Phát triển khả năng dễ bị tổn thương do địa chấn cho Tháp di động lưới thép trạm gốc

Phân tích độ mong manh do địa chấn là một khía cạnh quan trọng để đảm bảo khả năng phục hồi cấu trúc của các tháp di động dạng lưới thép của trạm cơ sở. Những tòa tháp này rất quan trọng để duy trì liên lạc trong và sau các sự kiện địa chấn. Phân tích toàn diện này liên quan đến việc tìm hiểu hành vi địa chấn, tiến hành mô hình hóa cấu trúc, và phát triển các đường cong dễ vỡ để định lượng xác suất đạt hoặc vượt các trạng thái thiệt hại khác nhau dưới các mức cường độ địa chấn khác nhau.

Tháp di động lưới thép

Thông số sản phẩm cho Tháp di động lưới thép trạm gốc

1. Cực điện cực thép điện

• Mã thiết kế: Đã / đang-222-G / F

2. Kết cấu thép

Tháp có thể được xây dựng bằng thép nhẹ hoặc thép cường độ cao, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế khác nhau:

• Thép nhẹ:
  • Tiêu chuẩn Trung Quốc: GB / T 700: Q235B, Q235C, Q235D
  • Tiêu chuẩn Mỹ: ASTM A36
  • Tiêu chuẩn Châu Âu: EN10025: S235JR, S235J0, S235J2
• Kéo thép cao:
  • Tiêu chuẩn Trung Quốc: GB / T 1591: Q345B, Q345C, Q345D
  • Tiêu chuẩn Mỹ: ASTM A572 Gr50
  • Tiêu chuẩn Châu Âu: EN10025: S355JR, S355J0, S355J2

3. Thiết kế Tốc độ gió

• Tốc độ gió tối đa: KẸP VÀ CHỐT CHO 250 km / h

4. Độ lệch cho phép

• Phạm vi lệch: 0.5 đến 1.0 mức độ ở tốc độ hoạt động

5. Tính chất cơ học

• Sức căng (MPa):
  • Thép nhẹ: 360 đến 510
  • Kéo thép cao: 470 đến 630
• Năng suất Strength (t 16mm) (MPa):
  • Thép nhẹ: 235
  • Kéo thép cao: 355
• ly giác (%):
  • Thép nhẹ: 20
  • Kéo thép cao: 24
• Sức mạnh tác động KV (J):
  • Thép nhẹ:
    • 27 (20° C) — Q235B (S235JR)
    • 27 (0° C) — Q235C (S235J0)
    • 27 (-20° C) — Q235D (S235J2)
  • Kéo thép cao:
    • 27 (20° C) — Q345B (S355JR)
    • 27 (0° C) — Q345C (S355J0)
    • 27 (-20° C) — Q345D (S355J2)

6. bu lông & Quả hạch

• Cấp: 4.8, 6.8, 8.8
• Tiêu chuẩn về tính chất cơ học:
  • bu lông: ISO 898-1
  • Quả hạch: ISO 898-2
  • máy giặt: ISO 6507-1
• Tiêu chuẩn về kích thước:
  • bu lông: TỪ 7990, TỪ 931, TỪ 933
  • Quả hạch: ISO 4032, ISO 4034
  • máy giặt: TỪ 7989, DIN 127B, ISO 7091

7. sự hàn

• phương pháp: Hàn hồ quang được bảo vệ bằng CO₂ & Ngập Arc hàn (CÁI CƯA)
• Tiêu chuẩn: AWS D1.1

8. Đánh dấu

• Phương pháp chấm điểm thành viên: Ép dập

9. mạ kẽm

• Tiêu chuẩn mạ kẽm cho các phần thép: ISO 1461 hoặc ASTM A123
• Tiêu chuẩn mạ kẽm cho bu lông và đai ốc: ISO 1461 hoặc ASTM A153

10. Kiểm tra

• Thử nghiệm tại nhà máy:
  • Kiểm tra đồ bền
  • Phân tích các yếu tố
  • Thử nghiệm Charpy (Kiểm tra tác động)
  • lạnh uốn
  • Kiểm tra Preece
  • Kiểm tra búa

 

Các thông số này đảm bảo tòa tháp đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về tính toàn vẹn của cấu trúc, Độ bền, và hiệu suất trong các điều kiện môi trường khác nhau. Bằng cách tuân thủ các thông số kỹ thuật này, tòa tháp được thiết kế để chịu được tốc độ gió cao và tải trọng địa chấn, cung cấp hỗ trợ đáng tin cậy cho cơ sở hạ tầng truyền thông.

