随着电视、无线电广播及通讯事业的不断发展, 塔架结构的天线建筑得到了越来越广泛的应用, 从20世纪80年代开始, 塔架结构的天线建筑如雨后春笋般在全国各地涌现。广播电视发射塔作为高耸结构的一种, 其设计的控制荷载为水平荷载 (包括风荷载和地震荷载) , 且随着塔架高度的增加, 水平荷载对塔架的影响也在增大, 在环境侵蚀、材料老化、荷载的长期效应、疲劳效应和突发效应等灾害因素的共同作用下结构系统将产生损伤积累和抗力衰减, 从而导致结构抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降, 而且有的结构构件损伤可能扩展更快, 极端情况下易引发灾难性的突发事故。自20世纪80年代以来, 这种功能性广播电视发射塔在全国相继发生多起倒塌事故。本文通过对某倒塌的广播电视发射塔进行材性试验及有限元分析计算, 分析了该塔倒塌的原因, 并对广播电视发射塔以后的日常维护提出了建议。

　　 2017年8月, 河南省某广播电视发射塔发生倒塌事故, 该广播电视发射塔是一座四边形角钢塔, 塔高 (不含避雷针) 120m, 如图1所示。

　　 该钢结构广播电视发射塔建成于2001年, 2017年8月受大到暴雨天气的影响, 塔架自第4段, 约塔体高度27.2m处发生弯折倒塌。根据当地气象资料, 当日极大瞬时风速达到17.5m/s, , 依据相关文献^[1]计算出当天风压为0.12k N/m²。根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) , 该塔基本风压按50年重现期考虑为0.35k N/m²。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) , 本工程抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 设计地震分组为第一组;抗震设防类别为丙类。图2为该塔倒塌照片。

　　 整理现场资料后发现, 该塔的设计、生产制造及安装单位均为某铁塔生产企业, 现场收集的铁塔设计图纸的签章为铁塔生产企业技术科公章, 经上网查证, 该铁塔生产企业并无设计资质。

　　 依据现场资料和检测数据, 该塔自下而上共27段, 塔架第1~5段类型为K型, 第6~27段类型为X型, 图3为广播电视发射塔正立面图和轴测图。

　　 从倒塌塔架状况可以看出, 塔架弯折段为第4~5段, 第1~3段基本完好。塔架结构构件自第4~5段发生变形, 由西南方向向东北方向倒塌, 倒塌方向有一座住宅居民楼, 塔架弯折呈包裹依附于居民楼两侧。塔架弯折段段高8.3m, 此段为变坡段, 应设有横隔^[2]作为平面外支撑, 但该塔只有第1~3段设有横隔, 在其余塔段均没设横隔。在第4段局部节点位置发现螺栓缺失和松动, 塔架第9段设有平台, 共挂载30副通信天线及3个微波天线, 而塔架第8段作为主要受力塔段, 该段斜杆规格为L80×8, 规格较小且没有增设辅杆。综上所述, 可以初步判断, 可能是塔架第4段及其以上部分结构构件存在问题。

　　 根据对该钢结构塔的设计资料调查及现场检测数据, 可知, 该塔所有塔架构件材质均为Q235。塔架塔柱结构均为角钢, 主柱截面自下而上依次为:L200×20, L180×18, L180×16, L160×16, L140×14, L125×14, L125×12, L100×10和L100×8。塔架共设3个平台, 塔架第12~16段、第19~26段分设4面6层双偶极子天线, 第17段设有2个全向天线, 平台位置共挂载33副通信天线及3个微波天线。

　　 经现场检测发现, 塔架存在第13段杆件断裂 (图4) , 第4段 (弯折段) 螺栓缺失、松动 (图5) 等问题。

　　 对现场构件进行取样, 样品取自第4~5段部分材料, 其编号见表1。部分样品化学成分及其技术要求分别如表2、表3所示、力学性能如表4所示, 试验部分照片如图6、图7所示。

　　 由表2、表3可见, 1#, 2#样品化学成分符合要求。根据《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》 (GB/T 3098.1—2010) 规定, 螺栓楔负载标准值应不小于147k N, 可见, 3#, 4#样品中4#螺栓楔负载机械性能不满足要求。

