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研究生:李家和
研究生(外文):Jia-He Li
論文名稱:高層建築物頂層之高聳電信微波鐵塔之設計並用容許應力法(ASD)與大陸設計規範檢核其結果
論文名稱(外文):Design of tall Steel Communication Tower with Micro-wave Antennas on the top of Building and checked by ASD and China Specification
指導教授:鄭金國
指導教授(外文):Jim-Guo Zheng
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:156
中文關鍵詞:穩定分析容許應力法順風向
外文關鍵詞:stability analysisallowable stress designalong-wind
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目前通訊業的發展極為迅速,在電波的傳送及接收需不受鄰近高層建築影響的前提下,為了擴大微波通訊鐵塔的通訊範圍並提高通訊品質,因此需要逐漸往高處發展,或直接架設於高層建築頂層,以達到傳輸之功能。而高度越高,水平風荷載的影響就更加重要,對於高聳微波電信鐵塔而言,主要是以順風向風力為主,所以本文採用順風向風力加諸於結構物上來作分析。本文主要是針對設置於高層建築頂層之塔架結構作設計檢核,比較在不同規範的風力作用下對鐵塔的影響,並根據大陸的檢核規範與容許應力法(AISC-ASD),對塔架的構件進行應力比、側位移以及穩定分析,並進一步探討其中之差異性。透過規範的檢核,可以避免承載能力的不足,或不穩定的情形,以維持其整體的安全性。
The development of telecommunication business is rapid presently, in order to broaden communicating area and increase quality, it must become taller gradually or directly sited on the top of a tall building to maintain the use of transmission. For the higher of the height, the wind effect is more important. With regard to a tall micro-telecommunication tower, the along-wind load is basic consideration, so it’s used to add on the structure for the analysis of current thesis. The thesis is aimed at the design and examination of the tower sited on a tall building, and to compare the influence of tower under different Code of wind. Also according to China Specification and Allowable Stress Design Code(ASD), we proceed the stress ratio, displacement, stability analysis of tower member and confer the difference. According to the examination of Code, we can avoid the insufficient of bearing capacity or the situation of unstable, and to maintain the safety of whole structure.
目錄
頁次
中文摘要 ----------------------------------------------------------------------------Ⅰ
英文摘要 ----------------------------------------------------------------------------Ⅱ
誌謝 ----------------------------------------------------------------------------------Ⅲ
目錄 ----------------------------------------------------------------------------------Ⅳ
圖目錄 -------------------------------------------------------------------------------Ⅶ
表目錄 -------------------------------------------------------------------------------Ⅸ
第一章 緒論 ----------------------------------------------------------------------1
1-1 研究動機與目的 -------------------------------------------------------1
1-2 塔架結構的選型 -------------------------------------------------------2
1-3 塔架結構的構造 -------------------------------------------------------5
1-4 風力荷載 ----------------------------------------------------------------7
1. 風、風力、風速和風速壓 ------------------------------------------7
2. 風的特性 ------------------------------------------------------------8
3. 風對結構的作用 ---------------------------------------------------10
1-5 分析程式簡介 ----------------------------------------------------------11
1-6 本文內容 ----------------------------------------------------------------11
第二章 鐵塔結構設計概要 ----------------------------------------------------13
2-1 鐵塔結構概述 ----------------------------------------------------------13
2-2 塔架設計方法 ----------------------------------------------------------13
2-3 微波通信塔 -------------------------------------------------------------15
2-3-1 高聳微波鐵塔的設計特點 -----------------------------------16
2-3-2 屋頂微波塔的設計特點 --------------------------------------17
