SAP2000在双杆身桅杆设计中的应用
摘 要：该文采用SAP2000软件，对双杆身桅杆刚性连杆连接和软性钢丝绳连接进行了风荷下的非线性受力分析和屈曲分析，文章分析比较了计算结果，并根据计算结果优化双桅杆结构布局形式，为双杆身桅杆设计提供依据。
关键词：双杆身桅杆 非线性 屈曲 SAP2000
中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（c）-0059-02
双杆身桅杆是同相水平天线采用最多也是最经济的支持物，由两座相同高度桅杆组合而成，在拉线节处用刚性连杆或软性绳缆将两杆身连在一起。双桅杆杆身一般采用圆钢或钢管焊接而成，杆身上通过吊索挂接同相水平天线幕或反射幕，双桅杆结构布局形式见图1。
双杆身桅杆结构属于超静定空间结构，安全可靠性较差，只要一根拉绳的破断或一根弦杆的失稳，就容易引起整个桅杆结构破坏 [1]，因此对双杆身桅杆进行风荷力学分析计算，对确定结构形式、避免事故的发生具有十分重要的研究意义和使用价值。
该文通过SAP2000软件，对比了43.5 m高双杆身桅杆在不同拉绳夹角、不同连杆结构形式下的风荷计算，分析了各种形式的优劣，为最终确定双桅杆结构提供依据。
1 双杆身桅杆计算模型
双桅杆钢材选用Q235钢，主柱采用φ50圆钢，横杆采用φ25圆钢，次横杆和斜杆采用φ20圆钢，下层拉绳和曳线为φ18镀锌钢丝绳，与地面夹角为45 °；上层拉绳和曳线为φ22镀锌钢丝绳，与地面的夹角分别为45 °和55 °。双桅杆之间连接形式有两种，分别为φ22镀锌钢丝绳软结构连接和φ159x6钢管硬结构连接。
本文选取的工况计算风压为1 kN/m2，风向垂直于天线幕。下面对几种结构形式进行风荷受力分析计算，将计算风压转换为桅杆主柱、横杆、次横杆和拉绳的线荷载。
2 非线性计算及分析
用SAP2000软件建模，主柱、横杆、次横杆和斜杆选用Frame单元，拉绳选用Cable单元，连杆分别选用Frame单元和Cable单元建模。添加静态非线性工况，将风荷载施加在桅杆和拉绳模型上，运行荷载工作[3]。计算的拉绳最大拉力、桅杆的最大应力比和最大位移见表1。通过表1可以看出各种形式的双杆身桅杆、拉绳计算结果满足文献[4]相应要求。
分析表1计算结果，倾角45 °拉绳的拉力大于55 °倾角拉绳的拉力，但桅杆的支座反力和桅杆的顶部挠度小，可倾角45 °拉绳的占地面积大，从经济成本等综合考虑应优先选用倾角55 °的拉绳布局。
通过表1还可以看出在拉绳倾角相同的情况下，连接方式为钢管的桅杆支座反力、拉绳拉力均与钢丝绳连接方式相同，这说明在计算双杆身桅杆时可将钢管等效为柔索参照三方拉线桅杆[6]进行建模计算。
3 屈曲计算及分析
由于桅杆属于大跨度空间结构体系，其极限承载力状态主要由杆身稳定性控制。桅杆结构的稳定问题分为两类，一类为分支点失稳（特征值屈曲）；一类为极限值点失稳。SAP2000的屈曲分析工况（Buckling）是解决第一类失稳问题。SAP2000将特征值λ称为屈曲因子，屈曲因子与给定荷载的乘积即为屈曲荷载。有时，也可将λ视为安全系数，如果屈曲因子大于1，给定的荷载必须增大以引起屈曲；如果小于1，给定的荷载必须减小以防止屈曲。屈曲因子也可以为负值，说明当荷载反向时会发生屈曲。
添加屈曲分析工况（Buckling），运行荷载工作[3]。两种连接方式计算的屈曲因子见表2。通过表2可以看出，在连杆结构相同时桅杆的拉线角度不同对屈曲因子影响不明显。
选用镀锌钢丝绳作为连杆时屈曲因子受钢丝绳垂度影响较大，钢丝绳垂度越小，屈曲因子绝对值越大。屈曲因子为负值表明
发生该阶失稳需临界反向荷载作用。
但选用钢丝绳作为连杆时，安装架设时由于人为操作会影响到连杆的垂度，从安装架设角度考虑，选用钢管作为连杆要比选用钢丝绳作为连杆更安全。
4 结语
通过SAP2000分析计算，双桅身桅杆布局应选用上层拉线与地倾角为55°、桅杆连接方式为φ159x6钢管的的结构形式，其安全可靠性高于45°拉线倾角、桅杆连接方式为软结构的结构形式。
SAP2000屈曲分析为特征值屈曲，其计算结果对结构的稳定承载力进行初期预测。若进行详细的计算，还需结合其他分析功能和仿真软件进行综合解决。
参考文献
[1] 王肇民.桅杆结构[M].科学出版社，2001.
[2] GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].
[3] 中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].中国建筑工业出版社，2007.
[4] GB50135-2006高耸结构设计规范[S].
[5] GY5001-2004钢塔桅结构设计规范[S].
[6] 王肇民.高耸结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.
