摘 要

桅杆结构具有自重轻、材料省等特点,广泛应用于广播电视、通讯、电力等部门。因为桅杆结构是一种高柔结构, 在风荷载作用下由于纤绳和杆身的相互作用, 表现出较强的非线性特征, 结构响应非常复杂。在随机风荷载的长期作用下,容易引起结构的疲劳损伤。尤其是拉索与主体结构的连接部位，因此研究连接耳板的疲劳损伤非常重要。而索力是拉耳承受的主要作用，确定在风荷载作用下索力的最不利内力便变得尤为重要。本文在风荷载模拟计算的基础上，建立了桅杆结构的ANSYS有限元模型，并分析了在不同风向作用下桅杆结构的风振响应，最后通过统计方法获得拉索的最不利内力，为耳板的损伤识别研究提供关键数据。

关键词：桅杆结构；ANSYS；索力；风荷载

Abstract

The mast structure has the characteristics of light weight, material saving, etc. It is widely used in broadcasting, television, communication, electric power and other departments. Because the mast structure is a highly flexible structure, due to the interaction of the rope and the shaft under wind load, it exhibits strong nonlinear characteristics and the structural response is very complicated. Under the long-term effect of random wind load, it is easy to cause fatigue damage of the structure. In particular, the connection between the cable and the main structure, it is therefore important to study the fatigue damage of the connecting lug. The cable force is the main function of the puller. It is especially important to determine the most unfavorable internal force of the cable force under the wind load. Based on the wind load simulation calculation, the ANSYS finite element model of the mast structure is established, and the wind-induced vibration response of the mast structure under different wind speeds is analyzed. Finally, the most unfavorable internal force of the cable is obtained by statistical methods. Ear damage assessment studies provide critical data.

Key Words：Mast structure; ANSYS; cable force; wind load

目录

摘 要 3

Abstract 4

第1章 绪论 6

1.1课题研究和意义 6

1.2国内外研究现状 6

1.3本文的思路和主要内容 8

第2章 ANSYS的介绍和桅杆结构的有限元模型建立 9

2.1 ANSYS的系统功能 9

2.1.1前处理 10

2.1.2求解 10

2.1.3后处理 11

2.2桅杆结构的模型 11

2.2.1工程概况 11

3.3本章小结 13

第3章 桅杆结构的模态分析 14

3.1模态分析的理论处理 14

3.2模态分析方法 14

3.3桅杆结构的模态分析 15

3.4本章小结 16

第4章 桅杆结构的最不利内力分析 17

4.1瞬态动力分析方法 17

4.2风荷载计算 17

4.2.1风压力 18

4.2.2平均风荷载的计算 19

4.2.3脉动风荷载的计算 19

4.3桅杆结构的瞬态动力分析 20

4.4本章小结 25

第5章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

• 1. 课题研究和意义

桅杆结构具有重量轻、材料少的特点，广泛应用于广播电视、通信、电力等部门。

风荷载是建筑物的主要侧向控制荷载，测量风荷载及预测建筑物风响应是工程需要。它不仅对结构物产生水平风压作用，还会引起多种类型的振动效应。一般结构对风的动态影响不敏感，只能考虑静态效应。但是，对于高层建筑和高层建筑，除了考虑静态效应外，还需要考虑动态效应。动作与结构的固有振动周期，结构振动模式，结构阻尼和结构高度等因素有关。可以假设脉动风压是通过随机过程从随机振动理论的基本原理导出的。

桅杆结构是一种高度柔性的结构。在风荷载作用下，由于纤绳与主体结构之间的相互作用，表现出很强的非线性特性，结构响应非常复杂。桅杆结构在随机风荷载作用下容易发生大幅度振动，疲劳损伤是主要的破坏形式。近年来，国内外已有许多桅杆疲劳损伤的实例。例如，德国条顿-布尔格沃尔德的298米宽的贝尔斯坦桅杆在1985年因疲劳损坏而倒塌。损坏的原因是纤维绳在微风中的连续振动导致纤维绳连接板焊缝处出现疲劳裂纹。当时，桅杆在零下20℃的天气条件下倒塌，材料在低风速条件下出现冷脆。类似的疲劳失效事故也发生在1992年，当时意大利的蒙特·内罗纳桅杆 (120米) 因主杆疲劳而受损，1979年捷克克拉索夫桅杆 (320米) 因锚板边缘疲劳等而受损。1988年，中国昆明501中波桅杆 (143.5米) 也因疲劳受损。

由于集中在耳板上的拉索作用导致耳板的焊接损伤是导致桅杆结构损伤的主要原因之一。因此，在研究耳板疲劳损伤时，计算耳板所承受的纤绳拉力是非常重要的。本文的目的是通过风荷载模拟计算桅杆结构在不同风向下的风振响应，并通过统计方法获得斜拉索最不利内力，为耳板损伤识别研究提供关键数据。

1.2国内外研究现状

多年来，在风荷载作用下的桅杆结构的动态特性由于其复杂性，结构的固有非线性和边界层中风荷载的复杂性质而引起了全世界研究人员的极大兴趣。许多研究人员研究了桅杆的静态和动态行为之间的显着差异。

桅杆结构的动力分析研究始于上世纪30年代,至今已经形成系统的动力分析理论。桅杆结构的动力响应的研究主要集中在理论分析、有限元模拟和试验研究三个方面。。早在20世纪30年代，苏联学者就提出了连续三弯矩方程来解决桅杆的动力问题，而没有考虑纤维绳的动力特性以及纤维绳与轴之间的相互作用，导致计算误差较大。1947年Kolousek,他将纤维绳简化成具有一定刚度的弹簧，并利用纤维绳的动态刚度计算了考虑和不考虑轴压时轴的固有振动频率。他第一次对桅杆结构进行了完整的动态计算。70年代后期至80年代初, 澳大利亚学者lrvine^[6]考虑纤绳的动力影响，对纤绳动力刚度进行修正。德国的U.Peil教授 ^[7-9] 对桅杆结构在风荷载作用下的动力响应进行了理论分析和实验研究，指出考虑纤维绳动力特性的影响，可以准确预测整个桅杆结构的动力特性。我国对桅杆结构的研究始于20世纪60年代。王肇民教授^[10] 首次提出桅杆的简化动力分析方法，将纤维绳振动等质量转化为轴的集中质量，形成多质量弹性支撑的竖向结构计算模型。欧阳可庆^[11]提出桁架大位移刚度矩阵，并提出桅杆静力分析的杆索有限元法。该方法计算精度高，但计算量大。张其林^[12] 提出了杆索增量有限元法，修正了欧阳可庆杆单元刚度矩阵不对称的问题，推导了双节点抛物线索单元的增量切线刚度矩阵和质量矩阵。李树逊^[13]对桅杆结构进行了非线性有限元分析，何艳丽^[14]分析了桅杆结构的动力稳定性。