第三章 風力荷載規範 ----------------------------------------------------------20
3-1 大陸風力規範 ----------------------------------------------------------20
1. 基本風速壓及換算係數 ------------------------------------------20
2. 順風向的風荷載 ---------------------------------------------------21
3. 風速壓高度變化係數 ---------------------------------------------22
4. 風速壓體型係數 ---------------------------------------------------24
5. 風振係數 ------------------------------------------------------------24
6. 分項係數(載重放大因子)--------------------------------------28
7. 拋物面天線荷載計算 ---------------------------------------------28
8. 容許側位移 ---------------------------------------------------------29
3-2 台灣風力規範 ----------------------------------------------------------30
1. 設計風力計算式 ---------------------------------------------------30
2. 風速之垂直分佈 ---------------------------------------------------31
3. 基本設計風速 ------------------------------------------------------32
4. 用途係數 ------------------------------------------------------------32
5. 風速壓 ---------------------------------------------------------------32
6. 陣風反應因子 ------------------------------------------------------33
7. 風壓係數與風力係數 ---------------------------------------------35
8. 容許側位移 ---------------------------------------------------------36
3-3 台灣與大陸風力規範之比較 ----------------------------------------37
第四章 容許應力法與大陸設計規範之比較 ------------------------------42
4-1 檢核之重要性 ----------------------------------------------------------42
4-2 設計檢核規範 ----------------------------------------------------------43
4-2-1 容許應力法 -----------------------------------------------------43
4-2-2 中國大陸設計規範 --------------------------------------------47
4-3 大陸設計規範與容許應力法之差異性比較 ----------------------51
4-4計算例與比較 ----------------------------------------------------------56
4-4-1 計算例(一)----------------------------------------------------56
4-4-2 計算例(二)----------------------------------------------------59
4-4-3 結果比較 --------------------------------------------------------64
第五章 算例分析與比較 -------------------------------------------------------67
5-1 分析算例之結構構造說明 -------------------------------------------67
5-2 順風向風力之計算 ----------------------------------------------------69
5-2-1 中國大陸風力規範 --------------------------------------------69
5-2-2 台灣風力規範 --------------------------------------------------75
5-3 分析結果比較 ----------------------------------------------------------78
5-3-1 位移分析 --------------------------------------------------------78
5-3-2 層剪力與基底彎矩 --------------------------------------------80
5-3-3 應力檢核 --------------------------------------------------------80
第六章 結論與建議 -------------------------------------------------------------83
6-1 結論 ----------------------------------------------------------------------83
6-2 建議 ----------------------------------------------------------------------84
參考文獻 ----------------------------------------------------------------------------85
圖目錄
頁次
圖1-1 塔架立面型式 ------------------------------------------------------88
圖1-2 塔架平面形狀 ------------------------------------------------------88
圖1-3 塔架的腹桿體系 ---------------------------------------------------88
圖1-4 塔架結構的構件截面 ---------------------------------------------89
圖1-5 塔架平面佈置圖 ---------------------------------------------------89
圖1-6 塔架截面變化處的連接方案 ------------------------------------89
圖1-7 塔架橫隔的設置與構造圖 ---------------------------------------90