　　 根据现场勘查和结构构件检测, 初步分析塔架折断的原因如下:1) 该钢结构塔未经设计, 由施工单位直接生产安装;2) 塔架虽然经过刷漆维护, 但现场发现有螺栓缺失、杆件断裂等问题, 螺栓的缺失与松动显著减弱了其对角钢的约束, 使得角钢节点位置不再保持紧固连接, 使铁塔在强风作用下的晃动和弯曲幅度加大, 无法有效抵抗节点位置的扭矩和弯矩的作用;3) 部分塔段荷载较为集中, 塔架构件规格较小, 且缺少辅杆, 在较强风荷载作用下, 受力塔段的构件易发生塑性弯曲变形;4) 现场取样的部分样品的试验数据显示, 抽样中部分螺栓机械性能不满足要求。

　　 为了进一步分析该塔折断的原因, 准确分析该塔的内力、稳定性及动力特性, 利用有限元分析软件3D3S建立了该塔的空间有限元分析模型。考虑到塔架结构属于空间桁架结构, 为简化计算, 作如下假定:1) 将空间桁架简化为静定平面桁架;2) 构件节点为理想铰, 即构件仅承受轴力;3) 假定柱脚连接为不动铰接。

　　 考虑到高耸钢塔结构是高柔性结构, 作用在结构上的荷载以风荷载为主要控制荷载^[3], 塔架单位面积上的风荷载标准值, 根据《高耸结构设计规范》 (GB 50135—2006) 和《建筑结构荷载规范》 (GB50009—2012) 进行取值。计算公式如下:

　　 式中:w₀为基本风压;β_z为风振系数;μ_s为挡风系数, 塔架的挡风系数μ_s根据《高耸结构设计规范》 (GB 50135—2006) 续表4.2.7第3项取值;μ_z为高度系数, μ_z按B类地面粗糙度进行取值。

　　 该模型采用3D杆单元模拟各个受力杆件, 将整个塔划分为2 048个单元和800个节点。该塔前6阶振型周期及振型描述如表5所示。

　　 对于该塔结构受力分析, 按两种工况进行计算:一种是按倒塌当天实际风速计算;另一种是按当地50年一遇设计风速进行计算。在承载能力极限状态下, 部分塔段的主柱、斜杆应力计算结果见表6。

　　 计算结果表明, 第5~8段斜杆计算长度均大于《高耸结构设计规范》 (GB 50135—2006) 中的规定值180mm, 不满足规范要求。在当天风速作用下, 主柱、斜杆最大应力小于强度设计值, 满足要求。在设计风速作用下, 第5, 6, 8段主柱最大应力大于强度设计值, 第5~8段斜杆最大应力大于强度设计值, 不满足要求。其中主柱最大应力出现在第5段, 超过强度设计值的63.2%, 斜杆最大应力出现在第8段, 超过强度设计值的108.5%。因此, 局部构件的失稳导致该钢结构塔整体正向或侧向失稳, 塔体倒塌。图8为设计风速工况下的水平位移, 图9为设计风速工况下放大的局部失稳模态。

　　 通过对该钢结构塔倒塌原因的分析, 为避免此类事件再度发生, 提出以下三点建议:

　　 (1) 对于该铁塔的倒塌, 当日大风是导致事故发生的外部因素, 是事故的触发因素;而该塔没有由具备相应资质的设计单位按规范进行设计, 结构承载力不足是导致事故发生的主要因素。

　　 (2) 钢结构广播电视发射塔是高柔性高耸结构, 塔架主要受力构件本身发生较大的变形而达到临界状态时, 辅杆参与工作, 塔架构件的内力重分配, 但此状态下塔体主要受力构件的疲劳效应会增大, 抗承载能力会降低, 待构件强度到了屈服点, 材料进入屈曲阶段, 便会导致塔架局部失稳, 进而影响塔架整体的稳定性。因此, 定期对钢结构广播电视发射塔进行专业性的检测是非常必要的, 专业的检测及结构受力分析会将钢结构铁塔“隐藏”的问题及时、清晰地反映出来, 便于对铁塔进行及时有效的针对性维护, 保证钢结构广播电视发射塔的整体安全。

　　 (3) 每经6度以上地震或8级以上大风后, 需对塔身轴线、基础及所有节点作全面观测和检查, 并拧紧松动的螺栓, 做好准确记录;如发现塔架倾斜、基础不均匀沉陷等现象, 应及时与相应单位联系。