1. Giới thiệu về phân tích độ mong manh địa chấn

Phân tích độ mong manh do địa chấn đánh giá khả năng một cấu trúc sẽ đạt hoặc vượt quá trạng thái hư hỏng được chỉ định dưới các mức cường độ địa chấn khác nhau. Đối với tháp di động dạng lưới thép của trạm cơ sở, điều này liên quan đến:

• Xác định trạng thái thiệt hại tiềm ẩn.
• Tiến hành phân tích nguy cơ địa chấn.
• Mô hình hóa phản ứng địa chấn của tòa tháp.
• Xây dựng đường cong dễ vỡ dựa trên phân tích xác suất phản ứng của tòa tháp đối với tải trọng địa chấn.

2. Phân tích nguy cơ địa chấn

Phân tích nguy cơ địa chấn liên quan đến việc xác định các biện pháp cường độ địa chấn (IM) liên quan đến vị trí của tòa tháp. Các bước chính bao gồm:

• Phân vùng địa chấn: Xác định vùng địa chấn và thu thập dữ liệu địa chấn liên quan như gia tốc mặt đất cực đại (PGA), gia tốc quang phổ (TRÊN), và hồ sơ chuyển động mặt đất.
• Khoảng thời gian trả lại: Xác định thời gian hoàn trả (ví dụ, 50, 100, 475, 2475 năm) để đánh giá các mức độ nguy hiểm địa chấn khác nhau.
• Phân tích theo trang web cụ thể: Tiến hành phân tích nguy cơ địa chấn cụ thể tại địa điểm nếu tòa tháp nằm trong khu vực có địa chất phức tạp.
• 

3. Định nghĩa trạng thái thiệt hại

Các trạng thái hư hỏng thể hiện mức độ hư hỏng cấu trúc khác nhau. Đối với tháp di động lưới thép, trạng thái thiệt hại điển hình có thể bao gồm:

• Thiệt hại nhẹ (DS1): Biến dạng nhỏ và không có thiệt hại đáng kể về cấu trúc.
• Thiệt hại vừa phải (DS2): Biến dạng đáng chú ý, năng suất nhỏ của các thành viên, và một số hư hỏng kết nối.
• Thiệt hại lớn (DS3): Biến dạng đáng kể, sự đầu hàng của nhiều thành viên, và làm hỏng các kết nối chính.
• Sụp đổ (DS4): Toàn bộ cấu trúc bị hư hỏng hoặc sụp đổ.

4. Mô hình hóa kết cấu và phân tích phản ứng địa chấn

4.1 3D Mô hình kết cấu

Tạo mô hình 3D chi tiết của tháp di động bằng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) phần mềm như SAP2000, ANSYS, hoặc OpenSees. Mô hình nên bao gồm:

• Thành viên cấu trúc: thành viên mạng, nối lại cho chắc, và kết nối.
• nền tảng: Mô hình hóa nền móng để tính đến tương tác kết cấu đất.
• Phân phối đại chúng: Đại diện chính xác của phân phối hàng loạt, bao gồm ăng-ten và thiết bị.

4.2 Tải địa chấn

Áp dụng tải trọng địa chấn vào mô hình bao gồm:

• Bản ghi chuyển động mặt đất: Sử dụng các bản ghi chuyển động mặt đất thực hoặc tổng hợp thể hiện mối nguy hiểm địa chấn tại hiện trường.
• Phân tích lịch sử thời gian: Thực hiện phân tích lịch sử thời gian phi tuyến để nắm bắt phản ứng động của tháp.
• Phân tích phổ phản hồi: Tiến hành phân tích phổ phản ứng để so sánh và xác nhận.