圖1-8 不同地況下的平均風速剖面 ------------------------------------90
圖1-9 三維空間剛架之自由度示意圖 ---------------------------------91
圖3-1 天線風力示意圖 ---------------------------------------------------92
圖3-2 天線安裝位置圖 ---------------------------------------------------92
圖3-3 結構尺寸因子,S ----------------------------------------------------93
圖3-4 壓力剖面係數,J ----------------------------------------------------93
圖3-5 共振因子,Y --------------------------------------------------------94
圖3-6 風力係數與體型係數比較圖(塔樓以上之非封閉結構)95
圖3-7 風壓係數與體型係數比較圖(塔樓以下之封閉結構)95
圖4-1 二次彎矩效應 ------------------------------------------------------96
圖4-2 安全係數 與穩定係數 之數值比較圖 -------------------96
圖4-3 彎矩放大係數比較圖 ---------------------------------------------97
圖4-4 大陸規範( )與容許應力法軸應力比較圖 -----------------98
圖4-5 容許應力法軸力圖 ------------------------------------------------98
圖4-6 彎曲應力比較圖 ---------------------------------------------------99
圖5-1 鐵塔構造示意圖 ---------------------------------------------------100
圖5-1 鐵塔構造示意圖(續)--------------------------------------------101
圖5-2 鐵塔與建築物整體構造圖 ---------------------------------------102
圖5-3 鐵塔第31層構造圖 -----------------------------------------------103
圖5-4 鐵塔第19層構造圖 -----------------------------------------------103
圖5-5 鐵塔第29層天線位置示意圖 -----------------------------------103
圖5-6 節點風力示意圖 ---------------------------------------------------104
圖5-7 風力方向示意圖 ---------------------------------------------------104
圖5-8 節點位置示意圖 ---------------------------------------------------104
圖5-9 位移比較圖 ---------------------------------------------------------105
圖5-10 整體結構變形圖 ---------------------------------------------------106
圖5-11 層剪力與基底彎矩比較圖 ---------------------------------------107
圖5-12 塔柱檢核值比較圖 ------------------------------------------------108
圖5-13 三項檢核值比較圖(塔樓以上之柱)--------------------------109
圖5-14 三項檢核值比較圖(塔樓以下之柱)--------------------------110
圖5-15-1 風力以容許應力法檢核比較圖 ---------------------------------111
圖5-15-2 風力以大陸設計規範檢核比較圖 ------------------------------112
圖5-16 壓力與拉力構件檢核值比較圖 ---------------------------------113
圖5-17 壓力與拉力構件軸力項檢核值比較圖 ------------------------114
圖5-18 壓力與拉力構件彎矩項Mx檢核值比較圖 -------------------115
圖5-19 壓力與拉力構件彎矩項My檢核值比較圖 -------------------116
圖5-20 以ASD檢核之比較圖 --------------------------------------------117
圖5-21-1 ASD之三項檢核值比較圖(塔樓以下之柱)----------------118
圖5-21-2 ASD之三項檢核值比較圖(塔樓以上之柱)----------------119
圖5-22 以大陸規範檢核之比較圖 ---------------------------------------120
圖5-23-1 大陸規範之三項檢核值比較圖(塔樓以下之柱)-----------121
圖5-23-2 大陸規範之三項檢核值比較圖(塔樓以上之柱)-----------122
表目錄
頁次
表3-1 標準高度為a(m)時的基本風速壓換算係數 ------------------123
表3-2 地況分類 ------------------------------------------------------------123
表3-3 不同地貌時的基本風速壓換算係數 ---------------------------123
表3-4 海面和海島的基本風速壓調整係數 ---------------------------123
表3-5 山區的基本風速壓調整係數 ------------------------------------123
表3-6 各種不同時距的平均風速換算係數 ---------------------------123
表3-7 不同重現期 對風速壓的換算係數 ------------------------124
表3-8 我國重要都市之基本風速壓 ( ) ---------------------124
表3-9 風速壓高度變化係數 -----------------------------------------124
表3-10 爬坡增值效應係數最大值 -----------------------------------125
表3-11-1 結構塔架之體型係數 ------------------------------------------126
表3-11-2 懸臂結構之體型係數 ------------------------------------------127
表3-12 脈動增大係數 ---------------------------------------------------128
表3-13 考慮風速壓脈動和高度變化的影響係數 ------------------128
表3-14 考慮振型和結構外形的係數 ---------------------------------129
表3-15 無罩式拋物面天線體型係數 ------------------------------------129
