变截面处的构件应当进行加强。

3)现行GB 5935—2006规范对于塔架的风荷载按拟静力计算对于一般塔架变截面不是很明显的结构计算精度是足够的。但当结构的刚度有较大的突变时，在考虑风动力效应后结构受力有所增大，在设计中应当给予充分重视。

参考文献

[1] 王肇民，马人乐．塔式结构[M]．北京：科学出版社，2004.

[2] 谢京臣，路江龙，杨伟兴，等．大型风力发电机组塔架的风振响应分析与风振系数确定[J].钢结构，2013，28(10)：19-23.

[3] 刘香，尹艳杰.锥筒型塔架风振响应分析及风振系数研究[J].钢结构，2015，30(6)：51-54.

[4] 刘锡良，周颖．风荷载的几种模拟方法[J]．工业建筑，2005，35(5)：81-84.

[5] 张少衡，葛卫春，陈允瑞．Davenport风速谱和Kaimal风速谱在通讯塔设计中的比较分析[J]．特种结构，2012，29(4)：77-80.

COLLAPSE ANALYSIS OF A STEEL TV TOWER UNDER WIND LOAD

LI Tian FAN Jia LÜ Yanxia

(School of Civil Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

ABSTRACT：The paper analyzed the causes of collapse of a steel tower accident. According to the investigation of the accident and the experiments of structural materials, the judgments were made on the causes of the collapse of the steel structure TV tower. Through the finite element analysis of the steel TV tower, the paper further verified the causes of the accident. Moreover the existing problems in the design of steel structure TV tower were discussed, which could provide references for design and constructing of this kind of structures.

KEY WORDS：steel TV tower; accident analysis; wind load; quasi static wind load; dynamic time history wind load

第一作者：李天，男，1960年出生，博士，教授。

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DOI:10.13206/j.gjg201708017