4.3 Phân tích phi tuyến

Phân tích phi tuyến là cần thiết để nắm bắt được trạng thái không đàn hồi của tòa tháp dưới tải trọng địa chấn. Điều này liên quan đến:

• Tính phi tuyến của vật liệu: Mô hình hóa ứng xử chảy và sau chảy của cấu kiện thép.
• Phi tuyến hình học: Xét các biến dạng lớn và hiệu ứng P-Delta.
• Hành vi kết nối: Mô hình hóa chính xác độ cứng và độ bền của kết nối.

5. Phát triển đường cong mong manh

Đường cong mong manh được phát triển bằng cách phân tích thống kê phản ứng của tháp đối với tải trọng địa chấn. Các bước bao gồm:

5.1 Thông số nhu cầu địa chấn

Xác định thông số nhu cầu địa chấn (ví dụ, độ trôi giữa các tầng tối đa, cắt cơ sở) tương quan với trạng thái thiệt hại.

5.2 Các mô hình nhu cầu địa chấn xác suất (PSDM)

Phát triển PSDM liên quan đến các thông số nhu cầu địa chấn với các biện pháp cường độ địa chấn (IM). Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phân tích hồi quy trên các kết quả từ phân tích lịch sử thời gian phi tuyến tính.

5.3 Ma trận xác suất thiệt hại

Xây dựng ma trận xác suất thiệt hại cung cấp xác suất đạt hoặc vượt từng trạng thái thiệt hại đối với các mức cường độ địa chấn nhất định.

5.4 Công thức hàm mong manh

Lắp các hàm dễ vỡ vào dữ liệu xác suất thiệt hại. Hàm dễ vỡ thường được biểu thị dưới dạng hàm phân phối tích lũy logic chuẩn (CDF):

[≥∣]=F(ln⁡()−ln⁡())P[DS≥dS∣TÔIM]=Phi(bdS​ln(TÔIM)−ln(TÔIMdS​)​)

Ở đâu:

• $P[DS\ge dS\mid TÔIM]$ = Xác suất đạt hoặc vượt trạng thái thiệt hại $dS$ thước đo cường độ đã cho $TÔIM$.
• $Phi$ = Hàm phân phối tích lũy chuẩn chuẩn hóa.
• TÔIMdS​ = Giá trị trung bình của số đo cường độ gây ra trạng thái hư hỏng $dS$.
• bdS​ = Độ lệch chuẩn logarit biểu thị độ không đảm bảo trong IM đối với trạng thái hư hỏng $dS$.

 

 

6. Nghiên cứu điển hình: Phân tích độ mong manh địa chấn của tháp di động lưới thép trạm cơ sở

Để minh họa sự phát triển của tính dễ bị tổn thương do địa chấn, chúng tôi trình bày một nghiên cứu điển hình về tháp di động dạng lưới thép nằm trong khu vực có hoạt động địa chấn.

6.1 Mô tả tháp

• Chiều cao: 40 mét
• Cấu hình: Tháp dạng lưới có bốn chân và giằng chéo
• Vị trí: Urban area in a seismic zone with high seismic activity

6.2 Seismic Hazard Data

• Seismic Zone: Zone IV (high seismicity)
• Design Spectra: Based on the local building code
• Bản ghi chuyển động mặt đất: Selected from a database to match the seismic hazard at the site

6.3 Structural Modeling

A detailed 3D finite element model is created using OpenSees, incorporating the following elements:

• Thành viên cấu trúc: Steel legs, horizontal and diagonal bracing members
• Connections: Bolted/welded connections modeled with appropriate stiffness and strength characteristics
• nền tảng: Modeled as fixed supports for simplicity, with a note that a more detailed soil-structure interaction model could be used

6.4 Seismic Loading and Analysis

Ground Motion Selection:

• 10 ground motion records, scaled to match the design spectra at different intensity levels (ví dụ, 0.1g, 0.2g, 0.3g, …)

Nonlinear Time-History Analysis:

• Performed using the selected ground motions
• Thông số đầu ra chính: độ trôi giữa các tầng tối đa, cắt cơ sở, và lực lượng thành viên

6.5 Tiêu chí trạng thái thiệt hại

Xác định trạng thái hư hỏng dựa trên đánh giá kỹ thuật và tiêu chí hiệu suất kết cấu:

