某钢结构电视塔的有限元静力分析
毕业论文关键词 钢结构 电视塔 有限元 静力分析
Title The static Analysis for steel TV tower structure
Abstract Steel tower structure is a very popular high-rise tower’s structure, The designstyle of TV tower is various and they are all very beautiful. In order to enhanceunderstanding of tower structure，and learn the static analysis method of steeltower structure model on ANSYS. This report mainly introduces the development andcharacteristics of the television tower, reasoning about the static analysismethod of the tower structure. By using the finite element analysis software toanalyze a tower structure model and corresponding the result. The report offerssome basis theoretical for the research of steel tower structure.
Keywords Steel structure TV tower Finite Element Method static analysis
目 次
1 引言 1
1.1 概述 1
1.2 研究理论与方法 1
1.3 主要内容 3
2 钢结构电视塔介绍 4
2.1 塔式结构的特点与应用 4
2.2 塔的功能与分类 5
3 电视塔的荷载与作用力的计算 8
3.1 荷载的作用与分类 8
3.2 风荷载 8
3.3 地震作用 11
4 电视塔模型的设计与分析 16
4.1 电视塔模型及参数 16
4.2 钢塔模型荷载计算数据分析 16
4.3 钢塔模型有限元分析 18
结论 22
致谢 23
参考文献24
1 引言1.1 概述钢结构是指由钢材加工制作的建筑结构，通常是由钢板、型钢、钢索等材料加工，采用焊接、螺栓连接等连接方式而形成的不同的结构形式。钢结构在我国现代化建设中的地位日益突出,是土木工程主要结构形式之一。与现在同样运用广泛的混凝土结构相比，钢结构具有自重轻、材性好、强度高、可靠性高、工业化程度高，工期短、抗震性能好、密封性好、改造容易，连接方便，重复利用率高等突出的优点。但是钢结构也有耐火性差、耐腐蚀性差、价格相对较贵、稳定问题较突出等不可忽略的缺陷[7]。随着我国经济、技术的快速发展和进步，钢结构已逐步成为工程结构中被广泛应用的建筑结构之一。我国是世界上最早使用金属材料建造土木工程的国家。远在秦始皇时代，就有了用铁建造的桥墩，以后在深山峡谷上建造铁链桥、铁塔等。建于公元 58~75 年的兰津桥是世界上建造最早的一座铁链桥，它比欧洲最早的铁链桥早约 70 年。这些表明我国古代建筑和冶金技术方面达到了较高的水平。20 世纪 50 年代后，我国钢结构的设计、制造、安装水平有了很大的提高，建成了大量的钢结构工程，有些在规模上和技术上已达到世界先进水平[7,17]。塔式结构和桅杆结构是同一类型的结构，都是高度较大、横截面较小、风荷载起主要作用的建筑物。塔式结构固定于地面，其力学模型相当于悬臂梁，在横向载荷作用下，上部截面较小，下部截面较大，形成“宝塔”状。在 20 世纪 80 年代，我国塔式结构建设速度加快，数量急剧增多，特别是大型多功能电视塔的建设，促使设计理念和计算机理论突飞猛进[16]。随着信息时代的到来，广播电视越来越普及，作为广播电视的载体，电视塔应运而生，并随着广播电视业的发展而逐渐成为人们生活的一部分。从 20 世纪50 年代起，在世界各地涌现出了一批专门用于广播电视信号发射转播的电视塔。欧洲的电视塔建设起步较早，发展较快，因而早期的电视塔主要集中在以德国为主的欧洲国家，且电视塔的功能布局、结构选型也较为成熟。而亚洲地区的电视塔建设起步较晚，直至 20 世纪 80 年代才进入电视塔建筑以及电信事业的大发展时期[1]。1.2 研究理论与方法在我国，许多工程团队、研究院都对钢结构电视塔开展了广泛深入而系统的研究工作，先后进行了两次塔式结构风振控制风洞实验、塔式结构振动控制地震台实验和黑龙江电视塔振动控制的实测。理论和试验研究结合工程设计的实践使得电视塔结构静力与动力计算理论取得了长足的进步。钢结构电视塔为多边形空间桁架，对于这种高次超静定结构静力分析，经过理论和试验研究，提出用“整体空间桁架法”进行电视塔的非线性分析，使得计算精度比以往的简化空间桁架法、分层空间桁架法得到大大的提高。更好的对钢结构电视塔进行分析，得到的结果越精确，不仅可以使得钢塔结构更加稳定，而且对钢材的使用也能更加节约，由此而产生巨大的经济效益和社会效益[16]。有限元法（FEM，Finite Element Method）是指一种结构分析方法，其基本思想是将连续的求解区域离散为一组由有限个单元组成并按一定方式相互连接在一起的单元组合体来加以分析[12]。 有限元法基本思想的提出可以追溯到1943 年 Courant 的工作， 他在求解 Saint–Venant扭转问题时第一次提出了单元的概念。 Turner 等人于 1956 年开创了用电子计算机求复杂弹性力学问题的新阶段。1960 年 Clough 在研究中第一次提出了“有限元法”这一名称，将其描述为“有限元法 = Rayleigh Ritz 法 + 分片函数” ，使人们更加清楚的认识到有限元法的特性和功能[11]。 后来美国的Strouboulis等人提出了广义有限元法 （GFEM， Generalized Finite ElementMethod）来解决分析区域内有大量孔洞特征的问题，比利时的Hung 和越南的Ngoc 提出用模板的混合奇异元（HSM，The Hybrid Metis Singular Element of Membrane Plate）解决实际裂开问题[12]。有限元是随着电子计算机的发展而发展起来的新的结构分析技术。当前有限元技术发展已经相当成熟，人们已经把这种技术编制成了大量非常优秀的计算机软件（ANSYS、MARC、NASTRAN 以及 ABAQUS 等） 。有限元计算常用的求线弹性问题方法有：高斯消去法和三角分解法；材料非线性问题求解方法有：牛顿-拉普森法（Newton-Raphson） 、修正牛顿-拉普森法（Modified Newton-Raphson）和准牛顿-拉普森法（Quasi-Newton-Raphson）[9]。结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域，应用有限元法对结构进行分析最后获取的主要数据是：结构的应力分布、变形分布、结构的固有特性和动态响应。利用这些数据就可以对所研究的结构进行相应的分析。结构的经理分析用于确定在静载荷引起的结构位移、应力和应变等效应。静力分析不考虑惯性和阻尼等随时间变化载荷的影响，可是它可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力）以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如等价静力风载荷和地震载荷）[10]。
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