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酒泉气象塔线性及非线性有限元分析

陈军武  
【摘要】: 随着我国社会经济的快速发展,各种功能的高耸塔式结构得到广泛的应用。由于目前高耸塔式结构抗震和抗风分析时所采用的竖向二维串联结构体系仍存在许多缺陷,因此,对其受力性能进行的研究具有一定的实用意义和理论价值。本文利用有限元软件SAP2000建立了酒泉气象塔的三维整体有限元模型,并对其进行较为深入的分析,一方面为酒泉气象塔的设计工作服务,另一方面,为我国高耸塔式结构的分析提供一些有价值的参考。 本文主要对酒泉气象塔进行了以下几方面分析:(1)运用有限元软件SAP2000对钢塔的动力特性进行分析确定模态分析的阶数,并进行静力线弹性分析确定构件截面及基础反力等;(2)借助数值分析软件MATLAB 7.0.4模拟了酒泉地区不同高度处的具有空间相关性的时程风荷载,然后对酒泉气象塔进行时程风荷载作用下的动力非线性分析,研究酒泉气象塔在时程风荷载作用下的动态响应;(3)对酒泉气象塔的三维整体有限元模型进行罕遇地震作用下动力非线性时程分析,确定在罕遇地震作用下酒泉气象塔的薄弱部位。 通过对酒泉气象塔进行较为全面和深入的分析,本文得到了以下几方面结论:(1)酒泉气象塔高而柔,自振周期较长,因此,在结构分析时,风荷载和水平地震作用对其起控制作用;(2)酒泉气象塔沿竖向共设置了三个塔楼,因此,气象塔的刚度和质量沿竖向变化非常不均匀,动力特性分析表明,气象塔结构存在薄弱部位,有必要在薄弱部位进行减震耗能设计,加强结构的抗震、抗风性能;(3)酒泉气象塔在水平荷载作用下侧移较大,因此,在结构分析时应计入自重产生的附加弯矩,即考虑P-Δ效应的影响,从而使分析结果更为可靠;(4)研究表明,气象塔上部天线的抗侧刚度与下部主体结构相比,其抗侧刚度显著减小,因此,在风荷载和地震作用下,顶端天线桅杆的水平侧移较大,桅杆“鞭梢效应”往往非常明显。


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