• Thiệt hại nhẹ (DS1): Độ trôi giữa các tầng tối đa < 0.5%
• Thiệt hại vừa phải (DS2): Độ trôi giữa các tầng tối đa 0.5% – 1.5%
• Thiệt hại lớn (DS3): Độ trôi giữa các tầng tối đa 1.5% – 3%
• Sụp đổ (DS4): Độ trôi giữa các tầng tối đa > 3%

6.6 Thông số nhu cầu địa chấn

Các thông số nhu cầu địa chấn chính được xác định là:

• Độ trôi giữa các câu chuyện tối đa (GIỮA)
• Cắt cơ sở (BS)

6.7 Các mô hình nhu cầu địa chấn xác suất (PSDM)

Phân tích hồi quy được thực hiện dựa trên kết quả từ phân tích lịch sử thời gian phi tuyến để phát triển PSDM cho từng trạng thái thiệt hại. Ví dụ:

GIỮA=⋅(PGA)GIỮA=một⋅(PGA)b

Ở đâu $một$ và $b$ là các hệ số hồi quy rút ra từ phân tích.

6.8 Phát triển đường cong mong manh

Ma trận xác suất thiệt hại:

• Được xây dựng cho từng trạng thái thiệt hại dựa trên các thông số nhu cầu địa chấn và cường độ địa chấn tương ứng của chúng.

Hàm dễ vỡ:

• Được trang bị bằng cách sử dụng phân phối loga chuẩn cho dữ liệu xác suất thiệt hại.

Ví dụ về chức năng mong manh đối với thiệt hại vừa phải (DS2):

[≥2∣]=F(ln⁡(PGA)−ln⁡(PGA2)2)P[DS≥DS2∣PGMột]=Phi(bDS2​ln(PGA)−ln(PGADS2​)​)

Ở đâu:

• PGA2PGADS2​ = PGA trung bình gây thiệt hại vừa phải
• 2bDS2​ = Độ lệch chuẩn logarit đối với thiệt hại vừa phải

6.9 Kết quả

Các đường cong dễ vỡ cho từng trạng thái thiệt hại được vẽ, hiển thị xác suất vượt quá từng trạng thái thiệt hại theo chức năng của PGA. Kết quả ví dụ có thể bao gồm:

• DS1: PGA trung vị = 0,15g, 1=0,3bDS1​=0.3
• DS2: PGA trung bình = 0,30g, 2= 0,35bDS2​=0.35
• DS3: PGA trung vị = 0,45g, 3=0,4bDS3​=0.4
• DS4: PGA trung bình = 0,60g, 4= 0,45bDS4​=0.45

7. Thảo luận và giải thích

Các đường cong dễ vỡ được phát triển cung cấp thước đo xác suất về khả năng dễ bị tổn thương của tòa tháp trước các sự kiện địa chấn. Các quan sát chính bao gồm:

• Thiệt hại nhẹ (DS1): Tòa tháp có thể bị hư hại nhẹ ở mức PGA tương đối thấp.
• Thiệt hại vừa phải (DS2): Xác suất thiệt hại vừa phải tăng đáng kể khi vượt quá PGA là 0,3g.
• Thiệt hại lớn (DS3): Thiệt hại trên diện rộng có thể xảy ra ở giá trị PGA cao hơn, cho thấy sự cần thiết của các biện pháp thiết kế mạnh mẽ.
• Sụp đổ (DS4): Xác suất sụp đổ thấp nhưng đáng kể ở giá trị PGA rất cao, nêu bật các ngưỡng cường độ tới hạn đối với sự phá hủy cấu trúc.

8. Phần kết luận

Phân tích độ mong manh địa chấn của tháp di động lưới thép của trạm cơ sở cung cấp những hiểu biết có giá trị về lỗ hổng địa chấn của nó và cung cấp thông tin cải tiến thiết kế và chiến lược trang bị thêm. Các bước được nêu trong quy trình này đảm bảo sự hiểu biết toàn diện về hoạt động của tòa tháp dưới tải trọng địa chấn và phát triển các đường cong dễ vỡ đáng tin cậy. Những đường cong này rất quan trọng để đánh giá rủi ro và ra quyết định trong bối cảnh có khả năng phục hồi địa chấn.