表3-16 美國規格天線大小及重量(部分資料) -----------------------130
表3-17 地況分類 ------------------------------------------------------------131
表3-18 各種地況種類之 與 值 ---------------------------------------131
表3-19 各種地況種類之 值及梯度高度 ---------------------------131
表3-20 常數 ,s, -----------------------------------------------------132
表3-21 陣風反應因子 和 ----------------------------------------132
表3-22 牆之平均外風壓係數 -----------------------------------------133
表3-23 桁架高塔之風力係數 -----------------------------------------133
表4-1 高聳結構的安全等級及結構重要性係數 ------------------134
表4-2 永久荷載分項係數 ---------------------------------------------134
表4-3 不同荷載基本組合中可變荷載組合值係數 --------------134
表4-4 軸心受壓構件穩定係數 ---------------------------------------135
表4-5 截面塑性發展係數 、 ---------------------------------------136
表4-6 受壓構件截面分類(部分資料)--------------------------------137
表4-7 鋼材的強度設計值( )------------------------------------138
表5-1 大陸規範風力計算表 ---------------------------------------------139
表5-2 台灣規範風力計算表 ---------------------------------------------142
表5-3 高樓風力計算表(大陸規範)-----------------------------------144
表5-4 高樓風力計算表(台灣規範)-----------------------------------146
表5-5 以台灣規範風力所得內力經容許應力法檢核之應力比148
表5-6 以大陸規範風力所得內力經大陸設計規範檢核之應力比150
參考文獻〔1〕王肇民,“高聳結構設計手冊”,中國建築工業出版社,建築結構設計手冊叢書編委會,1995年11月。〔2〕“高聳結構設計規範(初稿)”,2000年11月。〔3〕蔡益超、陳瑞華、項維邦,“建築物風力規範條文、解說及示範例之研訂”,內政部建築研究所,民國85年6月。〔4〕鄭金國、蔡益超、宋杰祥,“電信鐵塔設計規範”,中華電信股份有限公司,民國86年9月。〔5〕鄭金國、蔡益超,“電信微波鐵塔抗風設計”,結構工程期刊第十三卷第四期,PP.61~71,民國87年12月。〔6〕唐維新,“高層建築結構簡化分析與實用設計”,中國建築工業出版社,1994年9月。〔7〕陳瑞華,“建築物風力規範研究之現況與展望”,第四屆結構工程研討會,PP777-784,民國87年9月。〔8〕王麒驊,“最新實用鋼結構設計”,茂榮圖書,民國73年1月。〔9〕陳惠發、金文森、周綏平、段煉,“鋼結構設計-荷載與抗力係數設計法(LRFD)”,科技圖書,1999年8月。〔10〕黃逸豪,“高聳鐵塔在順風向風力作用下之分析”,私立中原大學土木工程研究所碩士論文,民國87年7月。〔11〕邱中一,“高聳鐵塔在橫風向風力作用下之反應比較分析”,私立中原大學土木工程研究所碩士論文,民國87年7月。〔12〕方循矩,“高聳鐵塔在風力作用下之穩定分析”,私立中原大學土木工程研究所碩士論文,民國87年7月。〔13〕江正宏,“直立式含塔樓之高聳電信鋼塔之設計與分析”,私立中原大學土木工程研究所碩士論文,民國88年6月。〔14〕李榮哲,“直立角鋼式高聳電信鋼塔之標準化設計與分析”,私立中原大學土木工程研究所碩士論文,民國88年6月。〔15〕李正信,“高聳電信鐵塔在風力作用下之反應及TMD之消能作用”,私立中原大學土木工程研究所碩士論文,民國89年7月。〔16〕王肇民,“我國鋼結構電視塔設計與施工概況”,特種結構第13卷第3期,1996年。〔17〕麥錦垣、錢志遙,“台灣地區風力設計及相關規範研究”, 結構工程期刊第八卷第一期,PP.85~100,民國82年3月。〔18〕王肇民、U. Peil ,“塔桅結構”,同濟大學出版社,1989年。〔19〕王肇民、U. Peil ,“塔桅結構”,同濟大學出版社,2001年。〔20〕陳惠發,”樑柱分析與設計,平面問題特性和設計(上冊、下冊)”,科技圖書,民國83年12月。〔21〕柯鎮洋、鄭凱文、宋嘉修,”通訊自立式鐵塔結構設計與施工考量”,中華民國第四屆結構工程研討會論文集,PP1843-1850.〔22〕Simiu,E.and Scanlan,R.H.,“Wind Effects on Structures”,1978.〔23〕American National Standard Building Code Requirements for Minimum Design Loads in Building and Structures, ANSI, New York,1982.〔24〕AISC, “Manual of Steel Constructure-Allowable Stress Design”,9th edition,1989.〔25〕AISC, “Manual of Steel Construction-Load&Resistance Factor Design”, 2nd edition,1994.〔26〕Sheng-Jin Chen, Wu-Chyuan Wang, “Moment AmplificationFactor for P-δ Effect of Steel Beam-Column”, Journal of Structure Engineering, vol. 125,No. 2, February, 1999.〔27〕Jack C. McCormac, “Structural Steel Design: LRFD Method”, 2nd edition.〔28〕Bruce G. Johnston, F. J. Lin, T. V. Galambos, “Basic SteelDesign”, 3rd edition.〔29〕Jack C. McCormac, ”Structure Steel Design: LRFD Method”, 2nd edition,1997.〔30〕Edwin H. Gaylord,Jr., Charles N. Gaylord, James E. Stallmeyer,“Design of Steel Structures”, 3rd edition,1992.〔31〕Cheong-Siat-Moy, “An Improved K-factor Formula”, Journal of Structure Engineering, vol. 125,No. 2, February, 1999.〔32〕Charles G. Salmon, John E. Johnson, “STEEL STRUCTURE: Design and Behavior”, 2nd edition,1980.
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