9. Khuyến nghị để tăng cường khả năng phục hồi địa chấn

Dựa trên những phát hiện từ phân tích tính dễ vỡ do địa chấn, một số khuyến nghị có thể được đưa ra để tăng cường khả năng phục hồi địa chấn của tòa tháp:

9.1 Gia cố kết cấu

• Tăng cường thành viên: Nâng cấp thành viên quan trọng (ví dụ, chân và giằng chính) để chịu được lực địa chấn cao hơn.
• Cải tiến kết nối: Cải thiện thiết kế và độ bền của các kết nối để ngăn ngừa hư hỏng khi tải động.
• Niềng răng dự phòng: Giới thiệu hệ giằng bổ sung để cung cấp đường dẫn tải thay thế và cải thiện độ ổn định tổng thể.

9.2 Cải tiến nền tảng

• Tương tác đất-kết cấu (SSI): Tiến hành phân tích và thiết kế chi tiết SSI để giảm thiểu lực động đất một cách hiệu quả.
• Cách ly cơ sở: Xem xét việc sử dụng các kỹ thuật cách ly nền tảng để tách tháp khỏi chuyển động của mặt đất và giảm nhu cầu địa chấn.

9.3 Chiến lược trang bị thêm

• Hệ thống giảm xóc: Thực hiện hệ thống giảm chấn (ví dụ, bộ giảm chấn khối lượng được điều chỉnh, bộ giảm chấn nhớt) để tiêu tán năng lượng địa chấn và giảm rung động.
• Tăng cường các tòa tháp hiện có: Áp dụng các kỹ thuật trang bị thêm như thêm nẹp ngoài hoặc sử dụng polyme gia cố bằng sợi (FRP) nâng cao năng lực kết cấu.

9.4 Giám sát và bảo trì

• Giám sát địa chấn: Lắp đặt cảm biến để theo dõi phản ứng của tháp trong các sự kiện địa chấn và thu thập dữ liệu để đánh giá liên tục.
• Kiểm tra thường xuyên: Tiến hành kiểm tra và bảo trì định kỳ để xác định và giải quyết các lỗ hổng tiềm ẩn.

10. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu sâu hơn có thể được tiến hành để cải tiến và nâng cao khả năng phân tích độ mong manh do địa chấn của các tháp di động dạng lưới thép:

• Kỹ thuật lập mô hình nâng cao: Sử dụng các mô hình phần tử hữu hạn có độ chính xác cao và các phương pháp phân tích phi tuyến phức tạp để nắm bắt các hành vi phức tạp một cách chính xác hơn.
• Xác thực thử nghiệm: Thực hiện kiểm tra bàn rung trên các mô hình hoặc bộ phận tỷ lệ để xác nhận các mô hình phân tích và đường cong dễ vỡ.
• Thiết kế dựa trên hiệu suất: Phát triển các nguyên tắc thiết kế dựa trên hiệu suất dành riêng cho tháp di động, kết hợp những hiểu biết sâu sắc về sự mong manh của địa chấn.
• Tích hợp với các mối nguy hiểm khác: Nghiên cứu tác động tổng hợp của nhiều mối nguy hiểm (ví dụ, gió và địa chấn) để phát triển các chiến lược phục hồi toàn diện.

11. Phần kết luận

Việc phát triển khả năng dễ bị tổn thương do địa chấn đối với tháp di động lưới thép của trạm gốc là một bước quan trọng nhằm đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc và tính liên tục trong hoạt động của nó trong và sau các sự kiện địa chấn. Bằng cách tuân theo cách tiếp cận có hệ thống để phân tích nguy cơ địa chấn, mô hình cấu trúc, và sự phát triển của đường cong mong manh, các kỹ sư có thể định lượng lỗ hổng của tòa tháp và thực hiện các biện pháp giảm thiểu hiệu quả. Những nỗ lực này góp phần vào khả năng phục hồi tổng thể của cơ sở hạ tầng truyền thông, điều cần thiết cho việc ứng phó và phục hồi khẩn cấp sau động đất.